电动汽车碳排放计算与跟踪评估的探讨

刘丽丽 刘同礼 金小香

摘要：电动汽车作为新能源的交通工具给人类社会提供新型驱动动力，同时减少二氧化碳排放;但电动汽车在制造以及使用过程中排放了多少二氧化碳，不同型号与驱动性能各异的电动汽车碳排放量能否到达国家碳排放减排要求？首先我们计算传统汽车与电动汽车的100公里碳排放，合理评估电动汽车使用中的碳排放，最后推导出一个电动汽车碳排放与跟踪评估公式;这一公式引入一个可再生能源用电系数，通过公式对比纯电动汽车与HEV在生命周期结束时二氧化碳排放情况。电动汽车能效的提升，充电电能来源追踪，这都需要综合考虑，以上可指导电动汽车类型选择及使用过程中碳跟踪与评估。

Abstract： As a new energy vehicle， electric vehicle provides new driving force for human society and reduces carbon dioxide emission at the same time; however， how much carbon dioxide is emission in the manufacturing and use of electric vehicles， whether electric vehicles with different models and driving performance can be fulfill with the national carbon emission reduction requirements. Firstly， we could calculate 100 kilometer carbon emission of fuel automobile and electric cars， further reasonably evaluate the carbon emission in using of electric cars. Finally， we deduced a formula for carbon emission and tracking evaluation of electric cars; The formula introduces a power consumption coefficient of renewable energy. Through this formula， we knew the result of comparing the carbon emission of pure electric cars with HEV at the end of life. The improvement of energy efficiency of electric cars and the tracking of charging power sources need to be comprehensively considered， These could guide type choosing of electric vehicles and the carbon tracking and evaluation in use of electric vehicles.

关键词：电动汽车;碳排放;可再生电能;跟踪评估

Key words： electric vehicle;carbon emission;renewable electric energy;tracking evaluation

中图分类号：U469.72                                 文獻标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）01-0196-03

0  引言

电动汽车发展历程一直在探索中前进着，人类一直想用一种清洁能源来代替传统的化石能源。然而在这个过程中人们进行了很多不同方案的探索与尝试。早期简单的纯电动汽车、后期的MHEV、PHEV、HEV、EV、氢燃料汽车，所有不同种类汽车选择，都无一例外选择最终转换成电能对汽车进行驱动与控制，这也是人类迄今为止使用最为广泛、最为深入的方向。这样我们可以把汽车的电气化进程看成汽车进化的主要路线图，汽车电气效能提高直接导致汽车能源效能提高。所以电动汽车自身的发展过程中出现各种总成驱动架构的设计，但不管拓扑架构怎么多变，本质都是不断追求电气化效能提升，例如：轮毂电机的推广与应用会大大减小机械传动损耗而带来效能提高。EV与混合动力汽车哪个对碳平衡的贡献更大？首先需要有效的评估方法，同时导入有效追踪体系达到碳减排与碳中和要求。

1  电动汽车碳排放的评估方法

1.1 二氧化碳排放与计算

根据中国国家发展改革委员会发布的2019年电力运行情况显示，2019年全国发电量75028亿千瓦时，比上年增长3.5%，其中火电52201亿千瓦时，水电13044亿千瓦时，核电3483亿千瓦时，风电4057亿千瓦时，光电2243亿千瓦时，由此我们大致可以判断火力发电的占比70%。我们知道火力发电大部分使用的化石能源像煤炭、天然气，所以会排放大量含有碳的气体，其他发电过程属于清洁能源发电基本很少排放含碳气体，所以我们认为电动汽车的碳排放是将它的碳排放转移到了电厂发电排放中。普通的燃油汽车直接通过内燃机的燃烧将烷烃类的化学物燃烧产生了二氧化碳的排放，那么这是我们需要计算电动汽车与燃油车在基本相似情况下面碳排放的计算：比如我们算出1.5吨燃油车100公里的油耗，以及1.5吨电动汽车100公里下面所消耗电量，这样我们可以进行对比两者的排出二氧化碳数量，节能效果有多少。

1.1.1 燃油汽车的1L汽油的碳排放量

汽油分子含有C量5-8类烷烃的通称以92#汽油，根据方程式

2C8H18+25O2=16CO2+18H2O

汽油的密度730g/L，730g汽油完全燃烧的排放CO2质量为：

730×（44×16）÷（114×2）=2.254kg

1L汽油排放的CO2量为2.254kg。

1.1.2 电动汽车1度电电能需要排放的气体

我国现阶段电厂发电每度电碳排放计算，从国家能源局最新供电煤消耗293.4克/千瓦时，我们以此来计算：

①反应式：C+O2=CO2

②条件：标准碳元素含量68%;C分子量12;CO2分子量44;电厂每发出一度电就会产生二氧化碳：

293.4×0.68÷12×44=731.5克

当然我们知道电量在生产过程的碳排放是占有主要部分，但是在它的传输与转移过程中也会产生一系列的损耗例如：电网损耗、电厂自身损耗、充电损耗。电网损耗8%，300MW机组电厂自身用电约为5%，本文按照5%计算，充电损耗4%。这样我们在计算一下：火电厂排放二氧化碳（应用到电动汽车）全国有70%电为火电厂发出。

1×70%÷92%÷95%÷96%×731.5=697.5克

汽油车与不同型号的汽油车哪个更节油呢？下面我们需要详细对比。

1.2 电动汽车碳能耗对比

不同类型的电动汽车与燃油车之间100公里的二氧化碳排放量对比。（表1、图1）

PHEV“*”指该种车型各行驶五十公里所消耗能量.

从表1看出电动汽车的碳排放量优于传统汽车、MHEV、PHEV，但是相比HEV汽车还缺少优势。

2  电动汽车碳追踪评估

生命周期清单分析对整个生命周期废物排放和资源消耗等进行量化的过程，这是生命周期评价分析重要环节，产品生命周期影响评价（Life Cycle Impact Assessment，LCIA）是对清单分析中的环境影响类型进行定量或定性的综合评价与描述。SETAC、ISO 和英国环保局都倾向于把影响评价定为一个三步走模型，分别是：分类与特征化、归一化、量化。我们借用废物排放中关于温室效应碳排放追踪计算，可得到公式：

PCDS =PCM+PCP+PCU+PCR

PCDS 整车系统生命周期内环境碳排放，PCM 为原材料开采阶段环境碳排放，PCP为生产阶段环境碳排放，PCU为行驶阶段环境碳排放;PCR为报废回收阶段环境碳排放。

2.1 全生命周期流程追踪体系（表2）

这样推理可以得到每种车型碳排放的表达式Y=PCM +PCP+PCU+PCR

这样我们按照不同节能类型的车计算出初始碳排放量以及实际使用产生的二氧化碳排放量，最后加上报废需要二氧化碳排放量，其中PCM+PCP与PCR是常量，原材料开采、制造与报废工艺决定两者大小。中国最新碳排放交易权网站显示汽车制造环节的碳排量占汽车整个生命周期比例大概7%，而报废过程由于废物利用出现碳排放负值。所以基于以上评估的复杂与繁琐的情况，可否采用一种简化的碳排放追踪评估方法。

我们引入一种较为简化的电动汽车碳排放的计算与追踪方法，能够较为快速的估算电动汽车碳排放的总量。这里给出了计算公式同时引入可再生能源用电系数，在不同可再生能源用电系数纯电动汽车的总里程碳排放有着很大的差异，这也触发我们引起思考要加大可再生电能在純电动汽车中的应用。

2.2 实际里程数的碳排放追踪体系（表3）

不同型号汽车的初始碳排放的数据基于行业评估的已知数据，上面提到汽车制造占汽车全生命周期的7%左右碳排放量。结束里程是表示汽车生命周期结束时的总里程，所以我们可以推导出汽车二氧化碳总排放表达式：

M=α+kx×β/100

注：M是指汽车总的碳排放量，α是指汽车制造过程的碳排放量，β是指汽车生命周期总的行驶里程，kx是指汽车100公里的碳排放系数，因报废过程产生二氧化碳是负值暂不计入考虑。

EV以特斯拉model3为例100公里综合电耗16.2kWH，假设：全生命周期行驶150000km，β=150000km，kx=11299.5，所以M= （kx×）/0.93得M=1.8225×104kg（汽车制造占汽车全生命周期碳排放的7%）

如果对纯电动汽车加入一项补偿系数即可再生能源用电系数：

km=0.7为中国现有火电发电的占比系数，这样修正公式即为：M=α+kx×β/100在极端的情况来计算纯电动汽车的最优碳排放，假设：总用电量≈可再生能源电量，所以m=0 最后公式变成：M=a这样纯电动汽车碳排放将大大减少。然而，当m=1时纯电动汽车对比HEV在碳排放上面又不具有优势，但纯电动汽车选择可再生能源作为电能达到一定比例使用，它的优势就会大大提高。

那我们将纯电动汽车在不同的m值情况下全生命总里程的二氧化碳的排放量比较参考图2，以及图3为HEV与纯电动汽车在不同m值下面的总行驶里程碳排放对比（单位g）。

3  结论与展望

我国大城市的大气污染已不能忽视，2019年全球的十大污染城市中中国有七个被列入全球大气污染最严重之中， 汽车排放是主要污染源之一。现今我国人均汽车是每1000人平均180辆汽车， 但石油资源不足， 每年需进口5-6吨石油， 随着经济的发展， 假如中国人均汽车持有量达到现在发达国家水平每1000人有600-800辆汽车，我国汽车持有量将成3-4倍地增加，石油进口就成为大问题。目前我国一次能源消费以煤为主，2020已经达到40亿吨左右，必然带来发电能源以煤为主。但当一次能源消费中煤炭逐渐降低可再生能源电能逐渐增加之后，用纯电动汽车替代燃油汽车，减排效果将十分明显。所以纯电动汽车是未来的低碳汽车。因此在我国研究发展电动汽车不是一个临时的短期措施，而是意义重大的、长远的战略考虑。

本文通过计算与比较我们知道电动汽车相比传统燃油车来说是节能的，但相比HEV车型纯电动汽车就会显得没有优势。那纯电动汽车碳减排从哪些方面提升改进呢？

①电动汽车系统效率优化及最优驾驶将会是一个方向，电动汽车自身需要提高能效，提高系统的转化效率如：电池SOC的精度优化、电控与电机的效率提高、传动结构能量损耗的降低，还有重要的一方面是降低电动汽车自身重量，如引进一些更轻的材料降低整车重量。

②我们可通过出台政策法规有效追踪可再生能源电能用于电动汽车比如：降低可再生电能售价，鼓励可再生电能电动汽车充电从根本降低纯电动汽车碳排量。未来可再生能源产生电能在电动汽车上面使用会越来越普及，同时推动相应的新型储能电站的建设，并改善我国电网结构，尽量降低煤炭发电比例的同时提高我国煤炭发电的效率，以降低化石燃料的消耗，并加快其他清洁能源发电技术的研究，提高风能、水能、太阳能等清洁能源发电占比和效率。

③电动汽车每年销售量在100万以上，现还不断增加，加大汽车产业的原材料工艺能耗降低力度及汽车制造工艺提高以降低电动汽车的初始碳排放。

④最后建立电动汽车碳排放追踪及可再生电能在纯电动汽车的综合应用与评估，电动汽车自身技术革新对整个电动汽车产业发展具有良好意义。

参考文献：

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