贝尔弗尔中心丨使用电动汽车可否帮助中国减少二氧化碳排放

【编者按】
本文评估电动汽车在中国减少乘用车温室气体排放工作中发挥的作用。核心结论是：从全国平均影响看，使用电动汽车将略微降低温室气体排放量；如果能在制造电池环节采用更清洁的技术和先进工艺，提高车辆回收率，将可以更好地促进减少温室气体的排放。
本文第一作者乔钦彧，是清华大学汽车产业与技术战略研究院博士生，主要从事与新能源汽车相关的能源和环境议题研究，曾于美国哈佛大学肯尼迪政府学院贝尔弗尔科学和国际事务中心环境与资源项目组进行学术交流活动。第二作者是该中心环境与资源项目主管。
本文原题“The Role of Electric Vehicles in Decarbonizing China’s Transportation Sector”，是贝尔弗尔科学和国际事务中心于2019年3月发布的一份研究报告，包括执行摘要及参考文献在内，总计32页。
贝尔弗尔科学和国际事务中心（Belfer Center for Science and International Affairs），1973年作为“科学与国际事务项目”（PSIA）初设于哈佛大学文理学院，至1997年改用目前的名称，致力于国际安全与外交、环境与资源以及科技政策方面的研究和教学。至2019年，该中心连续第六年在美国宾夕法尼亚大学“智库与公民社会项目”（TTCSP）发布的《全球智库报告》（Global Go To Think Tank Index Report）“最佳大学智库”分类排名中位列第1。
以下是对该报告要点的摘译。小标题有调整，略去全部注释和表格，具体技术细节请参考原文。发布该译文不代表我们认可其中观点，请读者明察。
从全国平均影响看，使用电动汽车将略微降低温室气体排放量。图为2018年12月13日，山东青岛，北京新能源汽车股份有限公司青岛基地，等待安装“心脏”的电动汽车。财新记者陈亮/视觉中国 资料图
一、引言
全球交通业中的碳排放呈上升态势。根据国际能源组织（IEA）的统计，交通业的二氧化碳排放量约为7.8Gt，占2017年燃料燃烧产生的二氧化碳总排放量的24%，并且这一比例还在上升。目前，公路交通占交通业二氧化碳排放量的70%，公路、航空、航运累计占30%。为减少这些碳排放，很多国家积极推广电动交通工具、电动卡车和电动火车。（Gt，即10亿吨。——编注）
根据中国的国家减排计划，中国的二氧化碳排放量将在2030年达到峰值，二氧化碳强度（单位GDP的二氧化碳排放量）相较于2005年水平下降60%-65%。为达到这一目标，中国计划减少固定和移动源的温室气体排放。在能源领域温室气体排放增长率显著下降的同时，交通业碳排放的增长越来越吸引注意。本文分析中国减少乘用车温室气体排放的努力，并评估电动汽车在这项工作中发挥的重要作用。
2017年，中国机动车保有量超过2.17亿，其中78%是私人车辆。中国机动车产销量由2000年的210万辆激增至2017年的2900万辆。目前，中国机动车产量占全球的25%。
随着全球新能源技术的发展，中国正努力发展更为先进的新能源汽车以取代内燃机车。这其中最有前途的选项是电池动力汽车。一系列研究显示，传统汽油和电动汽车间的能源效率和排放存在明显差异，内燃机每公里的温室气体排放量是电动发动机的1.5倍。
在中国，这些研究会引发其他问题。电动汽车渗透至比如乘用车市场的速度有多快？存在的障碍是什么？中国生产厂商将采用何种技术途径？电池会变得更便宜吗？它们会使用不同的原材料吗？电动汽车支持设施和充电站建设将如何发展？
二、趋势和技术分析
1.中国电动汽车政策发展
电动汽车发明要追溯到一百多年前。然而，由于成本太高、续航能力有限，消费者更加偏爱汽油汽车。20世纪初，电动汽车价格是同级别内燃汽车价格的三倍，但续航里程却只有一半。1916年，汽车制造商停止制造电动汽车，转向聚焦生产内燃机汽车。在之后的二十多年里，福特、通用、丰田和本田都不断提高电动汽车技术，但由于政治、经济和安全方面因素的限制，很多电动汽车研发成果都没有转化成商业产品。
在中国，第一辆现代的乘用电动汽车由比亚迪公司于2006年研发，这辆车使用磷酸铁锂作为电池的正极材料。同一年，中国中央政府开始支持电动汽车发展。中国的长期科技促进计划“863工程”选择了几个新能源研究项目加以扶持。2008年，北京市政府在奥运会期间选用50辆电力公交车，以促进产业发展。在接下来的几年里，中国政府又出台一系列支持政策，包括《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020）》、对消费者的补贴（最高到车辆价格的一半）以及更为严格的燃油经济性和排放标准。
最初一些努力意在使中国企业在国际上获得竞争优势。气候、能源和环境政策考虑是相对次要的推动因素。受益于政府的支持特别是大量补贴，电动汽车的产销量均迅速增长。根据发展规划，电动汽车年产量到2020年预计达到200万辆。近年来的中国电动汽车产销量，2015年是25万辆，2016年41万辆，2017年66万辆，年平均增长率约为60%。如果中国能实现在2015-2020年制造共计500万辆电动汽车的目标，电动汽车渗透率将达到车辆总数的2%-3%。
其他刺激电动汽车消费的措施还包括：
1）减税。至2020年12月，消费者购买电动汽车不需要交付消费税。
2）增加充电基础设施建设投资。政府已经制定到2020年建设12000个充电站、480万个充电设施的目标。
3）加大投资开发更先进的电池。开发能源密度更大、能耗更低并更能适应各种气候条件的电池。未来中国所有的充电设施要达到3C（中国强制产品认证）标准，确保耐用、安全和稳定。
这些政策旨在使电动汽车对消费者更具有吸引力，并可以作为上述监管政策的补充。
简言之，在政府的大力支持下，中国的电动汽车产业将保持高速发展。
2.中国电动汽车生产商和产品
所有符合资质的电动车都列在工业和信息化部（工信部）的网站上，但是并不是所有列在网站上的车辆都实际销售。据一位工信部官员称，中国一些汽车生产商申请新汽车资格是为确保在未来销售新能源汽车，而非现在就真正销售。
大多数在中国销售的电动汽车是便宜的A0级（微型）和A级（紧凑型），其性能勉强能达到政府标准。这些电动车辆的价格，由于政府有对低端电动车的补贴，只有生产厂商出厂售价的大约30%，这也意味着电动汽车利润很低，甚至没有利润。大多数中国汽车制造商倾向于制造小型电动车，因为这些车辆从历史上看相对更受市场欢迎。面对正在快速发展的市场，大多数中国汽车制造商选择生产小型电动汽车，但也有几家公司继续制造较大的电动车。
尽管中国的电动汽车生产商采取不同的策略，但是看起来，如果没有补贴，中国领先的电动汽车厂商将更多制造低端电动车，而非高端电动车，以在小城市满足中等收入家庭需求。
3.未来的充电设施
充电问题是中国电动汽车发展面临的主要挑战之一。与加油不一样，充电需要很长时间，而且投资不足会导致效率低下。本小节主要涉及四个问题：1）未来充电设施普及率有多高？2）谁负责建造、拥有和运营这些充电设施？3）充电如何定价？4）电力行业能否满足电动汽车带来的新能源需求？
充电基础设施的建设引起政府和汽车制造商的高度关注。中国国务院制定了投资计划，以建立国家级的充电基础设施。这一计划将全国分为三个地区。第一类地区包括那些电动汽车销量最多的地区，包括北京、天津、河北、上海和广东。在2020年前，这些地区大约要建造7400座充电站（快速充电）和250万个充电设施（慢速充电），以满足266万辆电动汽车需求。第二类地区包括吉林、河南、湖南、重庆和四川等省份，将建造4300个充电站和220万个充电设施，以满足233万辆电动汽车需求。其他省份属于三类地区，包括西藏、青海、新疆等没有被纳入国家电动车发展计划的省份。在这些地区将建造400座充电站和10万个充电设施，以满足11万辆电动汽车需求。
到2020年，在北京的所有住宅区附属的停车场都要安装充电设施，办公楼、学校和医院的充电设施覆盖率将分别达到25%、20%、15%。电动车主应该能在北京市人口聚集区的900米内、其他地区的5公里内找到充电设施。
政府宣布的计划相当广泛，电动汽车制造商和第三方公司将负责推进实施，并拥有大多数充电设施。一些电动汽车公司选择自己运营充电设施，而政府则通过补贴方式给予这些公司支持。
到2017年底，大约有90%的充电设施由四家公司建造、运营、所有。这四家公司在不同城市提供充电服务，并得到省级政府部分补贴。比如在上海，政府承担30%的充电设施建造费用。然而，由不同机构提供的充电技术不是标准化的，因此彼此不兼容。中央政府努力推进技术标准化，这样电动汽车车主可以使用任一公司的充电设施。
充电收费价格反映了固定投资（包括建造充电设施的费用）和可变成本（即电价）。这些价格目前由省级政府规定。上海充电费用必须低于每千瓦时1.3元，充电费用还必须加上每日居民平均电价，大概0.5元每千瓦时。换言之，上海电动汽车用户在利用共同设施充电的成本是1.8元每千瓦时（1.3元的充电费用加上0.5元的电费）。上海市政府在2020年前还另外为公共充电设施提供0.2元每千瓦时的补贴（每座充电站每年最多1000千瓦时）。
政府通过行政管制使电价保持低位，但是自2020年起，这些价格限制将会解除，充电价格可能会上涨。
根据最近的研究，美国类似设施的成本很高。美国类似居民区的二级充电站（大约6.6千瓦时），成本约为2354美元，而商业充电站（包括快速充电站）更为昂贵，成本在19648美元到192626美元之间。尽管我们无法得到中国的成本数据，但是更为昂贵的设施和安全费用未来将影响充电服务价格。
随着越来越多的内燃机汽车被电动汽车取代，能源负担会由石油转向电力。根据中国国家电网公司的预测，到2020年，发电站的负载会提高12%。居民和商业建筑将需要最大负载增幅，因为这些地方需要修建电动汽车充电装置。但是，如果充电行为可以被引导到非高峰时段并得到平均分布，因为使用电动汽车而带来的每日电力负载的增幅将会降低。因为人们的充电行为是随机的，我们利用统计学方法来预测电力需求。这些预测并不准确，因为随着人们适应新产品，消费者行为也在不断变化。政府必须对充电设施的位置越来越敏感。
三、温室气体排放影响
1．车辆类型和技术分析
中国大多数电动汽车都是紧凑型和微型车，我们选择一辆平均水平的紧凑-微型电动汽车作为我们分析的依据。整车重量约为1464千克，包含一块重量为164千克的电池。根据统计，2016-2017年间销售最好的电动汽车整车重量在1300千克至1600千克之间，所以我们假设整车和电池的重量有10%左右的浮动，电池容量受重量影响，因为我们假定能量密度是固定的。
由于这些车辆的重量分布在全球范围内相似，我们可以使用橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）建立的“汽车系统成本模型”（ASCM）作为一般参数。一些其他的参数，例如汽车组成部分和流体的重量分布，是由阿戈内国家实验室（Argonne National Laboratory）所开发的“交通运输中的温室气体、排放控制和能量使用模型”（GREET）引申出来的。并根据工程师调查估算不同组成部分中的各类材料成分，从已有的报告和文献综述中推断。
一些研究提供了电动汽车不同的材料组成，反映了在其他国家销售的电动汽车型号。我们对于电池规格的假设是基于中国发展自己的电池行业，而非从日本、韩国或美国进口电池。
2.研究范围和假设
接下来我们通过全生命周期框架来分析中国的电动汽车。在本文中，制造前、制造中、运行和回收处理环境全部被考虑进来。车辆使用期间消耗的能量和材料是输入，排放则是输出。本文首先将电动汽车与汽油汽车在运行时的排放做一比较，在接下来的部分，我们加入生产和回收处理环节——即全生命周期分析。
为研究电动汽车温室气体排放的总量，我们基于第二部分的分析，假定了从2020-2030年间的三个电动汽车渗透率。我们通过线性增长值估算出2025年的渗透率，2030年电动汽车的生产率和渗透率则基于相关专家的研究。
测算电动汽车温室气体排放的方式是，每辆电动汽车的平均温室气体排放乘以道路上的电动汽车数量。此外，由于温室气体排放包括二氧化碳、甲烷、一氧化二氮等，本研究利用二氧化碳等价物作为测量标准。根据2006年的研究结果，二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的转化比例大约是1：25：298。
3.每辆电动汽车的温室气体排放估算
我们根据每100公里的电力消耗和中国电网的碳排放强度计算整个燃料生命周期的温室气体排放量。电动汽车的电力消耗和电动汽车的效率是根据“新欧洲驾驶循环”（NEDC）估算的，这是由欧盟开发，并由中国采用的驾驶条件通用模拟程序。但也有一些学者提出了在类似北京这样城市的真实驾驶条件下，电力消耗要高于NEDC的估算。因此，为测算能源消耗，我们采用“真实”的驾驶数据。测算结果显示，相关电动汽车每百公里能耗为15.07-17.71千瓦时，续航里程为141.7-147.4千米。
每个地区发电站的温室气体排放量各不相同，我们估算了北京（每千瓦时983克二氧化碳等价物）、上海（每千瓦时809克二氧化碳等价物）和广东（每千瓦时687克二氧化碳等价物）三个因水力发电价格便宜而电动汽车相对普及率更高的省级行政区的平均排放率。根据这些地方的人口多少，通过加权平均测算出发电产生的二氧化碳等价物为每千瓦时729.6克。这一数字在2013-2015年间总体稳定，但是随着可再生能源和核能的更多使用，这一数字可能在未来有所下降。经测算得知，平均每辆电动汽车行驶100公里，其产生的二氧化碳等价物在10.44-17.94千克间。
同时，中国紧凑-微型电动汽车平均每年行驶1.5万公里，并可使用十年或以上。在十年使用时间里，我们选择的电动汽车大约可以排放15.66-26.92吨二氧化碳等价物。作为比较，类似内燃机汽车能耗大约是每百公里6.5升汽油（92号，32MJ/L）。为保证有可比较性，我们同样通过全生命周期视角分析汽油排放。这是根据中国的汽油转化过程（包括石油钻井和催化精炼）估算，汽油的生命周期排放量约为每87.7克二氧化碳等价物/MJ。内燃机汽车每行驶100公里的温室气体排放为18.24千克二氧化碳等价物，在全生命周期内，内燃机汽车释放的二氧化碳等价物为27.36吨。这些数字并不包括生产阶段释放的温室气体。（MJ/L,即兆焦耳每升，兆焦耳是热值单位。——编注）
因此，在使用小型电动汽车完全取代内燃机汽车，并使用清洁电站的理想情况下，三个地区的温室气体排放量减少从43%到2%不等。
4.全生命周期
当我们分析电动汽车整个生命周期的影响因素时，必须要考虑电动汽车的生产和回收阶段。一些中国研究者已经分析了电动汽车生产阶段和回收阶段所产生的温室气体排放。
简言之，配备有锂镍锰钴电池的紧凑-微型电动车在生产阶段产生的二氧化碳等价物大约是11.4-13.94吨，类似内燃机汽车产生的二氧化碳等价物大约是10.47吨。如果电动汽车材料在报废时能被妥善回收并用于再生产，温室气体排放量大约可减少34%。内燃机车回收减少的温室气体排放量大约是30%。
由于电动汽车在生产阶段释放出更多的温室气体，电动汽车在生产和使用阶段释放出的二氧化碳等价物大约是28.43-39.49吨，仅比内燃机汽车的37.83吨略低。如果我们考虑回收阶段，电动汽车全生命周期的温室气体排放量大约为24.96-33.48吨二氧化碳等价物，内燃机汽车温室气体排放量为34.69吨二氧化碳等价物。换言之，在交通行业利用电动汽车取代内燃机汽车会减少温室气体排放，但如果电动汽车没有被回收，在生产阶段产生的增加温室气体排放会填补这些减少的温室气体排放。
5.对乘用车领域总温室气体排放量的影响
根据在第二部分中对电动汽车销售、拥有和渗透率的预测，即2025年超过8%、2030年达到20%，2020年可能实现3.04亿吨的二氧化碳等价物减排。这一计算结果是基于北京、上海和广州的电站。由于这三个城市都在努力减少发电站的常规和温室气体排放，因此其他地区的发电站排放量将增加，快速推广大量电动汽车带来的温室气体减排效果也将减弱。
如果考虑中国电力推广使用清洁能源，电动汽车将会更为环保。随着技术改进和可再生能源的使用，未来发电站的温室气体排放效应将进一步降低。因此，电动车在使用阶段产生的温室气体也会降低，电动车和内燃机汽车之间的温室气体排放差异将扩大。最乐观的估计事故，从长期看，电动汽车的使用将进一步减少乘用车领域的温室气体排放，但是这一效应在短期内可能不会那么明显。
换言之，如果能够控制好充电汽车充电的时间、地点和电动汽车重量，中国到2030年能实现交通领域6.2%的减排目标。如果想进一步减排，中国要重点减少电池生产领域的温室气体排放，而这个排放目前还相当高。
四、结论
中国政府将致力于支持和推进电动汽车产业发展。对于充电设施的补贴将刺激第三方投资。购车补贴、减税和控制充电费用将使电动汽车对消费者更具有吸引力。这些政策的目标是建立一个更为综合性的电动车市场体系。
充电服务价格受到中央政府和省级政府的补贴。这些政策将在短期内提升电动汽车销售，但是在长期内可能会减缓对充电站的投资，因为补贴导致的财政负担增加最终将导致政府部门减少补贴。
根据本研究的计算，北京、上海、广州三个地区的电动汽车温室气体排放量在每百公里10.44-17.94千克二氧化碳等价物之间。考虑到总里程数，每辆电动汽车在其寿命周期内的温室气体排放量在15.66-26.92吨二氧化碳等价物之间，比内燃机汽车要低43%。
但是，电动汽车生产制造阶段的温室气体排放量约为11.40-13.94吨二氧化碳等价物，比制造内燃机汽车排放的温室气体要高0.93-3.47吨二氧化碳等价物。因此，当电动汽车取代内燃机汽车时，由于生产过程中的温室气体排放，特别是电池生产制造过程中的温室气体排放，全生命周期的温室气体排放减少约36%。相反，如果电动车都能被回收，那这种减少量可能削减一半。
尽管在制造阶段的温室气体排放量较高，但是使用电动汽车还是可以减少运输部门的温室气体排放。如果考虑区域差异，中国南方由于可以通过水力发电，实际减排量将更高，利用燃煤发电的中国北方减排量相对较低。
总结起来，我们的两个主要结论是：
1）推广电动汽车可能会增加某些地区的温室气体排放，但增加的排放量会因其他地区排放量下降而被抵消，因此从全国平均影响看，使用电动汽车将略微降低温室气体排放量。
2）从全生命周期分析看，电动汽车相对于内燃机汽车将减少温室气体排放量。如果能在制造电池环节采用更为清洁的技术和先进工艺，提高车辆回收率，将可以更好地促进减少温室气体排放。
（本文由鲁力摘译。）

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