电动汽车的环境效益评估

魏哲林

（上海市电力公司 嘉定供电公司，上海 201800）

由于能源危机和环境污染的加剧，节能减排成了全球的共同课题，低碳经济、低碳生活和低碳电力等概念被相继提出。其中，电力低碳化发展的本意是减少化石能源的消耗，促进可再生能源的开发与使用，进一步改善能源供应结构，形成可持续的能源供应机制。这不但表现在用电方式的转变上，而且也是减少化石能源的重要途径，最典型的应用案例就是电动汽车［1］，电动汽车的推广应用，同样关系到减少温室气体的排放量［2］。

近期的雾霾天气，严重地影响了人们的日常生活，这也使得推广电动汽车的应用迫在眉睫。低碳发展，绿色城市，应用电动汽车代替燃油汽车，一方面可以缓解能源危机，另一方面也可以从源头上控制对环境的污染，缓解日益严重的雾霾天气。本文通过改变机动车中电动汽车的比例，并在电动汽车充电所需的电能来自火力发电的比例不断变化的情况下，应用电动汽车环境效益评估模型来评估电动汽车的环境效益，并估算电动汽车的增长对PM2.5排放量的影响。

1 电动汽车环境效益评估模型

假设本文研究的电动汽车为纯电动汽车，不产生任何排放物，也不会对环境造成影响。但是，其补偿的电能来源可能会对环境污染产生一定的影响。假设电动汽车充电所耗电能，分别来自火力发电、水力发电以及风力、光伏等新能源发电，并假设只有火力发电会排放污染性气体，而其他发电形式的排放均为零。假设其余机动车都为燃油汽车。

假设某地区所耗电能中火力发电的比例为β，其表达式为：

式中：S火力为区域中所用的来自火力发电的电能；S总为区域中所用电能的总和。

假设区域内电动汽车数量占区域内机动车数量的比例为α，其表达式为：

式中：N电力为区域内电动汽车的数量；N机动为区域内机动车总数。

假设电动汽车的比例为α，充电所耗的电能为S充电，来自火力发电的电能为S，其表达式为：

则电动汽车充电所产生的各类等效污染物排放量Qi，可以通过计算式（4）得到：

式中：Qi为第i种污染物的排放总量；Pi为火力发电的第i种污染物的单位排放量；S为来自火力发电的电能。

则区域内电动汽车和燃油汽车的第i污染物排放总量Wi，可以用式（5）来表示：

式中：Ri为区域内燃油汽车的第i种污染物的排放量。

假如区域内的电动汽车完全由燃油汽车替代，那么产生的污染物排放总量Yi，可以通过式（6）计算得到：

式中：Yi为燃油汽车第i中污染物的排放总量；yi为燃油汽车单位行驶里程的排放量；L为燃油汽车的行驶里程。

则电动汽车产生的环境价值A，通过式（7）计算得到：

式中：A为电动汽车的环境价值；Bi为污染物的环境价值；Ci为污染物的等效减排量，Ci＝Yi－Qi。

2 电动汽车的类型

研究电动汽车的环境效益，先要确定电动汽车的类型，由此确定不同类型电动汽车的行驶距离，以便计算产生的等效污染物。通过分析我国电动汽车的发展现状、国家和地方发展电动汽车的规划，得出我国未来的电动汽车发展方向［3］：2010年至2015年，电动车辆主要集中在出租车、公交车和公务车中进行示范运营；2016年至2020年，电动公交车、电动出租车和公务车运营模式已趋成熟，基本实现了规模化运营，但此时电动私家车的比例依然较低；2021年至2030年，将大力发展电动私家车，其数量将快速增加。

由此可以看出，我国现在的电动汽车的发展方向是先在公共服务交通领域进行示范发展，待技术及运行模式成熟以后再转向私家车方向发展。因此，本文所研究的纯电动汽车，主要是指纯电动出租车、公交车、公务车和私家车。

1）电动出租车 根据北京地区出租车运营情况的调研报告，出租车的1天平均行驶里程为350～500km。每辆出租车由2名司机轮流驾驶，分小班和大班2种模式。小班模式的司机每12h换1次班；大班模式的司机每24h换1次班。由于日行驶里程较长，1次充电不能满足运营要求，而且出租车的停运时间较短，一般选择快速充电。假设出租车的日行驶里程为400km，设其百公里消耗电能为10kWh。

2）电动公交车 根据北京地区公交车运营情况的调研报告，公交车1天的行驶里程为150～200km。公交车的首班发车时间为6：00左右，末班时间为22：30左右。电动公交车的额定行驶里程约为200km，考虑到安全等因素，1次充电不能满足全天的运营要求，因此白天运营时可以选择快速充电，夜间停运时可以选择常规慢速充电。假设公交车的日行驶里程为180km，设其百公里消耗电能为50kWh。

3）电动公务车 公务车作为政府、机关等部门用车，1天的行驶里程较短，平均为80km左右。在未执行公务时即可进行充电。由于停运的时间较长，可以在停运时或用电低谷时选择常规慢速充电。假设公务车的日行驶里程为80km，设其百公里消耗电能为10kWh。

4）电动私家车 私家车主要用于上下班以及休闲娱乐等，1天的行驶里程约为65km。私家车的用车时间较为集中，停车时间相对较长，可在居民停车场、商场超市停车场和单位停车场进行常规慢速充电。私家车1年的平均行驶里程约为2.5万km［4］，由此可以得到其日均行驶里程约为68.5km。因此，假设电动私家车的日均行驶里程近似为68km，设其百公里消耗电能为10kWh。

3 电动汽车的环境效益评估

通过不断改变电动汽车和火力发电的比例来分析电动汽车的环境效益情况。假设某地的机动车数量为500万辆，电动汽车所占的比例α在0.1～1之间变化，每次增加0.1；而火力发电所占的比例β从1～0.1变化，每次减小0.1。假设我国生产1kWh的电能需要耗费标煤335g，其产生的污染物排放量与国际上其他一些国家的火电污染物单位排放量对比，如表1［5］所示。

表1 各国煤电污染物的排放对比 g／kWh

从表1的对比结果可以看出，按照我国的排放标准，我国煤电的污染物排放与其他国家相比，还存在一定差距，有待进一步提高。

根据文献［6］和《国家重大科技产业工程项目电动汽车实施方案》，可以得到每百公里耗油10L的燃油汽车污染物排放成分以及每公里的排放量为：CO为17g／km，碳氢化合物 HC为2.70g／km，NOx为0.74g／km，CO2为320g／km，SO2为0.03g／km。对于温室气体折合系数，按照《京都议定书》所采纳标准进行计算，每克HC相当于23g CO2，则归算后的单位排放量为：CO为17g／km，NOx为0.74g／km，CO2为382.10g／km，SO2为0.029 5g／km。

根据电动汽车环境效益的评估模型，可以得到区域内的电动汽车和火力发电的比例变化所产生的污染物的排放总量，如图1至图4所示。

图1 机动车CO总排放量变化图

图2 机动车NOx总排放量变化图

图3 机动车CO2总排放量变化图

图4 机动车SO2总排放量变化图

从图1至图4对机动车总的排放量的仿真结果可以看出：当电动汽车比例为0.1、火力发电比例为1时，污染物的排放量达到最大值：CO为16 740t，CO2为385 220t，NOx为770.2t。当电动汽车比例为1，火力发电比例为0.1时污染物的排放量达到最小值：CO为1.35t，CO2为9 000t，NOx为41.6t。由此可以看出，污染物排放量随着火力发电比例的下降和电动汽车比例的增加而减小，而且在电动汽车比例最大、火力发电的比例最小时，三种污染物的排放量达到最小。

从图4可以看出，当电动汽车比例为0.1、火力发电比例为1时，SO2的排放量为112.6t，而当电动汽车比例为1，火力发电比例为0.1时，SO2的排放量为93.5t，排放量没有减少很多。这是由于我国火力发电的SO2排放量较大，当电动汽车的比例增加时，其排放量反而增加，但是随着火力发电的比例减少，SO2的排放量也应相应减少。也就是说，减小环境污染，一方面要增加电动汽车的数量和新能源的发电量，另一方面也要降低煤电的污染物排放量。

参考中国排污总量收费标准与中国电力行业各种污染物减排量的环境价值标准，各种污染物减排的环境价值标准：CO为1元／kg，CO2为0.023元／kg，SO2为6元／kg，NOx为8元／kg。根据电动汽车的环境效益评估模型，可以得到电动汽车产生的环境效益，如图5所示。

图5 电动汽车的日环境效益

由图5得知，随着电动汽车比例的增加，环境效益也在增加。当比例从0.1增加到1时，电动汽车的数量增加到10倍，相应产生的环境效益也增加到10倍。而随着火力发电比例的减小，电动汽车产生的环境效益则不断增大。当α＝1，β＝1时，产生的环境效益为2 386.1万元，而当α＝1，β＝0.1时，产生的环境效益最大，为3 378.0万元。由此可见，随着电动汽车数量的增加，电网中火力发电的比例减小，清洁能源发电的比例增加时，电动汽车的环境价值将更加突出。

4 对PM2.5的影响

由于电厂燃煤和汽车尾气排放等因素造成的PM2.5严重超标，使得我国近期频频遭受大范围、长时间的严重雾霾天气。虽然其单个颗粒极其细微（小于2μm），但是它来势汹汹，遮天蔽日，危害人体健康，还严重影响交通出行及人们的社会经济活动。为此，加强环境保护和减少排放已经成为全社会关注的焦点。

机动车尾气是PM2.5的主要来源之一，在京Ⅴ标准中，单独规定了汽车尾气中PM2.5的限值为0.004 5g／km，达到了国际的排放标准。假设电动汽车的增长情况如上所述，而且发电地距离城市较远，因此不考虑因发电产生的PM2.5的影响，可以估算出PM2.5的变化情况，如图6所示。

图6 PM2.5减排量

由图6可以看出，随着电动汽车比例的增加，PM2.5的减排量也相应增加，而且在电动汽车达到500万辆时，每天可以减少3.303t的PM2.5排入大气。因此，电动汽车的推广使用将大大地改善环境质量。

随着汽车保有量的不断加大，未来若要真正改善机动车尾气排放，解决雾霾污染问题，还得依靠发展零排放电动汽车。近年来，国家大力扶持新能源汽车的发展，各地政府也出台了很多优惠政策。上海市政府对部分电动汽车补贴近10万元，而且可以免费拥有上海牌照。上海嘉定区作为电动汽车国际示范区，充电基础设施发展迅速。目前，嘉定区已经建成3座充／换电站，并在全区各处总共拥有800个快速充电桩，这为电动汽车备足了“粮食”，将大大促进电动汽车产业的发展，更好地改善环境质量。截至2012年底，上海新能源汽车运行总数达2 431辆，其中公共服务用车实现千辆级目标，达2 131辆，私人用车300辆。曾经用于世博会的120辆纯电动车，从2013年4月起正式服役上海公交，而23路、939路将成为上海纯电动车营运线路。

5 结论

电动汽车行驶为“零排放”，其消耗电量换算成燃煤发电厂污染排放，明显少于化石能源汽车尾气的污染排放。世界气候组织对传统燃油车和电动汽车“油井到车轮”能源效率分析表明，电动汽车能源利用效率比传统燃油车高出46%以上。同时，电动汽车普遍采用夜间充电，规模化应用后，能有效缓解城市电网日益严重的峰谷差问题，提高发电机组效率。也就是说，使用电动汽车后不但缓解了能源危机，还降低了对环境的污染。

随着电动汽车“零排放”行驶比例的增加，发电比例中火力发电比例的减小，电动汽车的环境效益是十分显著的。此外，大力推广电动汽车的应用，也可以降低PM2.5的排放量，少一点雾霾危害。

［1］谭伟，何光宇，刘锋，等.智能电网低碳指标体系初探［J］.电力系统自动化，2010，34（17）：1－5.

［2］Harris.A.Charge of Electric Car：Power Electric Vehicles［J］.Engineering ＆ Technology，2009，10（4）：52－53.

［3］罗卓伟，胡泽春，宋永华，等.电动汽车充电负荷计算方法［J］.电力系统自动化，2011，35（14）：36－42.

［4］张德欣，陈金川，刘莹.北京市私人交通出行特征及发展对策［C］.第六届交通运输领域国际学术会议论文集.大连：大连理工大学出版社，2006.

［5］陈雷，刑作霞，李楠.风力发电的环境价值［J］.可再生能源，2005，5（123）：47－49.

［6］郭文双，申金升，徐一飞.电动汽车和燃油汽车的环境指标比较［J］.交通环保，2002，23（2）：21－24.