基于GSA算法的新能源汽车碳排放效应研究<br/>——以广东公共交通领域为例

基于GSA算法的新能源汽车碳排放效应研究
——以广东公共交通领域为例

2023-01-09张仁寿

岭南学刊 2022年6期

陈青，张仁寿

(1. 广东轻工职业技术学院汽车技术学院，广东广州 510030；2. 广州大学管理学院，广东广州 510006)

一、引言

公共交通领域的碳排放对能源消耗、大气污染物排放以及温室气体排放有重大影响，是生态文明建设和绿色发展的重点领域。在能源和环保的双重压力下，作为“低碳经济”重要载体的新能源汽车在公共交通领域的推广与应用，将成为绿色交通的首要发展方向。新能源汽车主要包括燃料电池电动汽车(FCEV)、混合动力汽车、氢燃料电池汽车、纯电动汽车(BEV，包括太阳能汽车)、其他新能源(如高效储能器、二甲醚)汽车各类型产品。在不同国家，新能源汽车在不同时期，因能源禀赋或技术优势的不同而有不同内涵。城市交通的电动化极大地减少了尾气的排放，是治理城市空气污染的必经之路。然而，从全生命周期来分析，与传统的燃油汽车相比，新能源汽车对环境的碳排放是增加还是减少，一直存在争议[1][2]。

汽车尾气排放是全球GHG排放的重要来源，汽车相关GHG的排放是中国最主要排放GHG的源头之一。从1997年《京都议定书》的签订到2015年巴黎气候大会的召开，GHG减排已经成为国际社会的重要议题。一些发达国家和发展中国家已做出减排承诺，我国向国际社会承诺并提出“3060”双碳目标。广东要率先实现这一战略目标，低碳技术的运用推广至关重要。广东是我国率先探索实现“碳达峰”“碳中和”的试验区，同时也是我国经济最为发达的地区之一，为了有效推进广东双碳目标的实现，推动碳达峰碳中和，实现绿色低碳发展，建设生态文明，应对气候变化，首先要对低碳技术路线和产业进行科学选择，其中推动新能源汽车产业发展作为突破口，将为全国碳达峰碳中和先行探路，为全国绿色低碳发展提供可复制的“广东经验”。可以说，在能源和环保的双重压力下，全球各国汽车产品的发展方向聚焦在新能源汽车领域[3]。

新能源汽车只有大规模推广，才对环境保护有意义，规模化是中国新能源汽车战略规划的重要目标之一。由于新能源汽车电能的获取方式不同，导致每度电的碳排放存在较大差异。以新能源汽车典型车型特斯拉为例，重2108公斤的特斯拉Model S，仅电池重量就有半吨，其平均每公里耗电约为0.18度。在美国、中国和新加坡这三个不同国家，由于电能的来源不同，导致纯电动的特斯拉的节能属性差异很大，在新加坡甚至被重罚1.088万美元[4]。

目前，世界各国都纷纷把新能源汽车的研发和推广作为未来战略性新兴产业培育的重点产业。如欧洲的一些国家、美国和日本都从规划、示范、运行和推广应用等方面制定新能源汽车产业发展政策，实施优惠政策，鼓励新能源汽车的推广和应用[5]。我国政府高度重视培育发展新能源汽车产业，早在“十二五”期间就提出扶持发展战略性新兴产业的一揽子政策措施,提出新能源汽车推广的战略方向是在公共交通领域进行示范应用。深圳市优先在公共交通领域推广纯电动车，形成了新能源汽车推广的“深圳模式”[6]。香港特区政府将电动商用车作为推广电动车的重点工作领域，并已推出多项政策或措施推广电动商用车，以从源头治理路边空气污染。澳门地区交通拥挤、尾气污染严重，出租车、公交车、私人汽车中电动车普及率极低，目前，澳门政府在推广新能源汽车方面的政策与举措严重滞后于我国绿色发展的要求。

总之，发展新能源汽车已成为全球大趋势。我国在新能源汽车产业发展及推广应用方面任重道远，相关的政策机制亟待建立健全。

文献研究表明，国内关于城市绿色发展的研究起步较晚，代表性的观点有：石敏俊等提出我国城市必须走绿色转型发展之路，从低碳发展、资源节约、环境健康和生活宜居等方面构建绿色城市指标体系，其中，低碳发展包含“城市的减排规划实施情况”的二级指标[7]。郝华勇构建了生态文明融入城镇化全过程的模式，研究探讨了符合生态文明要求的绩效评价机制[8]。黄娟认为生态文明建设应该坚持绿色创新、绿色协调、绿色发展、绿色开放、绿色共享五大发展理念[9]。卢风认为，绿色发展就是可持续发展，并提出“绿色发展和生态文明建设的关键是绿色技术创新和生态文明制度建设,根本则是思想观念的转变；关键中的关键是开发足够多的可利用的清洁能源”[10]。伊文婧认为粤港澳大湾区城市绿色发展水平总体不高，交通基础设施需要进一步加强互联互通。并提出提高公共出行的比重，做好低碳绿色宣传推广工作；鼓励消费者购买绿色节能汽车，引导形成节能低碳绿色的消费方式[11]。蔡春林通过借鉴美国湾区和东京湾区等国际湾区的先进经验，对粤港澳大湾区绿色产业建设提出了倡导绿色行为规范、培育绿色产业体系、布局技能环保项目，以推广普及清洁能源、开展湾区清洁美丽计划等为重点的保护生态环境的产业措施[12]。总之，国内关于生态文明视阈下城市绿色发展的研究还没有形成成熟的体系，大多数是定性分析，定量研究较少。

关于新能源汽车碳排放影响因素的研究，2013年以来关注度有所上升。施晓清等应用燃料生命周期的理论，分析了发电能源结构、车用燃料类型、汽车类型、城市交通状况、煤电发电技术、电池类型等六类情景因素对电动汽车减排潜力的影响，提出优化能源结构、推广纯电动汽车、加快动力蓄电池研发等降低交通能耗和碳排放的措施[13]。赵立祥等分析了客运交通碳排放的影响因素主要有能源结构、能源效率和经济发展。更新新能源和清洁能源车辆、执行更加严格的燃油消耗限值标准均能在一定程度上降低CO2排放量。提高燃油消耗限值标准政策在短期具有很好的减排效果，但长期来看更新新能源和清洁能源车辆减排作用更加明显[14]。庄颖等分析了广东交通碳排放的结构及其碳排放量占比，对影响广东交通碳排放增长的主要因素进行了分析，提出可通过使用替代清洁能源等措施以减少交通碳排放[15]。总体来说，现有研究表明，新能源和清洁能源车辆的推广是有助于降低碳排放的。

关于新能源汽车在公交领域碳排放的研究，唐葆君等以北京市为例，对推广电动公交车的减排效应和节能效应进行量化研究，研究表明，推广电动车，具有较好的节能减排效果，发电结构、车用燃料类型等影响因素对电动车的减排效果影响较大[16]。李志鹏利用系统动力学方法，以2000年—2010年的基础数据，以公交数量、能耗、碳排放为主要变量进行预测分析，还通过情景分析方法，提出控制私家车过快增长，鼓励居民公交出行，同时提高公交系统的运营能力和运营效率，并逐步淘汰高耗能汽车，鼓励新能源汽车和混合动力汽车的研发等建议[17]。傅蔷等基于LEAP模型，量化分析新能源汽车对能源及城市环境的影响，研究表明，城市公共交通运输系统对城市空气环境影响显著；受公交车能源消费结构的调整影响，电力、天然气将在一定程度上替代柴油成为公交车的动力能源；电力能源需求将以近 20% 的增速增长，天然气能源需求也将保持 10% 以上的增长率[18]。阿迪拉·阿力木江等运用上海市2016年纯电动和插电式混合动力的私家车、出租车和公交车的行驶情况、能源消耗和排放因子等数据,对新能源汽车运行过程以及所需电能生产过程中产生的大气污染物和CO2的排放量进行了测算,利用协同控制坐标系评价和污染物减排量交叉弹性分析方法探讨了新能源汽车的协同减排能力与效果[19]。康泽军等梳理了国内外交通行业参与碳排放权交易市场的进展，运用计算方法学采用“自上而下”方式测算了我国新能源汽车使用环节碳减排量，并提出新能源汽车使用环节参与碳排放权交易发展和建设的政策建议[20]。徐加雷等运用近十年的新能源汽车发展情况，对2030年前新能源汽车发展趋势、动力电池产量及退役量进行预测，并对退役电池的梯次利用及再生利用可减少的温室气体进行计算，提出对退役电池的梯次利用及再生利用可以有效地降低温室气体排放等建议[21]。孙哲远等运用2006—2020年我国283个地级市的面板数据，采用双重差分法、机制检验和空间溢出效应实证分析了新能源汽车试点城市设立对城市碳排放的影响效应及机制。结果发现：以新能源汽车试点城市设立为代表的产业政策实施对城市碳减排影响显著[22]。He Yi等提出考虑全生命周期碳减排补贴的独立混合电力系统分层优化策略与设计，探讨了生命周期碳减排补贴政策,以促进偏远地区可再生能源技术的开发。基于所提出的补贴政策,进一步对独立混合可再生能源系统进行政策和设计的分层优化，四个元启发式算法与一个标准的迭代方法一起被用来解决分层优化问题,并在收敛性、鲁棒性和计算效率方面对它们的性能进行了综合评估[23]。

但是，目前还鲜有文献针对新能源汽车在省域公交系统规模化推广的碳排放效应进行量化研究。本文通过广东新能源公交车推广与应用的统计数据，研究新能源汽车在广东公交系统的规模化推广所带来的碳排放及其变化，可对我国未来电动汽车的推广应用机制的制定及我国省域电网的规划改造等提供借鉴。

二、数据获取与方法选择

(一)数据获取

据工信部数据，2021年中国新能源汽车产销双双突破350万辆，分别达354.5万和352.1万辆，同比都增长了1.6倍，连续7年位居全球第一，累计推广量已超900万辆。广东是全国第一批新能源汽车推广省份，从企业区域分布情况方面，2021年广东以6.3万家相关企业遥遥领先，占总数13.34%，山东、江苏分别以5.2万家、4.2万家，位列第二、三位。从全国各个主要城市销售角度看，根据汽车产业数字化应用服务商威尔森检测的数据显示，2021年，位列全国各城市之首的是上海，新能源汽车销量达24.5万辆，位列二三位的城市是深圳、北京，分列为15.16万辆和12.8万辆。从公交领域推广应用角度看，广州、深圳公交车已经于2018年全部电动化。广州、深圳成为全国纯电动公交车推广应用的示范区域[24]。广东新能源汽车在公交领域推广的经验可供全国其他地区借鉴。因此，研究新能源公交车的规模化推广所带来的碳减排效应，具有重大的现实意义。研究数据来源于历年广东统计年鉴、广东交通年鉴、广东生态环境年鉴。

表1给出了2016—2020年广东公交车中新能源汽车、纯电动汽车以及气电混合新能源汽车在总公交车中的占比，特别值得注意的是，在新能源汽车中纯电动汽车占比达63.0%—86.9%。除了纯电动车外，公交车中的新能源汽车还有部分是气电混合动力车，其在总公交车中的占比为13%—16%，主要是天然气与电力混合动力。

表1 2016—2020年广东各类公交车的数量及占比

(二)方法选择

1. CDM方法学简介[27]

CDM方法学是为了评估CDM项目的碳减排量应运而生的一系列方法学的总称。《京都议定书》基于市场机制确定了排放交易(Emissions trading)、清洁发展机制(Clear development mechanism，简称CDM)和共同履行(Joint implementation)等三项机制。自中国签署《京都议定书》以来，为确保迅速增长的CDM项目能带来长期、可测、有效的碳减排量，需要建立一套有效、公开和可操作的方法学，简称为CDM方法学，具体包括：建立基准线的确定和额外性实证、项目排放和泄漏估算、减排量和减排成本效益计算以及监测等。对于交通运输的减排计算，CDM方法学中也有相应的方法体系，包括了再生能源的方法学AMS-Ⅰ.M.、AMS-Ⅲ.T.等以及能源效率的方法学AM0031、AM0090、AMS-Ⅲ.C.等[25]。杨卫华运用CDM方法学重点探讨了影响气电混合动力汽车碳减排的主要因素，并对华北地区公共交通建设项目的碳减排效应进行计算分析，提出一系列优化发电能源结构以及推广新能源汽车的建议[26]。但是CDM方法学没有从经济发展与资源环境协调上进行分析和评价，不能适应经济全球化日益加剧和资源环境约束的时代要求。

2. GSA算法简介

GSA方法是经济与资源环境协调的全方位评价法。GSA算法产生的背景是，一方面随着经济的发展，全球对环境压力和环境政策的认识也在变化，旧的经济增长模式已经不可持续，迫切需要找到新的经济发展方式。要在发展经济的同时，对资源环境影响的后果作出可靠评价；另一方面，经济、资源与能源、环境的关系必须良性互动和需要协调制约，因为资源和能源使用的低效率，加上忽视生态、环境的破坏，是难以为继的恶性制约。只有在经济发展的同时，产业结构调整到重视资源、能源和生态环境的约束，彼此协调互动，才能符合绿色发展新理念的要求。

GSA方法是空间多维的全产业链或全方位的分析评价，是对CDM方法学的丰富或改进，两者是相辅相成的关系，两者的结合分析，克服了CDM方法学的局限性，是对CDM方法学的有效补充。

三、计算结果及分析

将GSA方法论融入CDM方法学，选取等数量液化石油气动力汽车为基准线，并以广东省为例，对新能源汽车的碳减排进行测算。按照公交车每天行程200km，每年运行时间300天来测算。

(一) 新能源汽车基准线排放量计算分析

根据方法学AMS-Ⅲ.C，基准线排放量的计算公式见式(1)、式(2)：

BEy=∑iEFBL,km,i×DDi,y×10-6

(1)

式中(1):EFBL,km,i为基准车辆类别i的燃料排放因子，gCO2/km；DDi,y为y年基准车辆类别i的年平均行驶距离，km；BEy为y年总的基准线排放量，tCO2。

EFBL,km,i=SFCi×NCVBL,i×EFBL,i×IRt

(2)

式中(2):SFCi为基准车辆类别i的单位燃料消耗率，g/km；NCVBL,i为基准车辆类别i消耗的化石燃料的低位发热值，J/g；EFBL,i为基准车辆类别i消耗的化石燃料的排放因子，g/J；IRt为t年基准线车辆技术改进因子，技术改进率应用于每一日历年；t为技术改进的年数(取决于每种车辆类型的寿命数据)。

表2是根据公式(1)和(2)计算的公交车基线的碳排放量，其中假设全部公交车使用液化石油气作为燃料，可以看出，全部燃液化石油气公交车，其碳排放平均按照3.2%的年增长速率。新能源汽车占总公交车保有量从2016年占比35.5%增长到2020年占比76.3%，以10.2%的年平均增长率增加。表2中也给出了新能源汽车基线碳排放量，即按照全部新能源汽车使用液化石油气来计算其碳排放量。

表2 公交车基线碳排放量

(二)新能源公交车实际排放量计算分析

混合气电动力车碳排放量的公式见(3)：

PEy=∑iEFPJ,km,i,y×DDi,y×Ni,y

(3)

式(3)中:PEy为y年的排放量；EFPJ,km,I,y为运行车辆类别i的行驶每公里的排放因子，tCO2/km；Ni,y为y年类别i中运行车辆数量；DDi,y为y年基准车辆类别i的年平均行驶距离，km。

车辆排放因子按式(4)方法确定：

(4)

式中：SECPJ,km,I,y为y年车辆类别i的每公里用电量，kW·h/km；EFelect,y为y年车辆类别i消耗电力的二氧化碳排放因子，kgCO2/(kW·h)；SFCPJ,km,I,y为y年车辆类别i的每公里天然气消耗量，gCO2/km；EFPJ,i为y年车辆类别i消耗的天然气燃料的二氧化碳排放因子，g/J；NCVPJ,i为y年车辆类别i消耗的化石燃料净热值，J/g;TDLy为y年供电的平均技术输电和配电损失，取经验值6.4%。

表3是根据(3)(4)计算的新能源公交车实际碳排放量，特别值得注意的是，新能源公交车碳排放量占公交车总的碳排放量为11.5%—33.7%，以2020年的数据为例，新能源公交车占公交车总量的76.3%，其他能源燃料的公交车占总公交车23.7%，而其碳排放量却占了总排放量的66.3%，可见，公交车推广使用新能源汽车对碳减排具有显著的推动作用。目前，公交车中的新能源汽车由纯电动车和气电混合动力车构成，其中，气电混合动力新能源汽车占公交车总量13.1%—16.1%，占新能源公交车总量的21.9%—36.9%，但其碳排放却占了新能源公交车碳排放的72.4%—85.2%，纯电动车的碳排放只占14.8%—27.6%，由此可见，在新能源汽车中大力推广纯电动汽车对碳减排具有重要的作用。

表3 新能源公交车实际碳排放量

(三) 碳减排量计算分析

基于GSA方法论的碳减排量可以用(5)计算：

ERy=BEy-PEy-LEy

(5)

式中：ER为第y年的减排量，t/yr；BE为第y年基准线排放量，t/yr；PE为第y年纯电动车排放量，t/yr；LE为第y年气电混合动力排放量，t/yr。

使用新能源汽车后2016—2020年公交车碳减排量是逐年增加的，2020年实际碳减排量是2016年的2.7倍，2020年公交车总的碳排放量比2016年下降44.6%，其中对减排贡献最大的是纯电动汽车。从上述新能源公交车实际排放量计算分析可知，纯电动车的碳排放是最低的，如果把新能源汽车全部用纯电动车替换，那么其碳减排量是最大的。2016—2020年公交车最大减排量也是逐年增加的，如果新增的新能源汽车全部使用纯电动车，还可以进一步减少12%—20%的碳排放量。

四、情景模拟分析

从上述的碳排放定量分析可以看出，发展新能源汽车有利于我国节能减排目标的实现，尤其是纯电动汽车，其能源利用效率比传统的燃油汽车高出46%以上，并且具有13%—68%的碳减排潜力，但其减排效果也受多种因素影响。在表4中，给出了电网排放因子和燃料排放因子，其中，电网排放因子受发电能源结构的影响，而燃料排放因子则受车用燃料类型的影响，下面，分别就发电能源结构和车用燃料类型对其温室气体减排效果进行因素分析与讨论。

(一) 发电能源结构的影响

发电能源结构决定了单位电量的CO2排放系数，目前来看，绝大部分中国电力是由火力发电厂生产的，但不同区域的能源结构和比例取决于其地理位置和经济发展状况。广东省的发电能源结构由煤炭、天然气、新能源和可再生能源、水电、核电等多种能源组成，同时还有部分外购电力，其排放系数可由公式(6)计算。

EF=∑fi×EFi

(6)

式(6)中：i为煤炭、天然气、新能源和可再生能源、水、核电等能源种类；fi为对应能源在发电能源结构中占的比例，%；EFi为对应能源的CO2排放系数，kg/(kW·h)。根据《国家电网“十二五 ”发展规划》和《国家电网“十三五”发展规划》，以及南方电网发展规划和能源结构，计算2016年和2020年南方区域CO2平均排放因子分别为0.527和0.395 kg/(kW·h)，可以看出，由于清洁能源的使用，使得电网平均碳排放因子下降25%。

以广东省2016年和2020年纯电动公交车为例，分别使用不同的排放因子，计算其碳排放量并与全国平均值进行比较。相对于全国平均排放值，2016年和2020年利用广东省电网充电的碳减排空间分别为35%和50%，表明广东省较全国电网能源结构更合理、更清洁。同时，2020年纯电动公交车保有量是2016年的3.3倍，而2020年纯电动公交车碳减排量为2016年的2.2倍，这说明电网能源结构是影响电动汽车碳排放及其减排空间的关键因素。

(二) 车用燃料类型的影响

以2016年为例，广东省纯电动公交车为13746辆，估算在年均行驶里程相同的情况下，纯电动公交车相对于燃油公交车和LPG(液化石油气)在耗电行驶生命周期阶段的碳排放量及减排潜力。表4给出了不同燃料公交车相关参数及碳排放量。相对于燃料公交车，LPG公交车、气电混合动力公交车、纯电动公交车分别减排29.8%、63.1%、70.4%，车用燃料类型直接影响了单位燃料CO2的排放系数，燃油公交车的碳排放量最大，这是由于燃油生命周期的CO2排放远大于其它燃料造成的。相对于LPG公交车，气电混合动力公交车、纯电动公交车分别减排47.5%和57.9%，可以看出大力推广新能源汽车对碳减排具有重要的作用。

表4 不同类型燃料公交车相关参数及碳排放量

五、结论与启示

(一)主要结论

1. 在公交车领域推广使用新能源汽车对碳减排具有显著的推动作用：纯电动汽车的碳排放是最低的。2020年公交车总的碳排放比2016年下降44.6%；如果将混动车全部用纯电动车替换，还可以进一步减少12%—20%的碳排放量。

2. 新能源公交车碳排放潜力受到发电能源结构和车用燃料类型的影响：2020年纯电动公交车保有量是2016年的3.3倍，而2020年纯电动公交车碳减排量为2016年的2.2倍，这说明电网能源结构是影响电动汽车碳排放及其减排空间的关键因素。由于清洁能源的使用，广东省电网平均碳排放因子2020年将比2016年下降25%。车用燃料类型对碳减排的计算表明，相对于LPG公交车而言，气电混合动力公交车、纯电动公交车分别减排47.5%和57.9%。

3. 广东省较全国电网能源结构更合理、更清洁。相对于全国平均排放值，2016年和2020年利用广东省电网充电的碳减排空间分别为35%和50%，表明广东省较全国电网能源结构更合理、更清洁。