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研究周报 | 禁售燃油车之后,环境真的会变更好吗?

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国家将研究燃油车禁售时间表的战略提议一出,业界反响强烈,各种观点的讨论迭出,新能源板块股票也随之大涨。

目前,普遍的观点是电动化的时代不可避免,大规模的电动汽车应用必将带来上下游行业和社会配套设施的系列变化。但这些变化是否都是有利的,各方意见并不统一,比如一直以来都是讨论热点的“电动汽车是否真的节能环保”这一问题,就有完全不同的观点。

本文谨尝试从理论的角度,对燃油车与电动汽车两类车的能耗以及排放进行对比,并提出如何使电动汽车规模化应用更清洁的若干建议。

1. 能耗对比

按照标准GB/T12545规定,汽车燃料消耗采用十五工况循环试验,其中有怠速、加速、等速等,全循环累计时间195 S,并采用重量法确定百公里燃料消耗量。为方便对比,电动汽车以江淮IEV5纯电动为例,其百公里耗电量为13kwh,同级别自动档燃油汽车百公里油耗约为7L。

1.1燃油车能耗   

按照GB/T2589.2008《综合能耗计算通则》的内容,每千克汽油的热值为43070kJ,取汽油密度0.725kg/L,计算可得7L汽油所含总热量为218580KJ。

1.2电动汽车能耗  

电动汽车属于二次能源利用,所以计算其能耗需从全生命周期考量。从发电到充电需要经过下图过程中的传输:

image.png

根据中国电力企业联合会规划发展部发布的《全国电力工业统计快报2016》中显示:  

  • 2016全国全口径发电量59897亿千瓦时,其中火电71.6%、水电19.7%,核电、并网风电和太阳能发电8.7%。

  • 全国电网输电线路损失率为6.47%。  

发电厂内机组的运转和控制设备的工作都要消耗一定的电能,此电能直接来自厂内发电,称为厂用电,通常的厂用电率为5%~10%,而像拥有300 MW机组的发电厂则达到5%,这里取用5%。充电机效率取一般值94%。

我国各大电网之间的电力类型比例不同,为方便计算,按照我国的发电类型平均比例71.6%为火电计算,电动汽车百公里耗电为13度电时需要的火电厂侧的发电量为:

13×71.6%(火电比例)÷94%(充电效率)÷93.53%(电网效率)÷95%(去厂内用电)=11kWh

根据《全国电力工业统计快报2016》信息,我国6000 kW以上级发电企业供电标准煤耗为312g/kwh。转化为供电标准煤:11×0.312=3.5kg

按照GB/T2589.2008《综合能耗计算通则》的规定,每千克标准煤的热值为29307kJ,则电动汽车所需的总热量为:3.5×29307=102574 KJ

对比可知,同样百公里,纯电动汽车发电侧消耗的总热量为同级别汽车消耗燃油热量值的47%,在能耗上有明显优势。

2. 排放对比

2.1燃油车的排放

传统汽车的主要排放物为以下几类:二氧化碳CO2、一氧化碳CO、氮氧化物NOx、碳氢化物HC等,其中99%为CO2。汽油是对分子含碳量在5—8的一类烷烃的通称。汽油标号一般是以正辛烷的含量来标定的,正辛烷含量越高,汽油的标号越高,汽油分子量在90—120。以93#汽油为例,可以根据下面方程式计算汽油燃烧时理论上的CO2排放量:

微信截图_20170925082715.png

汽油密度一般为725g/L,则一升汽油完全燃烧排放的CO2质量为:

725×(44x16)÷(114×2)=2.238kg

基于以上理论值计算可得燃油汽车百公里7升的CO2总排放量为:7×2.239=15.7kg

2.2电动汽车的排放

火力发电的主要排放物为二氧化碳CO2、二氧化硫SO2、氮氧化物NOx等,不含碳氢化物HC。按照标准煤的碳元素含量68% (重量),C分子量12,CO2分子量44,根据反应式:C+02=C02,从理论上计算电厂每发出一度电产生的二氧化碳为:312×0.68/12x44=788克。

根据相关资料查询,实际的不同煤种的污染排放如下表,也和理论值接近:

image.png

根据前面计算电动汽车百公里13度电需要的供电标准煤为3.5kg,则电动汽车总CO2 排放量为8.7kg,约为同级别汽车的55%。但是增加了传统车没有的二氧化硫SO2 排放量1.65g。

3. 变量分析及应用建议

如果全面电动化真的是不可逆转的趋势,那么以当前的能源生产方式比如清洁发电水平,恐怕还不足以实现零排放,尤其是需要从电动汽车的全生命周期看待其对环境的影响,因此在这一预期下谨提出以下建议。

3.1减小火电比例

本文计算的火电占比是按全国平均水平计算的,但我国电力装机分布具有显著的区域特征,在电动汽车推广较好的京津冀地区,火电占据了90%以上的份额。假定未来电动汽车的充电来源均为火电,则同样的车型百公里的CO2的排放量增加到12.15kg。可以看出,推广电动汽车的同时,还要改善电力结构,增加水电、风电和核电等清洁能源比例,以及提高燃煤发电的清洁水平,如此才能更好可以起到低碳环保的效果。

3.2减小百公里能耗

如果未来国内电动汽车市场继续延续当前A00级车主导的态势,那么它不足以支撑真实的终端消费需求,结构化升级是必然,那么A级车甚至B级车的比重增加以后,相关的能耗将高于上文的理论预测。

以特斯拉P85为大型电动车为代表,根据车行网等的实测,其百公里综合路况实测能耗为19.2kwh,则总的百公里CO2的排放量增加到18kg,相比IEV5增加排放量约64%,与百公里8L油耗的汽油车CO2排放相当,节能效果并没有明显体现。因此中小级别车,尤其是微型车,对于节能减排的作用要更加明显一些。

3.3加强发电侧污染治理

电动汽车对环境的污染不能仅着眼于行驶环节,还需追溯到上游发电企业,可认为发电厂排放的废气等价于电动车的尾气。电动汽车排放尾气中的有害成份的种类,比内燃机汽车要少一些,尤其是对大气污染危害较大的碳氢化物HC和一氧化碳CO。但是,电动汽车NOx和SO2的排放高于传统汽车,为减小这类排放,需要在火电厂加强对废气的脱硝、脱硫处理。否则会出现把空气污染物从城市转移到远离城市的周边地区和发电能源基地的情况。

3.4动力电池的回收污染

从全生命周期看,电动汽车比传统车的污染排放中多出了动力电池的回收环节,当前我国的车用动力电池报废还未达到规模级,相关的回收利用也没有形成系统化的产业。但是,一旦禁售燃油车,电动汽车成为汽车主流,这一问题将无法回避,因此批量大规模使用电动汽车还需尽早解决此问题。

动力电池拆解回收过程主要产生废气、废液、废渣等污染,3类污染的产生原因如下表所示,其中不少物质对环境的污染都是必须要认真应对的。

1

废气

电解质常用LiPF6,易分解为PF5,有刺激性恶臭,再生成HF,有毒和强腐蚀性。

电解液溶剂为有机溶剂,容易挥发,对人体有害。

2

废液

主要来自拆解中的电芯泄露。

3

废渣

拆解产生碎屑和大块残件。

3.5建立智能充电策略

全面电动化带来的大规模充电问题同样必须提早考虑应对。由于私家车等主要集中于夜间在居民区充电、白天在单位充电,如此一来势必造成充电负荷出现两个负荷尖峰,并且两个负荷尖峰与常规日负荷曲线尖峰相叠加。这种无序充电的随机性和不确定性,将会增大电网运行管理的难度,增大网络损耗、降低电能质量等。

image.png

因此,迎接汽车电动化时代,需要提前考虑智能化的充电控制引导策略,让电动汽车充放电行为得到有效调控,以使其可作为一种负荷响应形式与输电侧的风电等新能源协调互动,从而提高风电等的利用率,这样也可以在一定程度上减少污染物的排放。

来源:第一电动网

作者:冰封之城

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