WNEVC 2021 | 清华助理教授张少君:中国电动汽车推广对于空气质量对于健康和气候的综合效益

WNEVC 2021 | 清华助理教授张少君:中国电动汽车推广对于空气质量对于健康和气候的综合效益

2021年9月15-17日,“第三届世界新能源汽车大会”(WNEVC 2021)在海南省海口召开,由中国科协、海南省人民政府及中国科学技术协会、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、国家市场监督管理总局、国家能源局共同主办。

本次大会以“全面推进市场化、加速跨产业融合,携手实现碳中和”为主题,邀请全球各国政产学研各界代表展开研讨。

其中,在9月15日举办的中英交通领域碳中和协同发展论坛上,清华大学助理教授张少君发表精彩演讲。

张少君主要观点如下:

1. 未来电动车不仅会更便宜,而且会更绿色。

2. 从时空分布的角度来看,电动车全生命周期的碳排放有望进一步下降。

3. 空气质量的改善将大幅提升人类健康,预计2030年电动化情景可以降低约2万由空气问题引起的死亡人数。

以下内容为现场演讲实录:

我的演讲题目是《中国电动汽车推广对于空气质量对于健康和气候的综合效益》。

我们在评估电动车的时候,经常有人提到中国目前的能源结构还是以煤为主。我今天想从三个综合的环境指标讲一下我们的研究,把电动车的技术进展考虑进去,来回答这个问题。

从我们国家的政策制定角度来说,发展电动汽车是振兴汽车产业、推动节能减排和降低大气污染一个重要的途径。我们一直说中国是全球电动车的第一产销大国,刚刚Simon Sharpe在介绍中提到了,其实世界上在其他很多的地区,特别在疫情之后,也是有一个很快的发展。在车型分布上,目前电动化主要还是以乘用车作为主要的驱动。同时,我们很欣喜地看到,在公交车和轻型的一些货车重点领域,在推动大气污染治理一些重点领域也得到了很好的发展。

我刚刚提出了一个问题,就是电动化会导致城市里面道路阶段的污染物和温室气体排放的下降,但是会带来污染物在不同行业不同时间和空间维度上一个转移。这种排放向上游的转移,主要包括两个部分,第一以电动车来说,它的电力生产是一个重要的环节;第二个动力电池的生产是一个重要的环节。右边是一个最后分析出来的图,可以看到一个电力行业或者是电池产业链上会出现一些污染物。这是氮氧化物增加的排放特征。这样的排放特征最后对于整体的空气质量的影响是什么样的?这是今天试图回答的其中的一个问题。

这里,首先构建一个方法学。在研究交通能源系统的综合环境影响时,非常常用的工具就是生命周期排放模型。对于交通系统来说,可以分为两个周期三个部分。第一个是车辆的燃料周期,就是以电动车为例,包括电力生产输配和充电环节。第二个是车辆的材料周期,从车辆的零部件,生产到装配,包括延伸到车辆的报废。如果只是做排放的话,对温室气体来说,可以直接计算生命周期的碳减排。如果回答空气质量气象化学的变化,我们用大气化学传输模型分析暴露水平,分析它的健康的效益。

我们国家其实在生命周期排放方法以及一些团体标准的制定上,也在不断发展,逐步完善。最开始的时候,可能主要关注的是在燃料周期,以能耗二氧化碳和部分大气污染物为主。之后,随着对材料周期的关注,把材料和燃料周期合在一起。比如,以2019年中国汽车工程学会发布的白皮书为例,涵盖一些车型的能耗和污染物排放的数据,这个工作需要海量的数据来支撑。这包括了上游的电力生产,和其他燃料的生产和开发的数据,此外还包括车用能耗和排放的数据。后面会提到对于车用能耗来说,比如对于电动车过去5年看到燃油经济性的电耗改善非常显著,直接导致我们以前可能需要一个更大的电池,现在不需要这么大的电池。还涉及其他车用材料的数据库。

刚刚提到,如果做大气污染物研究,需要知道它的空气分布。以材料周期为例,综合煤炭的生产,这是电力生产生命周期的一个边界。它包括电力所有电厂的数据,以及在什么地方,构成一个时空数据库。同样,以电池为例,从电池全产业链上构建关键零部件和装配,最后根据生产的规模把排放进行时空分配。

第三是我们要对于未来效益进行预测。我最开始提到的,对电动车最大的利好,就是我们国家在大力推动电力的清洁化。我们可以根据行业对于未来装机规模以及不同电源的应用小时数,预测不同电力区域的未来发电量。不同机构有不同的预测,我这里给出的是一个相对来说比较居中的预测。

可以看到,在未来十年,中国总的电力需求还是在一个持续的增长过程中,但是它跟经济的弹性相对来说会减弱,可再生能源的发电量占比将超过火电。如果只考虑装机量,那么可再生能源的比例会更高。这样我们可以得到不同区域的分区域电网的碳排放的强度。这里包括了发电的原料生产,煤炭开采运输排放的一小部分。主要在发电的过程中,目前中国电力的碳排放在600g/kW·h,还是比很多发达国家高。我们预计未来十年,这个水平会下降40%左右。不同的电网,以西北电网为例,可再生能源的装机会增加更快一些,所以它的碳排放强度会下降的更快。

还有包括车身材料。以车身材料里面最重要的几种金属的生命周期生产的碳排放为例,我们以铝来说,原生和再生铝,他们在生产生命周期的排放的差异很大的。我们调研了一下,目前行业内不同金属的再生效率。在未来如果只考虑上游能源清洁化,它会使这些材料,单位质量的材料,生命周期的生产碳排放下降25%左右。但是我也提到可以进一步考虑,最重要的是提高材料的利用效率,就是提高再生材料的比例。此外可以考虑一些更激进更绿色的先进冶金工艺,来降低关键材料生产过程的碳排放水平。

电池是一个什么样的故事呢,我们跟中国汽车工程学会一起合作,对于汽车产业链生命周期碳排放进行了一个评估,这是最新得到的结果。我们的评估方法是先定义车辆NEDC续航450公里的纯电动车,使用的电池是三元锂电池。回顾2015-2020这5年,电动车有长足的进步,电耗在下降,电池能量密度在提升。这两个因素使以前续航450公里需要配一个很大容量的电池,同时电池的重量也很大。现在这两个方面都会推动电池的重量下降,今后会进一步下降。同时,结合能源结构的调整,我们预计这三个因素加起来可以使未来十年电池全生命周期的碳排放下降一半以上。当然,如果进一步考虑电池的回收,还有很多值得提升的空间,所以这也证明了,电动车未来不光会更便宜,而且会变得更绿色。

这是一个全生命周期的,我们考虑了车辆的材料周期,车辆的燃料周期以及包括车辆的运行阶段和不同阶段的碳排放。现在得到一个结论,中国的电动乘用车,在全生命周期已经可以实现碳减排。在最高碳的华北地区,由于刚刚提到电池这块的进步,所以在高碳地区也可以实现全生命周期的碳减排。未来随着刚刚提及的几个方面的进步,全生命周期的碳排放会持续下降。还有电池的再生率,欧盟将在2027年对一些产品的全生命周期碳足迹考核,对一些新的材料有要求。在实际应用的情况下,很多企业会考虑这些方向。

对于电动货车有一些初步的数据,燃料减排和乘用车相比,还是处于一个接近的水平。

再看一下污染物,这里给的是两种最主要的大气污染物。在十四五阶段除了控制颗粒物,也要控制臭氧,他们主要来自排放大气前体物,在大气里经过化学的变化。与汽车行业相关的是氮氧化物和NMVOC。对于氮氧化物和NMVOC都有一个比较高的减排,在未来这样的幅度有望进一步提升。这里我没有给出商用车,对于柴油车氮氧化物的削减会变得更加突出。

这个是结合了刚刚那些时空分布给出的一个空间分布的一个信息。有了这样的时空分布,我们可以看到在少部分的区域,氮氧化物或者NMVOC有一些上升,但是大部分网格是下降的趋势。有了这些数据,我们主要是用于探索未来对于空气质量有什么样的改善。我们考虑的是,在2030年,电动化大概占35%左右的乘用车的销量,保有量大概占25%到30%的比例。对于商用车来说,一些重点区域的公交、出租、环卫有更高的电动化比例。对于颗粒物来说,从三个区域平均值来说,有0.4到0.5微克的削减。大家可以看到,在城市中,比如北京、广州中心城区有更高的PM2.5浓度的削减。

现在非常关注的是臭氧,臭氧是什么情况,我们模拟的是夏季,因为主要考虑的是高浓度时段对于健康和呼吸道系统有影响。可以看到电动车在三个区域,特别在这些城市里对夏季臭氧的削减。在夏季时段有一个非常显著的下降,对于改善超标天数有明显的作用。第一减少氮氧化物,第二减少了NMVOC,比传统加油站的NMVOC排放量降下来了。

最后,还是想回答这些空气质量改善对于健康是什么贡献。我们主要考虑年均PM2.5的暴露和夏季高时区臭氧暴露对健康的影响。2030年这样的电动化情景可以降低早死,大约接近2万人左右。并且在人口密度更大,交通密度更大的东部地区的城市中心,它会有更突出的健康效益。所以,政策制定者可以考虑将这种健康效益作为一个政策制定的工具。当然我们也做了一个比较,空气质量改善和碳减排。现在中国污染的幅度跟欧美先进国家对比,比较高。所以未来十年空气质量的改善为健康效益带来的贡献很大,但是,是两个轮子,可以一起驱动。我们更快拥抱新能源化。

最后就是一个简单的结语,我相信推动新能源车,推动交通电动化是实现减污降碳协同增效的很好途径。谢谢大家!

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)