兼听则明算算账 | 电动车淘汰内燃机汽车合理吗？

电动汽车在国家政策的激励下快速发展，成为汽车行业重点的发展方向。淘汰传统内燃机，采用电动汽车是降低温室气体和有害排放物的最佳方法吗？本文对传统内燃机汽车和电动车全生命周期CO2排放量进行了对比分析，并提出了减少CO2排放的方法。最终认为，在降低CO2温室气体排放方面，通过降低能源结构中煤炭的比例比传统汽车电动化更具优势。

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C级内燃机汽车油耗量和电动车电耗量对比

下图分别为传统内燃机汽车油耗量和电动汽车电耗量对比。内燃机汽车背离标准油耗线0-15%，而电动汽车背离标准电耗量为15-45%。对于C级汽车而言，采用传统内燃机其平均百公里油耗为5.5L，而采用电动其平均百公里电耗量为21.2kWh。

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内燃机汽车well to wheel 二氧化碳排放量

从下表可知，汽油的well to tank二氧化碳排放量为12.19 g-CO2/MJ，汽油燃料的体积热值约为33.37 MJ/L。生产1 L汽油所产生的CO2排放量为：12.19x33.37=406.8 g-CO2/L。对于C级内燃机汽车，百公里需要加油5.5L，则每公里对应的well to tank二氧化碳排放量为：406.8x5.5/100=22 g-CO2/km；由于汽油燃烧产生的CO2排放（tank to wheel二氧化碳排放）为：5.5 L x 749 g/L x 85% x 44 (g/mol) /12 (g/mol) /100 km = 128 g-CO2/km。因此，C级传统内燃机汽车的well to wheel 每公里二氧化碳排放量为22+128=150 g-CO2/km。

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电动汽车全生命周期CO2排放量

下面左图为常用发电能源全生命周期CO2排放量，右图为日本2013年电网能源结构。根据以下数据可计算出生产出每kWh电能所产生的CO2排放量：943 x 0.303+738x0.149+474x0.432+220x0.01+11x0.085+(38+25+13)/3x0.022=602 g-CO2/kWh。因此，C级电动车每公里所产生的CO2排放量为：602x21.2/100=128 g-CO2/km。

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削减一半石油消耗量（CO2排放量），新增多少电量？

对于C级汽车，从相同能量消耗（例如行使相同公里数所消耗的能源）的角度可认为 5.5 L（汽油）=5 L（柴油）=21.2 kWh（电能），基于以上关系式，对石油消耗和电能进行当量。如下表如示，2013年日本全年汽油消耗量为56.8 mill.kL，对应的well to wheel 二氧化碳排放量为23+132=155 mill. tons，假设电能传输和电动车充电效率约为90%，则相当于年耗电量为219/0.9 bill. kWh；2013年日本全年柴油消耗量为24.35 mill.kL，对应的well to wheel 二氧化碳排放量为8+64=72 mill. tons，则相当于年耗电量为103/0.9 bill. kWh。则2013年全年，由汽车造成的CO2排放量为227 mill. tons，燃油消耗相当于消耗358 bill. kWh的电能。如果2013年全年汽车用燃油消耗量的一半由电能取代，则需要每年新增发电量为：358/2=179 bill. kWh，占2013年日本全年电网发电量的19%。

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减一半CO2排放量，对电网发电能力的要求

2014年，日本60 百万量汽油机车消耗了56.8 mill. kL的汽油，17 百万量的柴油车消耗了24.35 mill. kL的柴油。相同体积下，柴油燃料比汽油排放的CO2多10%，则全年总汽油当量消耗量为：56.8+24.35x1.1=83.59 mill. kL。假设电动车所需用电能全部来处于太阳能和风能等可再生清洁能源，且主要将汽油车替换成电动车。为使CO2排放量降至一半，则需要新增电动车数量为：（83.59 mill.kL÷2）÷56.8 mil.kL x60 mil. vehicles=44 mill Evs，即需要新增加44百万量电动车。

因为电动车充电时间较长，且很多电动车同时充电的可能性较高。假设所有电动车电池充电功率为3kW，则新增电动车总共所需要的充电功率为：3x 44=132 mill.kW。即需要将原有电网的供电能力增加132 mill.kW，对现在电网的升级改造提出了更高的要求。

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降低电网煤炭比例与汽车电动化对比

前面已经提到，如果要使传统内燃机汽车石油消耗量或CO2排放降低一半，则需要新增年发电量为179 bill. kWh，以满足电动车充电的要求；同时假设179 bill. kWh的发电量全部来自于太阳能和风能这样的可再生清洁能源。那么，有两种方案可以利用这179 bill. kWh的电量：（1）将这179 bill. kWh的电量用来替代原电网中煤炭的发电量，降低煤炭的使用量，这样电网的总供电能力不变；同时，仍然采用传统内燃机汽车，不采用电动车。（2）将这179 bill. kWh的电量用来给电动车充电，传统内燃机汽车占有量减少，而原电网中煤炭的使用量不变。从下图可以看出，方案（1）可以降低168 mill.tons的CO2排放，而方案（2）只能降低114 mill.tons的CO2排放，方案（1）比方案（2）多降低54 mill.tons。

如下图所示，假如内燃机油耗可降低30%，则方案（1）可降低CO2温室气体排放为236 mill.tons，而方案（2）可降低CO2温室气体排放量为148 mill.ton，方案（1）比方案（2）多降低88 mill.tons。因此，随着内燃机技术的进步，通过清洁能源替代电网中煤炭使用量的方式将更具优势。

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乘用车和火力发电厂全年NOx排放对比

下图为不同类型汽车的NOx排放，乘用车全年NOx排放为：42000x0.45+410000x0.089=55 000 tons。

下图为各国火力发电厂的NOx排放，日本的火力发电厂全年NOx排放为：939.7 billion kWh x 0.303 x0.2 =56.9 billion g=57 000 tons。因此，日本乘用的车全年的NOx排放与火力发电厂的NOx排放量基本相当。

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总结

从CO2温室气体排放角度，采用清洁可再生能源产生的电能应该优先替代原电网中煤炭的发电量，尽量降低煤炭的使用量；而不是大力发展电动车，将新增电能用于充电。从NOx排放角度，乘用车的全年NOx排放与火力发电厂全年NOx排放基本相当。因此，综合而言，通过降低原电网中煤炭使用量来控制CO2温度气体排放和NOx排放比发展电动车将更具优势。