文献阅读 | 仅靠电气化无法实现轻型乘用车部门的减排目标

题目

Electrification of light-duty vehicle fleet alone will not meet mitigation targets

作者

Alexandre Milovanoff, I. Daniel Posen & Heather L. MacLean

期刊

Nature climate change

时间

2020年9月

一作

单位

Department of Civil & Mineral Engineering, University of Toronto, Toronto, ON, Canada

链接

https://www.nature.com/articles/s41558-020-00921-7

研究内容

2017年，交通运输产生的CO₂排放量占燃料燃烧产生CO₂排放总量的四分之一，其中大部分来自轻型乘用车（LDV）。而当前热门的减少轻型乘用车温室气体排放的解决方案——电动汽车（用电动马达和电池作为内燃机的替代或动力补充装置的车辆）被认为是减少温室气体排放、缓解气候变化的灵丹妙药。

本文首先采用回溯分析评估了美国LDV发展路径及其能源、资源影响。在此基础上，该研究考察了电动汽车的渗透是否能使LDV部门的未来累计CO₂排放量与2℃气候目标下该部门的碳排放量一致。本文采用GCAM模型的SSPs情景分析结果，结合全生命周期评估模型和车辆周转模型估计LDV在现行政策以及较高电气化水平下全生命周期的二氧化碳排放。采用回溯分析预测了为达到气候变化减缓目标所需的电动汽车部署的规模和时间；最后总结了当前政策和技术目标的不足，让CO₂排放量保持在适当范围内的LDV电气化所面临的挑战，以及采取措施减少LDV出行需求的必要性。

研究结果显示，美国现有政策不足以将LDV的二氧化碳排放控制在2℃目标下LDV部门的碳排放限额之内，并且仍然存在高达19Gt的二氧化碳减排差距。在当前政策力度所对应的未来LDV车辆出行需求、车型车重和单位里程的燃料需求量发展路径下，若仅靠LDV电动化来填补减排缺口，美国将需要约3.5亿辆电动汽车(占车辆总数的90%)，并将消耗全国一半的电力需求以及2050年的大量关键金属材料；而这是远超过美国国内各州政府和研究机构最乐观的电动车渗透预测的。因此，有必要制定包括减少汽车保有量和使用量措施在内的一系列政策，以保障LDV部门能顺利实现部门减排目标，为2℃气候目标作出贡献。

研究方法

这项研究以共享社会经济路径情景（SSPs）作为起点，对美国LDV进行情景分析。SSP1-5是根据下个世纪适应和缓解气候变化挑战的潜在组合，对未来社会经济发展（如人口、经济增长和技术变革速度）进行了量化。本研究使用SSP1、SSP2和SSP5三个情景。对于每一个SSP路径，研究考虑了2100年2.6Wm⁻²辐射强迫（即有较大可能将全球平均气温上升控制在2℃以下）所对应的气候减缓情景。

研究使用了GCAM模型对SSP情景的模拟结果，GCAM是一个市场均衡模型，代表了区域和全球尺度上的能源、水、土地、社会经济条件和气候的相互作用。本研究主要从GCAM模型中提取了未来LDV车辆总量、未来发电结构和LDV部门碳排放量等信息。

GCAM的输出被用于FLAME模型(车队生命周期评估和物流估算)，这是本研究使用的关键模型，是一个基于车队的美国LDVs生命周期模型。FLAME模型可用于计算2015年至2050年的车队二氧化碳排放量。最后，本研究采用了回溯分析以寻求为保持美国LDV在2015-2050年的二氧化碳排放在限额之内需要的电动汽车的部署水平。

研究结果

当前政策目标不足

目前的政策和电气化目标不足以使美国LDV到2050年的碳排放量与2℃目标保持一致。如果美国的LDV在2050年之前保持不变(在车辆特性、数量和出行需求方面)，那么从2015年到2050年将排放51 Gt CO₂(图1)，造成1 - 7 Gt CO₂的减排差距。而伴随着人口增长和经济发展，预计对LDV的出行需求还会不断增加，这将导致碳排放减排差距扩大至20 Gt CO₂。而美国新采取的燃油标准（SAFE standards）会令其下降1 Gt CO₂。如果不采取其他的额外政策，在EV30@30情景下，如果采用2018电力排放因子(439 gCO₂每千瓦小时(kWh)，美国LDV的这一电气化目标可能带来7 - 8 Gt CO₂减排量；如果美国LDV采用100%可再生电力来源（会改变电力排放因子），则减排量可以上升至14 Gt CO₂，但这仍不足以弥补与缓解目标的差距。

图1  2015-2050年美国LDV在未来发展中的累积CO₂排放量与CO₂预算的关系（a：现行燃油经济性政策（SAFE standards）；b：严格的燃油经济性政策(传统车辆的燃油经济性标准即CAFÉ standards，以及车辆尺寸和重量控制)。在电气化部分，采用了2018年电力排放系数(EV30@30-2018ef)或100%可再生能源(EV30@30-ren)的EV30@30情景。）

需要更多的电动汽车

根据现行政策，到2050年，美国需要有多达3.51亿辆电动汽车（EV），或者让EV在LDV中的份额达到90%（图2 c，d），才能使CO₂排放量满足达到2℃目标的要求。要实现该EV普及率，则需要到2050年或可能更早如在2035年达到100％的EV市场份额（或多达2800万辆EV）（图2 a，b）。而对照当前现实情况，2018年美国的EV销量为36万辆，占新车的2.5％，2018年底的公路汽车为112万辆。《2019年年度能源展望》中最高的EV情景预计，到2050年将有5,000万辆EV在路上行驶，占美国LDV的19％。即使将EV30@30的情景应用于美国LDV（外推至2050年），则2050年的公路电动汽车数量将达到2.05亿，即51％，这仍不能满足2℃目标。

图2  电动汽车部署要求（图中展示了在SSP1、SSP2和SSP5三种情景下，美国LDV满足2℃目标时，电动汽车新增需求(a)、电动汽车市场份额需求(b)、已上路的电动汽车库存需求(c)、已上路的电动汽车在已上路的LDV中的份额需求(d)）

电动汽车与电力的协调

电力部门未来的能源结构将决定EV引致的电力部门排放，而EV的大范围推广或部署必然需要驾驶者、基础设施和电力系统之间的广泛协调。美国3.5亿辆EV的年电力需求可能高达1730 TWh（图3 a），相当于2018年全国年发电量（4200 TWh）的41%。这可能导致对新电厂装机容量的巨大需求，以及电力系统容量系数和可靠性的急剧下降。这种协调需要广泛部署适当数量和位置的充电基础设施和特定的激励措施，以调整驾驶/充电行为，例如电动汽车司机和电力供应商之间的智能合同，在一定的协调水平下EV可以作为移动储能系统运行，使需求曲线变平滑、增加电力系统的灵活性。最终，这将促进风能和太阳能等可变、可再生能源通过汽车在电网系统中的渗透。因此，电动汽车必须整合到一个更广泛的框架中，以确保它们的部署在不造成电力系统技术不稳定的情况下减少二氧化碳排放。这将以部署大量以可再生能源为基础的电力、“智能”基础设施和相应的驾驶/充电行为的调整为代价。

图3  电动汽车供电（图中展示了SSP1、SSP2、SSP5路径及2℃气候目标下的车队能源使用（轴线使用了相同的能量标度：1 EJ = 3,600 TWh），包括（a）美国LDV所需电力和汽油消耗，以及（b）美国EV锂电池市场。误差条代表灵敏度分析的结果。）

重大机遇与问题

电动汽车的广泛部署为电池行业带来了巨大的经济机遇，但可能会引起实质性的材料问题。2018年，新型锂离子电动汽车电池的耗电量为0.021 TWh，到2050年，美国LDV电池的耗电量将达到3.2 TWh（图3 b）。这也意味着相关行业和资源需求将在30年间有惊人的增长。尤其是生产锂离子电池所需的锂、钴和锰这三种关键元素。该研究指出，如果没有对电动汽车电池的材料组成进行重大改变，也没有对废旧电池的回收工艺进行重大改进，那么在2019年至2050年间，美国仅LDV就需要分别开采5.0、7.2和7.8 Mt的锂、钴和锰，或世界8%的陆地锂资源（62 Mt）和29%的陆地钴资源 (25 Mt)。(对锰资源没有重大压力)。此外，对可再生能源日益增长的需求(电动汽车的发展加剧了这一需求)可能带来其他实质性问题，比如风力涡轮机中的钕。

由于全球资源分布不均，在这种未来发展趋势下，地缘政治问题和资源供应中断可能会出现。同时，过度的采矿也将严重影响联合国可持续发展目标的实现。虽然可能有相关措施和机制能减轻这方面的社会与环境风险，例如投资电池回收基础设施将减轻对原材料的需求、并有助于管理即将到来的迅速增加的电池数量；以及在市场选择下，高昂的提取成本、材料提取能力的限制以及原材料大宗商品价格的不断上涨所产生的价格压力也将驱动对现有锂离子技术的改革。在未来，人们或许能够采用替代电极材料或替代化学材料，减少对锂、钴和锰的需求。然而，寻找和部署有效、负担得起的替代技术都需要时间，这种时间成本在气候变化应对的紧迫性面前无疑是过高的。

车辆燃油消耗与重量的选择会影响碳排放

在1980年至2017年期间，CAFÉ燃油标准帮助将平均油耗从每100公里12.3升降低到9.3升(每加仑汽油行驶19.2英里到25.2英里)。与CAFE标准相比，采取新的SAFE标准将会使2015-2050年美国LDV的二氧化碳排放量最多可增加6.3 GtCO₂，即9%。在这种情况下，为了满足减排目标，2050年美国需要额外增加4500万辆电动汽车的使用。因此，单靠电动汽车的部署难以弥补缺乏油耗标准的严格，传统汽车需要不断改进。汽车重量的增加会增加二氧化碳排放(由于加速和滚动阻力带来的更大的能源消耗)，导致未来需要更迅速地完成更密集的电动汽车配置，以满足减排目标的需要。在接下来的几十年中，如果没有对传统汽车的重量控制和轻型卡车的部署，可能会使2015-2050年LDV的CO₂排放量增加2.9 Gt CO₂；相反，使用铝等较轻的材料来部署较小的车辆并限制附加功能可以将2015-2050年LDV排放量减少2.2 Gt CO₂。EV也面临类似的问题，因为里程焦虑（乘客驾驶电动车时对续航里程的焦虑）是交通运输广泛电气化的一个障碍，而且汽车的运行里程是关于电池容量(重量)和汽车电力消耗的函数。然而问题在于较重的电动汽车对应较高的电力消耗，但未必能保证更长的续航里程。因此，促进电动汽车部署的激励措施可以不阻止制造商开发更重的汽车以扩大里程（减缓里程焦虑），但应限制“车辆重量的通货膨胀”。

研究结论

针对当前非常热门的减少轻型乘用车温室气体排放的解决方案——电动汽车的部署，研究给出了不太“从众”的意见：仅靠电气化无法实现LDV部门的减排目标，想要真正将CO₂排放量限制在2℃目标要求内，更重要的是将以技术为导向的政策转变为以活动为导向的政策，以减少LDV的使用或替代LDV，从而避免过高的EV需求。

研究主要从以下几个角度论证了这个观点：一方面，当前EV的部署政策无法满足2℃目标下的碳减排要求；要达到2℃目标的碳减排要求需要在2050年时达到已上路的电动汽车超过3.5亿辆，伴随着的是近乎全国一半的电力需求和大量关键金属材料的消耗，以及电力系统大规模的改善和协调。另一方面，研究证明通过严格的标准和重量控制，持续提高传统汽车的平均燃料消耗，可以降低对替代技术的要求，但不太可能完全弥补碳减排差距；而通过降低LDV出行需求或令其保持在现有水平，可以在减少到2050年时对EV部署的要求的同时，将碳排放量限制在合理的范围。因此，减少车辆拥有量和使用量的措施至关重要。

应对气候变化不是一个国家，一个部门或一种技术可以完成的，成功的气候应对必将是基于系统的分析、周密的计划和有效实施共同作用的结果。虽然电动汽车是CO₂减排的重要方案，但是LDV的电气化不是万灵药，真正的应对方案应该包括广泛的政策，兼顾对居民使用更轻、更高效的车辆和减少LDV使用需求的意愿的培养。

编辑：肖逸龙

排版：江琴

相关阅读

点击“阅读原文”浏览小组主页