文献阅读 | 纽约市在不同电力碳排放强度和电动汽车采用率下的交通排放情景分析

题目

Transportation emissions scenarios for New York City under different carbon intensities of electricity and electric vehicle adoption rates

作者

Mine Isik, Rebecca Dodder, P. Ozge Kaplan

期刊

Nature Energy

时间

2021

一作

单位

Oak Ridge Institute for Science and Education Fellow, Office of Research and Development, US Environmental Protection Agency, Durham, NC, USA.

链接

https://doi.org/10.1038/s41560-020-00740-2

研究背景

世界各地的城市都面临着城市化，人口增长和机动车增加对环境造成的压力和挑战，全球运输需求的能源消耗占全部能源消费总量的25％。纽约市正在经历交通运输需求的显著增长，交通部门会造成空气质量下降和危及纽约市居民健康的问题。纽约市的运输部门贡献了终端用能部门的总温室气体排放量的28％，其中私家车和卡车是主要贡献者（分别为83％和13％）。纽约市已经实施了到2050年将温室气体排放量比2005年减少80％的目标（称为80×50的目标）。虽然目前许多自下而上的优化模型捕捉运输部门的具体技术和燃料的选择，但研究需要更好地了解和捕捉城市和农村的情况。反映交通方式和城市污染之间动态的基于地点的研究与强调技术效率，燃料选择和政策总体减排的全球模型之间存在差距。本研究将基于城市的能源技术优化模型（COMET），应用于纽约市有助于提高其空间分辨率，并允许人们评估非轻型运输车辆模式（例如，地铁和公交车）。

运输路径情景的设计

该研究使用COMET-NYC评估了实现80×50目标的运输技术和燃料选择方案。STEADY-STATE情景显示了在没有任何特定的二氧化碳减排目标的情况下，最终用途部门在技术采用和燃料消耗方面的一切照旧发展趋势。政策情景包括DEPENDENCE和REVOLUTION，通过捕捉纽约电网脱碳速度的不确定性上对运输部门实现80×50目标的影响。在DEPENDENCE情景中，纽约未能实现电力部门二氧化碳排放强度降低，而在REVOLUTION情景中，纽约的碳排放发展符合清洁能源标准。DEPENDENCE和REVOLUTION的80×50目标是通过2025至2050年间与燃料和电力消耗相关的城市内二氧化碳排放的上限约束来建模的。因此，在STEADY-STATE、DEPENDENCE和REVOLUTION三个情景中，运输需求保持不变。

为了捕获由于人和货物移动方式的变化而引起的需求转移的影响，该研究对纽约市提出的轻型车辆需求减少策略（MODESWITCH情景的变体）进行了敏感性分析。DEPENDENCE和REVOLUTION方案的MODESWITCH变体分别称为DEP_MODESWITCH和REV_MODESWITCH。该研究还将探讨更积极的轻型电气化（BATTERY情景的变体）和交通网络公司（TNC；TNC方案的变体）使用乘车服务的影响。图1展示了COMET-NYC的结构。

图1. COMET-NYC结构

STEADY-STATE情景分析

2010年，汽油是满足轻型汽车需求的主要燃料（占总燃料消耗的80％；图2和3d），而消耗柴油的主要车辆是公共汽车和重型短途车（图3a）。交通部门能源消耗的百分之十归功于公共交通系统（如地铁）。尽管这远远高于美国平均水平的0.3％，但在全市范围内的总用电量中，它仅占5％（图2）。在这种情况下，到2050年，尽管行驶的汽车里程增加了，但轻型汽油的需求量却减少了36％。燃料消耗的减少导致二氧化碳的排放减少。虽然二氧化碳的排放量预计随着人口增长、城市化和经济的发展而增加，然而在国家的轻型燃油效率标准的执行和车辆周转量转向更有效的技术就会导致燃料消耗的减少，因此降低在全市范围内的排放量和运输中的二氧化碳排放量（图4）。

图2. 运输部门的燃料消耗

图3. 不同运输方式的燃料消耗情况

a – f，堆积面积图显示了油耗，每种颜色代表燃料的类型。a，b和c分别显示了重型汽车和其他交通工具在STEADY-STATE、DEPENDENCE 和 REVOLUTION状态下的燃油消耗。d，e和f分别显示了处于STEADY-STATE、DEPENDENCE 和 REVOLUTION的轻型车辆的燃油消耗值

图4. 运输部门二氧化碳相对于STEADY-STATE情景的变化

a，STEADY-STATE情景中每种运输方式产生的二氧化碳排放量。b，c，每个模型按照年份相对于STEADY-STATE情景的二氧化碳排放量的相对变化

运输燃料的转换还导致空气污染物排放的减少，从而对公共健康产生影响。交通运输行业是NOx排放的主要贡献部门，NOx会诱发臭氧的形成。2010年，52％的NOx排放量来自运输部门，而轻型部门占这些排放量的73％（图5a）。随着国家排放标准的实施，在2015年及以后的研究中发现运输部门的NOx大幅度减少，但到2050年，纽约NOx在交通部门的排放仍然是占到主导地位的，其中，轻型车辆的排放占总量的百分之五十以上。

图5. 交通部门NOx排放量相对于STEADY-STATE的变化

电力碳强度变化下的趋势

相对于STEADY-STATE情景，汽油在REVOLUTION 和 DEPENDENCE情景中的消费量分别降低了79％和83％，两个政策情景的用电量分别增加了33％和26％。在短期内，DEPENDENCE情景将比其他情景消耗更多的电力，但是，对于城市范围内的电力消耗，DEPENDENCE情景具有最低的总能源消耗量。由于DEPENDENCE情景中电力的较高碳排放强度，表明该情景中减排的碳排放并非来自电力部门，因此结果表明，为了实现80×50的目标，需要对建筑和运输的清洁燃料和节能技术进行更多投资。

在模型中引入了城市零排放车辆的目标，并有一个约束条件，即要确保到2030年和2050年分别购买的所有轻型车辆中至少有15％和50％是零排放（电池）车辆。研究发现，轻型车辆在REVOLUTION和DEPENDENCE两个情景中的电气化程度将超过2030年和2050年的最低电气化要求。与STEADY-STATE和REVOLUTION情景相比，在所有级别的汽车中，随着效率的提高，总体上DEPENDENCE情景运输的碳强度要低得多（图6g, l）。到2050年，轻型车的电力需求将在REVOLUTION 和 DEPENDENCE情景中达到最高水平（图3e，f）。DEPENDENCE和REVOLUTION中的铁路乘客需求相同；随着时间的推移，铁路用电量保持相对恒定，相比于STEADY-STATE情景减少了27.9％。DEPENDENCE和REVOLUTION都从2025年开始引入更高效的地铁车厢，从而降低了每个乘客的用电需求。

图6. 不同情景下轻型车辆的单位二氧化碳排放率

a – o，2010年（a，b，c，d和e）、2030（f，g，h，i和j）和2050年（k，l，m，n和o）轻型车辆每车行驶里程和总行驶里程（标准化）在不同情景中的二氧化碳排放值相对于发动机类型的变化：STEADY-STATE情景（a，f和k）、DEPENDENCE情景（b，g和l），DEP_BATTERY（c，h和m），REVOLUTION（d，i和n）和REV_BATTERY（e，j和o）。每种颜色代表车辆的类型，例如内燃机（ICE）和电动车辆（混合动力，插电式混合动力车和电池），而列宽则根据车辆类型所满足的需求份额进行缩放。bn: 十亿; vmt:行驶里程

轻型车辆电气化的影响

电动汽车被认为是脱碳情景中不可或缺的一部分，随着运输系统的变化，轻型电气化步伐的最新趋势凸显出重要的不确定性。因此，该研究分析了额外的轻型车辆电气化对DEPENDENCE和REVOLUTION情景的影响。在DEPENDENCE和REVOLUTION的BATTERY变体中（分别称为DEP_BATTERY和REV_BATTERY），模拟了纽约市宣布的轻型车辆电气化目标的情况（表1）。约束在2030年和2050年轻型电池电动汽车（不包括插电式混合动力汽车和混合动力汽车）的购买量至少分别为30％和100％。

表1. 部门的情景描述和假设

BATTERY情景显示，二氧化碳的累积减少量甚至更深，而DEP_BATTERY的减少量最大。与2030年的REV_BATTERY（图6j）相比，DEP_BATTERY（图6h）中行驶的高效率汽车可满足轻型车辆行驶52％的里程。此外，该研究发现，到2030年DEP_BATTERY中电池电动汽车的比例会更高（36％），这突显了交通电气化的关键作用。在REVOLUTION情景中，到2050年，轻型汽车的插电式电动汽车和电池电动汽车行驶的百分比要比DEPENDENCE情景更高（图6n，l）。但是，随着电池灵敏度的提高，电气约束迫使系统在DEP_BATTERY和REV_BATTERY中都使用完整的电池电动汽车，而不是混合动力和插电式混合动力车（图6m，o）。

研究结论

电力部门的碳排放率会影响运输情景中的相关技术、燃料选择和空气污染物排放。研究发现，鉴于电力部门二氧化碳排放强度的不确定性，轻型车辆和公交车的早期电气化，向更高效的轻型车辆和地铁的快速转换，以及重型车辆中燃料转向低碳强度燃料（如CNG）是系统稳健二氧化碳减排战略的关键部分和有效措施。大多数城市利用政策杠杆来改变模式份额，并由此改变能源需求，刺激节能技术投资，并在公共交通和市政服务交通中实施燃料转换。无论电网如何发展，该研究发现，专注于公共交通和重型车辆将会对冲电网未来的不确定性。减少轻型车辆排放的最具成本效益的方法是减少交通需求。但是，降低产量需求的机制可能会有外部成本，这超出了该研究范围。在减少需求，提高效率和电气化之后，即使在电力部门二氧化碳排放强度较高的情况下，也会是实现减排目标的有效策略。

编辑：方艳茹

排版：江琴

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