IMED研究 | 通过减少印度道路交通部门的化石燃料消费实现碳中和

题目

Narrowing fossil fuel consumption in the Indian road transport sector towards reaching carbon neutrality

作者

M.S.Hossaina, Yanru Fang, Teng Ma, Chen Huang, Wei Peng, Johannes Urpelainen, Chetan Hebbale, Hancheng Dai

期刊

Energy Policy

时间

2023年

一作

单位

1) Institute for Energy Research, Jiangsu University, Zhenjiang, 212013, China; 

2) College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University, Beijing, 100871, China

链接

https://doi.org/10.1016/j.enpol.2022.113330

研究导读

     到本世纪末，将温升控制在2℃甚至1.5℃内需要各国的共同努力。本研究选取世界第三大碳排放国-印度为研究区域，聚焦于未来中长期（至2050年）时间尺度，重点关注印度道路交通低碳发展路径，研究如下问题：

1） 印度道路交通单纯依靠电动汽车能否实现碳中和？

2） 道路交通的减碳政策能实现多大程度的污染物排放控制？

3） 印度道路交通应该制定和实施怎样的政策以实现碳中和目标？

通过应用北京大学LEEEP团队自主开发的IMED能源技术优化模型，本研究定量分析了印度道路交通部门的碳减排目标带来的空气污染控效果。探究纯电动汽车和燃料电池汽车的不同渗透率对碳中和目标与空气污染物减排的影响，为印度道路交通制定气候与环境协同控制战略的经济可行性路径提供参考。

研究背景

印度作为世界第三大碳排放国，已承诺到2030年减少其林业、废物、工业、交通和能源部门的二氧化碳排放，但是这仍然达不到《巴黎协定》的长期目标，即将全球变暖控制在2℃以下。因此，印度除了批准2030年的国家自主贡献(NDCs)目标，还在COP26上宣布了到2070年的碳中和承诺。为了实现如此雄心勃勃的气候目标，交通运输等碳密集型行业需要更严格的政策和更长期的脱碳战略。

客运和货运对气候有多种影响，包括长寿命温室气体（主要是二氧化碳）、短寿命气溶胶、黑碳和有机碳等气溶胶前体、氮氧化物等短寿命化学活性气体。在乘用车、公共汽车和大型货运卡车类别中，公路运输的排放占所有人为温室气体排放的很大一部分。汽油车释放更多的二氧化碳、一氧化碳和碳氢化合物，柴油车辆排放更多的颗粒物和氮氧化物。由于印度拥有者世界第二大公路网，道路运输已成为主要的交通方式。因此，道路运输部门的碳和空气污染物排放量较大，且污染物对健康产生重大影响。例如，在印度进行的几项研究将空气污染暴露的增加与癌症、心血管和呼吸系统疾病的风险增加以及死亡率联系起来。油基燃料是大多数公路交通的主要能源。因此，印度需要大力发展电动汽车，这将减少石油需求（柴油、汽油、天然气等）和温室气体排放，另外，印度还需要鼓励大规模可再生能源部署。

许多研究人员使用不同的模型来模拟当前国家或地区的交通政策，但没有关注有助于减少能源需求的新技术和基础设施对未来的影响。在印度，使用ANSWER Markel模型在区域层面分析了低碳客运的长期共同效益。该模型还估计了 2050 年两轮车和四轮车的总电力需求。另有研究学者使用动力总成模型来估计印度电动汽车每公里（踏板车，三轮和四轮车）的电力消耗。有学者使用AIM|Enduse模型估计了道路运输部门国家级的客运水平。然而，这些研究只关注温室气体排放和空气污染物清单的制定。然而关于印度针对三个车队（私家车、公交巴士和商用车）的温室气体减排政策的共同效益研究相对较少。

对于电动汽车的 100% 部署，印度需要强大的能源技术系统和强大的政策支持。为此，印度政策制定者出台了许多减少道路运输部门排放的政策，国家汽车燃料政策通过减少颗粒物和硫，2020 年国家电动汽车任务计划促进混合动力和电动汽车实现国家燃料安全。印度政府还为电动汽车的采用提供财政和货币激励措施，尽管消费者尚未表现出太大的兴趣。大多数研究在特定时间专注于单个点或使用特定于行业的模型/计算。这种单一视角的方法通常忽略了从低到高的BEV与FCV的渗透率在能源需求方面的相互作用。为了解决这一研究差距，本文基于核心技术系统，主要关注道路客运的能源需求，CO₂排放，以及国家层面的空气污染减少。通过多种情景，模拟BEV和FCV在印度道路运输部门中不同的比例对道路脱碳中的关键作用。

研究方法

       我们使用由北京大学LEEEP团队开发的IMED|TEC模型，利用该模型估算了印度道路运输部门在不同情景下的碳排放量。该模型由两部分组成：即能源、环境和经济可持续发展综合模型（图1）。

图1 IMED|TEC模型框架

该研究针对印度道路交通部门中的主要客运和货运进行深入分析，分析的道路交通的构成及其分析设计如图2所示。

图2 印度的国家发电和道路交通部门

本研究建立了电动汽车长期脱碳分析的四个情景：电动汽车的低、中、高渗透率，以及一个基准情景。情景的设计取决于现有电动汽车政策和新车辆技术设定的参数，包括插电式混合动力车、混合动力车、电池和燃料电池。我们将BEV定义为“BE”，FCV定义为“F”，渗透率为低（l）（BEV为0.05%-60%，FCV为0.02%-0.04%），中（m）（BEV为0.05%-85%，FCV为0.07%-40%）或高（h）（BEV为1%-95%，FCV为1%-75%）。参考情景是在没有针对BEV和FCV的政策和技术改进的情况下定义的。在基准情景下，印度碳排放强度满足NDC目标，2030年二氧化碳排放强度相较于2005年下降65%；对空气污染物的控制维持现有的措施和相关政策。情景设计矩阵如表1所示。

表1 情景设计矩阵

主要研究结果

1. 印度道路交通部门CO₂排放和能源消耗

基准情景中的大多数排放主要来自使用基于石油内燃机的运输工具。图3d表示道路交通部门中不同技术的直接CO₂排放占比，也就是不包括电力生产部门的排放量。一般来说，减少对内燃机运输技术的需求或增加更高效技术（BEV和FCV）的渗透将减少CO₂的排放。本研究对各种情景的车辆排放和能源消耗进行了估算，并与基准情景进行了比较。到 2050 年，基准情景总能耗将达到 213 Mtoe（图 4d），说明传统燃油车的继续使用对能源减少和碳减排具有很大的阻碍，需要迅速转向替代燃料和更有效的技术来改善。由于情景假设是基于印度的EV政策，该政策不仅配备了技术渗透率，而且还配备了运输需求和技术改进的整合，因此比较四个情景（Reference，BElFl，BEmFm和BEhFh）之间的能源需求和减排是对政策制定的有力检验。

图3. 道路交通CO₂排放。（a）不同情景的CO₂排放随时间变化;（b）道路客运CO₂排放;（c）道路货运CO₂排放;（d）道路交通部门不同技术的排放占比

BElFl情景表示通过结合BEV和FCV技术来减少总CO₂排放和能源消耗。由于BEV和FCV的技术改进和政策限制，其对深度脱碳的贡献还远未实现。BElFl情景还表明，2050年总能耗和碳排放量相对低于基准情景（图3，图4a）。此方案的 CO₂减少程度较低与当前电动汽车的电池价格高、低碳能源需求技术较少、有效载荷能力较低有很大关联。印度政府正在根据NDC开发FAME，但电动汽车的采用率低于预期。另一方面，FCV技术可能由于政策实施范围较小对CO₂总排放量不会有较大影响。BEmFm情景显示，客运和货运可以减少道路交通部门的CO₂排放量。BEmFm情景结果表明，由于电动汽车政策，2050年的总能耗和碳排放量相对低于BElFl和基准情景都低（图3，图4a）。由于缺乏净零政策和技术改进，这种程度的CO₂减少仍然无法实现印度国家道路交通部门的深度脱碳。目前重要的是要指出哪种技术正在产生更多的排放，以及可以采取哪些政策来减少排放。BEhFh情景结果显示了车辆技术的改进和减排雄心的转变，也就是除了增加EV政策之外，还制定了净零政策。因此，这种情况迫使BEV和FCV与传统汽车竞争，并可能在2050年接近深度脱碳。

图4 道路交通部门能源消耗。（a）交通部门能源消费总量;（b）客运能源消耗总量;（c） 货运能源消耗总量;（d）同情景的年度总能源消耗量；（e）不同技术的能源消耗量

2. 空气污染物减排

基于技术优化评估框架，这项研究强调需要解决所有道路交通现有车辆类别的排放问题。印度道路运输业有专门用于控制空气污染的排放控制法规。已实施的政策对CO₂减排和空气污染物的控制有协同效果。印度存在严重的空气污染问题，尤其是颗粒物（PM）。客运（汽车和公共汽车）和货运（小型和大型卡车）交通部门是全国空气污染问题的两个主要贡献者，占颗粒物污染的近三分之一，氮氧化物的比例更高。图5a、b和5c显示了减少空气污染的协同效益。

图5（a）不同车辆技术造成的空气污染排放总量，（b）不同情景下的空气污染排放变化；（c）不同情景下的空气污染减少与CO₂减排的协同效应

      在BEhFh情景中，改进的电动汽车政策和先进技术的高度渗透将导致空气污染的显著减少（图5b和c）。在基准情景中，印度全国道路交通部门的空气污染水平在2030年至2050年间继续上升（图5）。在BElFl情景中，道路运输中的空气污染将在2050年达到峰值（图5b）。在BEmFm情景中，空气污染在2030年达到峰值，此后出现下降。结果表明，大部分空气污染首先来自油基客车，其次是大型油基货车，然后是柴油乘用车（图5a）。由于大量基于石油的技术，天然气作为替代燃料无法完全有助于减少空气污染，因此印度政府正在致力于BEV基础设施。印度的国家级CO₂由于电动汽车政策和缺乏高效技术，空气污染减排过程缓慢，导致道路运输部门严重影响空气质量。因此，从图5b可以清楚地看出，BEV和FCV的高渗透率可以在PM方面实现显著的空气污染减少。图5c将净零政策影响情景与基准情景进行了比较。BEhFh情景是一项净零政策，旨在控制车辆排放并减少空气污染，能源消耗结构的变化可能导致污染物排放的大幅减少。与基准情景相比，BEhFh 情景中PM₁₀和PM_2.5到2050年将分别下降25%、69%。

结论

        对电动汽车渗透情景的评估表明，在中短期内，支持基础设施的前期投资以及为电动汽车购买者提供直接的政策和技术改进可以帮助印度的电动汽车份额上升。然而，从长远来看，，电动汽车可以与传统汽车竞争实现深度减排。鉴于印度庞大且不断扩大的乘用车市场，在不久的将来增加电动乘用车份额的潜力很大。此外，印度将有机会扩大其国内电动汽车市场，并促进大型电动汽车的广泛使用。客运和货运部门对印度经济至关重要，多年来，印度政府已经开放了经济，使其成为全球许多汽车制造商和制造商的热门商业地点。然而，印度的总能源需求主要来源于化石燃料，这被认为是碳排放和空气污染的主要原因。根据我们的分析，在国家道路运输部门实施政策可以降低碳排放，从而在2030年之前实现排放峰值，并为减少空气污染提供实质性的共同效益。到2050年，政策改进的实施可以减少碳排放以及客运和货运带来的空气污染。如果政策不够完善，要达到理想的国家货运空气质量标准将具有挑战性。燃料电池技术的实施也是印度交通部门减少碳及污染物排放的重要手段。

编辑：方艳茹、马腾

排版：马腾

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