新能源汽车对碳中和贡献度的深度研究

2015 年中国政府承诺在 2030 年实现碳排放达到顶峰,时隔 5 年 后,2020 年 9 月的联合国大会上,习主席宣布中国将在 2060 年达到碳中和。近期有关“双碳”话题比较热门,尤其是新能源汽车对碳中和有什么贡献?有多少贡献?引起行业热议。下面对此进行深入研究,供同行参考。


一、电动汽车是实现碳中和最重要的抓手、推手、帮手

1.发展纯电动汽车是最大抓手

纯电动汽车方案对碳中和的贡献对中国而言,一是可以实现局部 (东部等)地区二氧化碳排放减少;二是电能传输与烧汽油、柴油、 天然气运输相比,其二氧化碳排放明显减少;三是为新能源替代石化 燃料铺设了的一条通道;四是对西部能源生产地,采用更多新能源去 发电,提供了动力。

纯电动汽车是真正意义的零排放,就要求其电完全来自新能源; 如果目前其电,是来源于汽油、柴油、天然气燃烧发的,纯电动汽车 就是人类对二氧化碳排放管控的工具。

一句话,纯电动汽车对碳中和的贡献,他是最重要的最大抓手。

2.氢燃料电池动力汽车是十分重要的推手

氢是二次能源,主要来源电能转化,是电能存储体。太阳能、风 能发电不稳定,其 85%不能上网运输出去。这些电,在生产端可以转 化为氢气,在用户端再转化回来。所以说,在纯电动汽车基础上,研 发氢燃料电池电动汽车,自然是必选项目。氢燃料电池动力汽车为 85%不能上网的太阳能、风能发电找到了市场。从这个意义上讲,发 展氢燃料电池动力汽车,是碳中和的重要的推手。

3.插电式混合动力汽车是不能缺的帮手

目前内燃机汽车体量很大,而动力电池和氢燃料电池技术,还是 在发展初期,纯电动汽车替代内燃机乘用车已经取得一定规模,氢燃 料电池动力汽车取代内燃机大卡车还处在示范区期,而碳中和任务十 分繁重。所以说发展插电式混合动力汽车是不能缺的帮手。

新能源汽车对碳中和贡献度的深度研究(图1)

二、新能源汽车对碳中和的贡献分析

中国新能源汽车技术路线是纯电驱动的。目前有三种方案,一是 纯电动汽车(全锂离子电池充电);二是插电式混合动力汽车(锂离 子电池充电+车载内燃机发电在线充电);三是氢能电动汽车(车载 氢燃料电池在线发电充电)。三种方案对碳中和的贡献大小对比如下:

1.纯电动汽车不烧油(气),不排放二氧化碳

纯电动汽车已经没有内燃机,不再烧汽油、柴油、天然气,用电 驱动,纯电动汽车是零排放。狭义的理解,纯电动汽车能节省下来的 油(气)数量,这些产生的二氧化碳排放量,就纯电动汽车的贡献量。

纯电动汽车必须做功,一定要消耗能源。纯电动汽车是电机驱动 的。而电是二次能源。电的生产,是不是清洁的?有没有二氧化碳排 放?从责任划分上,这个不是汽车行业的事情,或者说不是汽车的事。

所以说,质疑电动汽车环保不环保?是没有道理的。质疑者心里 清楚,他不在质疑电动汽车的环保,而是在质疑中国发电生产是不是 环保的。需要强调是,电清洁不清洁的?不是中国发展不发展纯电动 汽车的理由。电能使汽车自己变成最环保且没有二氧化碳排放,这才 要是发展电动汽车的基本道理。

2.氢燃料电池电动汽车是氢气在线供电

氢燃料电池电动汽车也是电驱动的,同样不烧汽油、柴油、天然 气。狭义地说,氢燃料电池电动汽车是零排放。狭义的理解,氢燃料 电池电动汽车能节省下来的油(气)数量,这些汽油(柴油、天然气) 产生的二氧化碳排放量,就是氢燃料电池电动汽车的贡献量。这个与 可以质疑电是不是清洁的,是一个道理。

世界上有煤矿、有油田、有气井,却没有氢能(矿、田、井), 也就是说氢能也是二次能源,这一点与电性质是一样的。同理,氢能 生产过程中是不是清洁的?有没有二氧化碳排放。当然可以质疑氢燃料是不是清洁的。

氢燃料电池电动汽车与纯电动汽车相比,电是看不的,其载体是 运动的电子,电能运输是不消耗其他能源的,是不排放二氧化碳的, 而氢能是气体,其运输要是消耗其他能源的,也就是说会排放一定二 氧化碳的。一句话,氢能汽车车载燃料电池发电过程还产生二氧化碳, 所以说,它在碳中和过程的贡献不如纯电动汽车。

3.插电式混合动力汽车对碳中和替代的贡献 目前内燃机汽车体量太大,而纯电动汽车由于动力电池比能量太 低(与汽油、柴油比近 20 倍比),要彻底地替代内燃机汽车,基本 不现实。在相当长时间里(30 年或许更长),内燃机汽车依然保持 主体地位。而插电式混合动力汽车也电驱动的,是纯电动汽车与内燃 机汽车的综合体。所以说,单一的插电式混合动力汽车对碳中和贡献 不如纯电动汽车,如果内燃机汽车改成插电式混合动力汽车,其意义 就是一般了。


三、替代能源对碳中和替代的贡献

替代能源必须是一次能源,或者再生能源。目前的替代能源主要 有太阳能、风能和水能,分析如下:

目前主要能源是煤、石油、天然气等石化燃料。燃烧石化燃料是 产生二氧化碳是主要部分。如果有其他能源能替代石化燃料,不仅能 保障经济的发展,同时能减少二氧化碳,自然是好事情。中国经济要 发展,对煤、油、气等石化燃料需求量是绝对增加的。而中国能源现 状是煤多、油少、缺气。于是开展能源替代工作是中国发展的必选项。 目前能源替代方案比较多,主要有光伏发电,风能发电、水能发电等。 目前能源替代方案实施起来也是困难重重,效果也不是十分理想。

(一)光伏(风能)发电对碳中和的贡献的分析 2020 年并网风电 4665 亿千瓦时,比上年增长 15.1%;并网太阳 能发电 2611 亿于瓦时,比上年增长 16.6%。风电、太阳能发电之和 为:7276 亿千瓦时。中国的太阳能每年发电小时数,全国平均大约 在 1450-1750 小时左右,风能每年发电的时间,大约是 2000 小时左 右。而一年是时间是 365*24(小时)为 8760 小时,而供电是一天 24 小时持续的,而光伏(风能)发电是间歇性,同时也不均衡的。而电 网只能容纳 15%的非稳定电源,于是中国弃光弃风的问题非常严重。 如果大规模储能措施,成本又上来了。也就是说,光伏(风能)发电 对碳中和的贡献是有上限的。

(二)水能发电对碳中和的贡献的分析 数据显示,2020 年全国水力发电量为 13553 亿千瓦时,比上年 增长 4.1 %(抽水蓄能 335 亿千瓦时,比上年增长 5.0 %),是火力 发电量 23%以上。水力发电是再生能源,其优点有,能洪水泛滥、提 供灌溉用水、改善河流航运,可以发展旅游业及水产养殖。目前现状 表明,水能发电没有 CO2 排放,是传统能源最佳的替代能源者,是碳 中和的主力军。

(三)煤炭清洁发电对碳中和的贡献的分析 数据显示,2020 去年,我国煤化工产业贡献的碳排放量达到 49 亿吨,较 5 年前增长了近 50 倍。(注意:2020 年我国二氧化碳排放 总量为 103 亿吨),目前主要措施有:在煤、石油中加入天然气、页 岩气或工业尾气;二氧化碳深埋地下;植树造林对二氧化碳回收;采 用新的节能技术对老旧设备予以改造。也就是说,煤炭清洁发电潜力 非常大。

新能源汽车对碳中和贡献度的深度研究(图2)

四、二次能源(电、氢、甲醇)优势比较分析

1.2060 碳中和基本途径 总的来说,碳中和基本途径是两条:一是最典型的是植树造林, 通过光合作用吸收 CO2 产生氧气。植树造林吸收 CO2 方案对碳中和, 起作用不可或缺。二是能源替代,光伏、风电、水能等替代火力发电, 即减少 CO2 排放。能源替代方案同样重要,同时他对经济的发展推 动作用,是植树造林吸收 CO2 方案不具备的。

国际上节能减排的基本模式是,能源的生产端减碳、降碳,能源 用户端电动化、智能化。

2.(电、氢、甲醇)能源的比较优势 光伏、风电、水能要被人类社会大规模地直接利用,几乎没有可 能,目前主要方法是把这些替代能源转化为二次能源,主要有电、氢、 甲醇三类,现予以比较。

(1)电能优势和不足 优势:电能,主要来自其他形式能量的转换,包括水能(水力发 电)、热能(火力发电)、原子能(核电)、风能(风力发电)、化 学能(电池)及光能(光电池、太阳能电池等)等。电能也可转换成 其他所需能量形式,如热能、光能、动能、氢能、等等。电能可以靠 有线或无线的形式,作远距离的传输。

不足:电能存储困难。 对电动汽车而言: 电是最理想的二次能源。汽车是能源用户端,汽车实现电动化, 是全世界的通用节能减排的选择。

(2)氢能优势和不足 优势:氢可以以气态、液态或固态的氢化物出现,与电可以彼此 转化。 不足:氢是危险品,运输困难。 对电动汽车而言: 对锂离子电池电动汽车是一个补充,最大用途是,对太阳能发电 和风能发电的存储。

(3)甲醇优势和不足

优势:是一种常温常压下可以直接运输和使用的液体燃料。醇基 燃料是一种无毒、无残液、无烟尘、无有害废气、无积垢,属可再生 的生物能源。甲醇可以转化成氢气。

不足:甲醇本身有毒性,对有色金属有腐蚀性,对橡胶有溶胀作 用。 对电动汽车而言: 车载甲醇,先要转化为氢气,再通过燃料电池发电。其装置体积 太大,其工艺比较复杂。要汽车厂家和用户接受,非短期可以实现。


五、改造内燃机对碳中和的贡献

目前对烧油(气)的内燃机已经实现欧六环保技术了。也就是说 烧油气的内燃机的环保技术已经了天花板。但是目前内燃机行业的一 些专家还在建议国家职能部门,要积极支持氢气发动机、甲醇发动机 的研发。其基本意思,是通过对内燃机的改造,来响应碳排放、碳中 和的号召。

无论是氢气发动机、甲醇发动机都是燃烧原理,只要燃烧一定会 排放二氧化碳。其次,发动机的核心技术,已经由汽车强国掌控。中 国要去开发氢气发动机、甲醇发动机,能实现汽车强国的目标吗?是 对碳中和的贡献在哪里?氢气发动机、甲醇发动机不排放二氧化碳 吗?氢气发动机、甲醇发动机研发,不要国家的补贴政策支持吗?


六、总结

中国政府已经对全世界宣布了在 2030 年实现碳排放达到顶峰、 在 2060 年达到碳中和。发展电动汽车符合国际上的“能源用户端电 动化、自动化”节能减排模式,为能源生产端降碳减碳的节能减排, 做出最佳的响应。

新能源汽车对碳中和贡献度在于,他是中国发展新能源参与的最 重要的抓手,纯电动汽车自己已经实现零排放。新能源汽车是终端产品,对二次能源发展和进步,又一个很有力度的推手。

纠结纯电动汽车是不是真正的零排放产品的质疑者。笔者观点, 理应把精力放在二次能源生产上如何清洁化上?

纠结纯电动汽车对内燃机汽车,尤其是对内燃机的冲击的担心 者。笔者观点,多思考发展新能源汽车产业,会待带来更多的机会, 如新的就业机会、新的高科技的产生,国家创新能力的提升等。

新能源汽车的发展,目前依然困难重重。内燃机汽车已经主导汽 车发展 100 多年,新能源汽车要真正替代内燃机汽车,还得几十年。 习主席指出“发展新能源汽车是迈向汽车强国的必由之路”,国 务院办公厅关于印发新能源汽车产业发展规划(2021—2035 年)的 通知中强调“坚持纯电驱动战略取向不动摇。”

必由之路是指前往某处必定要经过的道路。中国要成为汽车强 国,发展新能源汽车是必经之路。

不动摇的基本意思是立场坚定、坚定不移。已经选择“纯电驱动 战略”,也就是中国的决定的“弯道”超车,不能碰到困难了,就在 思想上琢磨如何去“换道”

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