环境科学  2015, Vol. 36 Issue (9): 3515-3521   PDF    
引用本文
林晓丹, 田良, 吕彬, 杨建新. 基于出行服务的纯电动公交车节能减排效益分析[J]. 环境科学, 2015, 36(9): 3515-3521.
LIN Xiao-dan, TIAN Liang, LÜ Bin, YANG Jian-xin. Energy Conservation and Emissions Reduction Benefits Analysis for Battery Electric Buses Based on Travel Services[J]. Environmental Science, 2015, 36(9): 3515-3521.
基于出行服务的纯电动公交车节能减排效益分析
林晓丹1, 田良1,2 , 吕彬3, 杨建新3    
1. 海南大学环境与植物保护学院, 海口 570228;
2. 海南大学旅游学院, 海口 570228;
3. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085
收稿日期: 2014-12-13; 修订日期: 2015-04-08.
基金项目： 中国科学院战略性先导科技专项(XDA05140200)
作者简介：林晓丹(1988~),女,硕士研究生,主要研究方向环境规划与评价,E-mail:danlin1215@126.com
通讯联系人,田良,E-mail:tianliang0606@163.com
摘要：纯电动公交车因行驶阶段零排放而成为城市地面常规公交车的重点发展方向,但是从其全生命周期来看,其实际的节能减排效益受到多种因素影响,仍需综合权衡. 本研究采用生命周期评价方法(LCA),综合考虑公交车载客能力与不同区域的电网发电结构等影响因素,开展纯电动公交车的节能减排效益评价. 结果表明,由于现有纯电动公交车的载客能力较柴油公交车低15%左右,所以选取出行服务作为功能单位能够更合理地核算纯电动公交车的实际节能减排效益. 同时,由于我国不同区域电网的发电结构仍存有较大差异,相对于柴油公交车,不同区域电网结构下发展纯电动公交车所获取的节能减排效益差别较大. 具体而言,纯电动公交车在华北、华东、华中、东北、西北和南方等不同电网结构下的节能效益分别为7.84%、11.91%、26.90%、11.15%、19.55%和20.31%; 除华北电网由于煤电占比较高无减排效益外,其余电网结构下发展纯电动公交车所获取的综合减排效益分别为3.46%、26.81%、1.17%、13.74%和17.48%. 因此,发展纯电动公交车时,建议将提高纯电动公交车的载客能力作为技术研发的重点,同时充分考虑不同电网发电结构对纯电动公交车的环境影响,合理进行发展规划.
关键词： 生命周期评价方法     出行服务     纯电动公交车     节能效益     综合减排效益    
Energy Conservation and Emissions Reduction Benefits Analysis for Battery Electric Buses Based on Travel Services
LIN Xiao-dan1, TIAN Liang1,2 , LÜ Bin3, YANG Jian-xin3    
1. College of Environment and Plant Protection, Hainan University, Haikou 570228, China;
2. College of Tourism, Hainan University, Haikou 570228, China;
3. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China
Abstract: Battery Electric Bus (BEB) has become one of prior options of urban buses for its "zero emission" during the driving stage. However, the environmental performance of electric buses is affected by multi-factors from the point of whole life cycle. In practice, carrying capacity of BEB and power generation structures can both implement evident effects on the energy consumption and pollutants emission of BEB. Therefore, take the above factors into consideration, in this article, Life Cycle Assessment is employed to evaluate the energy conservation and emissions reduction benefits of BEB. Results indicate that, travel service is more reasonable as the functional unit, rather than mileage, since the carrying capacity of BEB is 15% lower than the diesel buses. Moreover, compared with diesel buses, the energy conservation and emissions reduction benefits of battery electric buses are all different due to different regional power structures. Specifically, the energy benefits are 7.84%, 11.91%, 26.90%, 11.15%, 19.55% and 20.31% respectively in Huabei, Huadong, Huazhong, Dongbei, Xibei and Nanfang power structure. From the point of comprehensive emissions reduction benefits, there is no benefit in Huabei power structure, as it depends heavily on coal. But in other areas, the comprehensive emissions reduction benefits of BEB are separately 3.46%, 26.81%, 1.17%, 13.74% and 17.48% in Huadong, Huazhong, Dongbei, Xibei and Nanfang. Therefore, it suggests that, enlargement of carrying capacity should be taken as the most prior technology innovation direction for BEB, and the grids power structure should be taken into consideration when the development of BEB is in planning.
Key words: life cycle assessment     travel service     battery electric bus     energy conservation benefits     emissions reduction benefits    

近年来，随着我国城市公交行业的快速发展，城市公交车拥有量增长迅速，运营数量由1990年的6.2万辆增长到2010年的38.3万辆，20年增长率高达517.74%[1]，其背后带来了城市客运出行能耗及环境污染物排放的迅速增长. 发展新能源公交车是削减城市公共交通环境影响的有效手段，其中纯电动车是解决当前城市交通环境问题的重要车型[2, 3, 4]. 纯电动公交车的动力源于电池存储的电能，行驶阶段属于“低能耗、零排放”，然而电力生产过程，特别是当前我国以燃煤为主的火力发电过程大量消耗资源能源和排放SO2、NOx和PM等污染物. 因此，从生命周期角度来看，纯电动公交车并非实现真正的“零排放”，并且不同发电结构可能将对纯电动公交车的环境表现产生显著影响.

由于公交车的本质是提供出行服务，若选择单位里程作为功能单位，难以体现不同类型公交车之间的服务功能差异和环境表现差异. 所以，选择更符合车辆实际运营情况的功能单位进行比较，将能更加准确真实的反映纯电动公交车的环境表现. 此外，当前针对纯电动公交车生命周期环境影响的研究均主要围绕能耗及温室气体排放的定性或定量分析[5, 6, 7, 8, 9]，较少关注其他类型的环境污染物，例如CO、NOx和PM等.

因此，本研究拟采用生命周期评价方法，以“一定量的出行服务”作为功能单位，核算纯电动公交车生命周期不同阶段的能耗及多种污染物的排放. 同时结合我国华北、华东、华中、东北、西北和南方等不同电网结构进行多种情景比较，核算纯电动公交车的全生命周期能耗及排放，评价不同能源发电结构下的纯电动公交车的节能减排效益，以期为不同区域纯电动公交车的发展规划提供科学的支持和参考借鉴.

1 材料与方法 1.1 研究范围及数据来源 1.1.1 研究对象

本研究选取的研究对象类型为由磷酸铁锂电池供电的纯电动公交车及传统的柴油公交车，均为12 m长公交车，该类车型占据到全国运营公交车总量的60%以上[10]，是全国大中城市主干线路的重点车型. 用于采集数据的具体产品为2012年全国销售量第一的某品牌城市客车，其市场占有率达28%[11]，各车型的整备质量、额定载客量等技术参数均参考公交车出厂公共技术参数[12].

1.1.2 系统边界

研究范围包括车辆原材料生产、零部件制造及装配、运输分销、车辆行驶、燃料及电能生产等5个阶段(图 1). 因基础设施(公交车站等基础设施、能源生产基础设施等)建立后运行的年限较长[9]，分配至单辆车的生命周期环境影响较小，因此本研究不将其列入评价范围. 此外，鉴于当前我国纯电动公交车尚未规模化进入报废阶段，报废处理工作尚不规范，数据可得性较差，同样未列入评价范围.

图 1 系统边界 Fig. 1 System boundary
1.1.3 功能单位

功能单位是进行产品或系统生命周期环境影响评价的重要度量单位，其目的在于提供标准化的输入和输出数据，并确保评价结果可以进行比较，合理的功能单位更能体现评价结果的客观性和准确性.

当前关于电动汽车环境影响的多数研究中，选取的功能单位一般为单辆车或里程[6, 7, 8, 9, 13]. 而本研究认为公交车的基本功能是为乘客的出行提供服务，选取出行服务量(人 ·km)作为功能单位更为合理.

因此,本研究选取满足10 000人·km的日出行服务(日有效生产率)作为功能单位.其中,日有效生产率是指一辆车在1 d内所能完成的客运周转量,即交通运输工具1 d内乘客的数量与出行距离的乘积.

1.1.4 数据来源

基础数据收集是开展生命周期清单分析及影响评价的前提条件. 本研究的基础数据来源主要包括：国内某汽车企业生产数据、PE-Gabi数据库、Ecoinvent2.1、统计年鉴以及其他公开发表的研究数据，详见表 1.

表 1 生命周期数据来源 Table 1 Data source of life cycle

纯电动汽车生命周期环境影响的大小主要随能源发电结构而变化. 中国各个区域电网的能源发电结构存在显著差异[20]，如表 2所示. 因此，本研究将依据我国6大区域电网结构针对纯电动公交车的生命周期环境影响设置对比情景分析. 其中，火力发电主要包括燃煤、燃油和燃气等类别，本研究根据中国电力行业统计资料以及每一区域电网的能源消耗情况将火力发电比重折算成燃煤、燃油和燃气这3个类别.

表 2 2010年全国不同区域电网能源发电结构/% Table 2 Power generation structure in different regions in 2010/%

由于柴油公交车生命周期能耗和排放强度在一定时空间内是相对稳定的，因此，本研究取全国平均值进行分析. 此外，行驶阶段的柴油公交车和纯电动公交车的能耗值分别取平均值0.4 L ·km-1和1 kW ·h ·km-1.

1.2 评价工具及方法

本研究应用德国PE公司开发的生命周期环境影响评价软件Gabi6进行建模，并开展纯电动公交车出行服务的生命周期能耗及(CO2、CO、NOx、SO2、PM)排放评价.

同时，通过针对生命周期物质输入输出清单的分析，选取上述能耗及排放指标，与柴油公交车进行对比分析，评估在完成相同出行服务量时所能获取的节能减排效益. 相应的核算方法为：

式中，ECij为第i发电区域纯电动公交车在满足一定出行服务所获取的第j类节能减排效益； Edj为柴油公交车在满足一定出行服务所产生的第j类能耗或排放； Eeij为第i区域发电结构纯电动公交车在满足一定出行服务所产生的第j类能耗或排放； 其中，i表示全国平均电网或不同区域电网(华北、华东、华中、东北、西北、南方)； j表示能耗或(CO2、CO、NOx、SO2、PM)排放等6类影响指标.

1.3 生命周期参数分析

评价城市公交车出行服务的生命周期环境影响，需要确定满足一定出行服务量所需的公交车服务数量和服务里程，以及确定环境负荷系数来合理量化车辆原材料生产、零部件制造及装配和运输分销等阶段的实际环境影响.

满足一定出行服务所需公交车的服务数量为：

式中，N为在一定时间内，满足一定出行服务量所需公交车的出行服务数量(辆)； X为在一定时间内，满足一定出行的服务量(人 ·km)； l为一定时间内，公交车的出行服务运营里程(km)； a为平均满载系数； p为公交车的额定载客量(人).

满足一定出行服务所需公交车的服务里程为：

式中，L为一定时间内，满足一定出行服务量公交车所需运营的服务里程(km)； X为在一定时间内，满足特定出行的服务量(人 ·km)； p为公交车的额定载客量(人)； a为平均满载系数.

生命周期环境影响负荷系数为：

式中，∂为生命周期环境负荷系数； s为在一定时间内，公交车的运营服务里程(km)； S为(公交车/磷酸铁锂电池)在使用寿命内完成报废的运营里程(km).除了当前锂电池技术寿命较短外(生命周期报废里程仅为13万km)[6,9]，本研究假设当前公交车的其他部件报废里程可达到机动车的报废里程(40万km).

根据商务部最新机动车报废标准[21]，可得城市公交客车的报废里程为40万km. 根据城市公交行业管理规范，结合调研[22, 23, 24]，假设当前城市公交车平均满载系数(a)为0.5. 当前中国城市公交车的年均运营里程约为70 000 km[25]，即日平均运营里程(s)为195 km. 根据平均满载系数为有效载客量与额定载客量的比值可测算各型公交车的有效载客量(Q)，日出行服务(W)则通过有效载客量(Q)与日均出行服务里程(s)的乘积求得. 因此，结合公式(2)~(4)可整理纯电动公交车和柴油公交车在满足10 000人 ·km日出行服务的相关参数(表 3).

表 3 各型公交车在满足10 000人 ·km的日出行服务参数1) Table 3 Travel service parameters of 10 000 passenger-kilometer per day of different buses
2 结果与分析 2.1 生命周期不同阶段能耗及排放

结合生命周期清单数据，核算全国平均电网发电结构下的纯电动和柴油公交车在满足相同出行服务时的生命周期不同阶段的能耗及排放强度(图 2).

图 2 纯电动和柴油公交车生命周期不同阶段能耗及排放 Fig. 2 Energy consumption and emissions of battery electric buses and diesel buses in different the life cycle stages

由图 2可知，燃料生产是纯电动公交车的主要生命周期阶段，占据78%~92%； 其次为原材料生产阶段和零部件制造及装配阶段，分别占据2%~16%和4%~16%，运输及分销阶段环境影响较小，低于1%. 柴油公交车除SO2外，其他能耗及排放主要产生于车辆行驶阶段，占据60%~90%左右，其次为原材料生产阶段，占据2%~25%，燃料生产阶段占据6%~20%； SO2主要产生于燃料生产阶段，占49.23%，车辆行驶阶段占27.72%，SO2原材料生产阶段占19.48%； 零部件制造及装配阶段和运输分销阶段环境影响较小，不到3%.

由图 2同样可知，纯电动公交车在能耗、CO2、CO和NOx等的减排效果较好，主要原因可能在于柴油公交车行驶过程大量消耗化石能源和排放CO2、CO和NOx等气体，使得柴油公交车全生命周期能耗、CO2、CO和NOx排放均高于纯电动公交车. 同样地，由于电能生产过程排放大量SO2和PM，造成纯电动公交车全生命周期SO2和PM排放远高于柴油公交车，不具减排效益.

此外，结合参数分析可知，纯电动公交车在车辆原材料生产、零部件制造及装配和运输分销阶段的总能耗及排放均高于柴油公交车. 究其原因在于纯电动公交车的载客能力较柴油公交车低15%左右，在完成相同的出行服务需求时所需车辆运营服务数量较多. 因此，开展纯电动公交车载客性能技术研发以提高载客能力对实现节能减排不容忽视.

2.2 不同区域电网结构下的节能减排效益

结合中国6大区域电网结构分别核算不同能源发电结构下发展纯电动公交车在满足10 000人 ·km出行服务的能耗及排放强度(表 4和表 5).

表 4 纯电动和柴油公交车全生命周期能源消耗 Table 4 Energy consumption of battery electric buses and diesel buses in the whole life cycle

表 5 纯电动和柴油公交车生命周期环境排放 Table 5 Environmental emissions of battery electric buses and diesel buses of the whole life cycle
2.2.1 全生命周期节能效益

由表 4可知，相对于柴油公交车，不同电网结构下发展纯电动公交车均具有不同程度的全生命周期节能效益. 其中，华中地区发展纯电动公交车所产生的全生命周期能耗最低，节能效益达26.92%； 其次为南方、西北地区，分别为20.31%、19.55%； 华东、东北和华北地区的节能效益较差，究其原因主要在于当前我国于华东、东北和华北地区电网发电结构的火力发电占比高于华中、南方和西北地区.

2.2.2 全生命周期污染物减排效益

由表 5可知，在满足10 000人 ·km出行服务时，当前华北电网结构下发展纯电动公交车以替代柴油公交车出行未能获得CO2减排效益，而华东、华中、东北、西北和南方电网结构下发展纯电动公交车均能获取不同程度的CO2减排效益. 同样地，不同发展区域提倡纯电动公交车替代柴油公交车出行均能产生更少的CO和NOx排放，特别是华中地区因能源发电结构相对较好，相应CO和NOx的减排效益分别可达43.34%和36.24%. 然而当前全国不同发展区域的能源发电结构仍主要以火力发电为主，使得各个区域发展纯电动公交车的SO2和PM排放均远高于柴油公交车，基于全生命周期视角下纯电动公交车完全没有SO2和PM减排效益.

2.3 生命周期污染物排放综合评价

各种产品或服务在生命周期过程都将产生能耗及排放，而且污染物排放是一个多指标的评价问题，在对比不同类型(纯电动和柴油)公交车出行的污染物排放指标时，均有可能存在优势与劣势，难以确定哪一车型更有利于减少污染物排放. 因此，本研究通过归类、特征化、归一化加权等步骤进行生命周期污染物排放综合评价.

首先，将清单分析所得到的上述主要大气污染物排放归类到相应的环境影响类别；其次，结合特征化因子折算并累加一起算出环境影响潜值，如生命周期中各种温室气体(CO2和CH4等)可折算成CO2当量并累加为全球变暖，酸化包括SO2和NOx，光化学烟雾包括NOx、CH4和CO，烟尘粉尘为PM，本研究的特征化核算由Gabi6软件执行； 最后，针对特征化结果进行归一化加权，算出纯电动公交车和柴油公交车的全生命周期综合环境影响潜值并进行比较. 本研究归一化与加权参考文献[26, 27]构建了大气污染物环境影响当量指标，并按照各当量物质的价格确定相应的权重针对当前主要大气污染物排放进行综合评价. 相应地全球变暖、酸化、光化学烟雾和烟尘粉尘的价格权重分别为0.8%、4.6%、93.5%和1.1%.

因此，通过以上步骤可核算出不同电网结构下的纯电动和柴油公交车的生命周期综合环境影响潜值(表 6).

表 6 不同电网结构的生命周期综合环境影响潜值/g Table 6 Comprehensive environment impact potentials of life cycle under different power structures/g

由表 6可看出，在不同电网结构下，纯电动公交车全生命周期综合环境影响潜值与能耗强度基本相似. 除华北地区外，其他区域发展纯电动公交车以替代柴油公交车出行在综合减排效益方面均有优势. 其中，华中地区因发电能源结构较为完善，相应的综合减排效益最好，可以兼顾充电基础设施的发展情况，积极推广纯电动公交车； 而华北地区在能源发电结构达不到其他区域电网结构的水平时，尚不应积极推广纯电动公交车.

2.4 不确定性及敏感性分析

平均满载系数是核算公交车出行服务环境影响的一个关键参数，其数值的变动对公交出行服务质量存在较大影响，且各区域之间具有差异. 因此，以纯电动公交车的生命周期节能效益为例，进行平均满载系数的不确定性及敏感性分析. 当平均满载系数分别变化±10%时，各个区域电网结构下的纯电动公交车生命周期节能效益如表 7所示.

表 7 平均满载系数的不确定性分析/% Table 7 Uncertainty analysis of the average load factor/%

由表 7可知，虽然平均满载系数是影响公交出行服务质量的关键参数，但对本研究评价纯电动公交车生命周期节能减排效益不存在显著影响. 因此，本研究选取的公交车平均满载系数对本评价目标是合理可行的.

3 讨论

本研究通过模拟当前纯电动公交车的实际出行状况，基于生命周期的两个关键影响因素，与柴油公交车的能耗及排放进行对比分析. 如载客能力的高低直接影响所需的公交车辆数和公交运营里程，进而影响全生命周期的能耗及排放； 能源发电结构的优劣直接影响电能生产阶段的能耗及排放.

通过文献[6, 7]对我国纯电动公交车的碳排放进行研究，结果表明，基于运营里程的视角下，纯电动公交车的减排效果优于本文的研究结果. 原因主要有两点：其一该研究重点考虑燃料生产和车辆行驶阶段的碳排放，而本研究同时考虑了车辆原材料生产、零部件制造及装配等阶段，且纯电动公交车在车辆原材料生产、零部件制造及装配等阶段的能耗和碳排放强度均高于柴油公交车的相应生命周期阶段； 其二本文以出行服务作为功能单位，同时考虑了公交车的服务数量和服务里程，造成行驶过程所减少的碳排放被车辆生产过程多产生的碳排放所抵消.

已有研究主要以全国平均电网结构对城市纯电动公交车进行生命周期节能减排效果评价[6,7]，并以此作为纯电动公交车在全国各大城市推广的参考依据. 当前中国各大区域电网发电结构存在显著差异因此，较全国平均电网的核算结果，基于各个区域电网发电结构核算纯电动公交车的生命周期节能减排效益可能更具准确、科学的参考价值.

此外，因本研究的重点是基于当前的实际情况评价纯电动公交车的节能减排效益，重点考虑了载客量和不同能源发电结构两个关键影响因素，然而影响城市公交车运行过程节能减排的实际参数还有多个，例如运速和加载空调运营情况，鉴于公交车运行过程模拟设置和数据收集的耗时和难度，本研究尚未针对后两个参数进行探讨.

4 结论及建议

(1)在满足相同出行服务时，虽然纯电动公交车行驶阶段“低能耗、零排放”，但电能生产为纯电动公交车的生命周期的主要能耗及排放阶段，其值可达燃油公交车行驶阶段的能耗及排放强度.

(2)由于本研究选取一定出行服务量为功能单位，需要同时考虑公交车出行的服务数量和服务里程，因当前纯电动公交车的载客能力低于柴油公交车，造成车辆行驶过程所产生的节能减排效益受到部分抵消.

(3)华北、华东、华中、东北、西北和南方等不同区域电网结构下，发展纯电动公交车替代柴油公交车均具有较好的节能效益，分别可达7.84%、11.91%、26.90%、11.15%、19.55%和20.31%.

(4)相对于柴油公交车，纯电动公交车在单独比较CO2、CO、NOx、SO2和PM等主要污染物减排上均存有优势与劣势. 通过比较污染物综合减排效益发现，除华北地区不存在减排效益外，华东、华中、东北、西北和南方地区发展纯电动公交车均具有不等的减排效益，分别为3.46%、26.81%、1.17%、13.74%和17.48%.

(5)建议应加强纯电动公交车的载客技术研发，提高有效载客能力以加大纯电动公交车的节能减排空间. 同时，应结合华北电网结构的改造升级，合理有序地发展纯电动公交车； 其他地区，则可加快向纯电动公交车方向转型.

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