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在美国加州的高速公路上,一辆装载着新型特斯拉Model 3的汽车运输车。来源:Andrei Stanescu / Alamy Stock Photo。R6HR26
在美国加州的高速公路上,一辆装载着新型特斯拉Model 3的汽车运输车。 信用:安德烈斯坦斯科/ alamy股票照片。
FACTCHECKS
2019年5月13日17:01

filfCheck:电动车如何帮助解决气候变化

Zeke Hausfather.

Zeke Hausfather.

05.13.19.
Zeke Hausfather.

Zeke Hausfather.

13.05.2019 | 5:01pm
filmchecks. filfCheck:电动车如何帮助解决气候变化

更新7/2/2020:修改生命周期排放数据以反映最近的电力碳强度和电池制造数据。

电动汽车是实现全球气候变化目标的重要组成部分。他们突出的功能缓解途径这种限制在低于2c或1.5c以下,这将是一致的巴黎协定的目标。

然而,虽然没有温室气体排放直接来自EVS,但它们在大部分地区的电力上运行,仍然是世界上许多地区的化石燃料生产的电力。必威体育在线注册能源还用于制造车辆 - 以及特别是电池。

在这里,为了回应最近关于主题的误导性媒体报告,碳简介提供了对EVS的气候影响的详细观察。必威手机官网在此分析中,碳简介发现:必威手机官网

  • 在整个欧洲,电动汽车的寿命比传统(内燃机)汽车的排放量要低得多。
  • 在具有煤密集发电的国家,EVS的益处较小,它们可以对最有效的传统车辆进行类似的终身排放 - 例如混合电动模型。
  • 然而,随着国家脱碳发电,以满足其气候目标,驾驶排放将为现有的EVS和制造排放量落下,这是新的电源。
  • 在2019年英国,即使在占汽车寿命期间的发电量下降的碳强度下,每公里驾驶日产叶片EV的终身排放量大约是平均常规汽车的三倍。
  • 电动车辆和常规车辆之间的比较是复杂的。它们取决于车辆的大小,所用燃料经济估计的准确性,如何计算电排放,假设驱动模式,甚至是使用车辆的区域中的天气。没有单一的估计施加到处都适用。

围绕电动汽车电池生产的排放以及不同的研究也存在巨大的不确定性,产生广泛不同的数量。由于电池价格下跌和车辆制造商开始在较大的电池中延长驾驶范围,电池生产排放可能对电动汽车的气候益处产生更大的影响。

电池生产过程中大约一半的排放来自制造和组装电池所用的电力。在电力相对低碳的地区或由可再生能源驱动的工厂生产电池,畅销产品中使用的电池也是如此必威体育在线注册特斯拉模型3,可以大大降低电池排放。

不同的研究得出不同的结果

一个最近的工作文件来自一群德国研究人员,在Thinktank经济研究所(IFO)发现“电动汽车几乎没有帮助在未来几年中削减德国的二氧化碳排放量”。它表明,在德国,“电池电动汽车的二氧化碳排放量在最佳情况下略高于柴油发动机”。

本研究挑选向上在国际媒体中,与华尔街日报为标题的编辑,“德国肮脏的绿色汽车“。它还从电动车辆倡导者那里接受推动,用文章jalopnikAutoblog,以及个人研究人员反驳索赔。

最近在德国进行的其他关于电动汽车的研究得出了相反的结论。一项研究发现电动汽车的排放量比柴油车低43%。另一个详细说:“在所有检查的情况下,电动汽车的终身气候冲击比内燃机的寿命较低”。

这些差异来自研究人员使用的假设。作为教授Jeremy Michalek.的主任。车辆电气化组卡内基·梅隆大学,讲述碳简介,“必威手机官网哪种技术出现在顶部取决于很多东西”。这些包括比较哪些特定车辆,假设有哪些电网混合物,如果边际或平均使用的是电力排放,假设的驾驶模式,甚至天气。

下图,调整来自分析国际清洁运输理事会(ICCT.),表示对生命周期排放量对于典型的欧洲传统(内燃机)汽车来说,混合动力传统汽车具有最好的燃油经济性(a2019 Toyota Prius Eco)和各种国家的日产叶电动车,以及欧盟平均水平。[叶子是最畅销2018年EV在欧洲。

图表包括尾管排放(灰色),排放量燃料循环(橙色)——包括石油生产、运输、炼油和发电——汽车非电池部件的制造排放(深蓝色)和电池制造排放的保守估计(浅蓝色)。

传统和电动汽车(按国家分列)的全生命周期温室气体排放量,以每公里克二氧化碳当量计算,假设车辆在整个生命周期内行驶15万公里。从图1中调整大厅和Lutsey 2018.计算的细节在文章结尾的方法部分。误差条显示了电池制造的一系列排放值。图表由碳简报使用必威手机官网Highcharts

在大多数国家,无论是电动汽车还是传统汽车,其寿命期内的大部分排放都来自于汽车运营——尾气排放和燃料循环——而不是汽车制造。例外的是那些几乎所有电力都来自挪威或法国的国家零碳排放水源,如水力发电或核能。

然而,虽然不能降低燃烧一加仑汽油或柴油的碳,但电力也不是真的。在法国(从核)或挪威(来自可再生能源)等国家(从核)或挪威(从可再生能源)的国家,电动汽车的生命周期排放要小得多。

上面的图表是根据各国当前的电网结构来计算电动汽车排放量的。但是,如果气候目标设定在巴黎协定要满足,发电将变得明显减少碳密集,进一步增加了传统电动车辆的优势。

例如,在英国,发电的排放量已经下降了38%在过去的三年里,预计到2020年代中后期将下降70%以上,这正好在今天购买的电动汽车的寿命范围内。

与电池生产相关的排放量取自最近的(2019)估计IVL瑞典环境研究所.这里分析的日产聆风有40千瓦时(kWh)电池,而特斯拉Model 3有50kWh或75kWh选项(以前可用62khh选项,但是已停止)。

下图显示了型号3的估计生命周期排放,如果电池在亚洲生产 - 这有大部分电力从煤炭产生 - 就像日产叶电池一样。远程75kWh模型用于这种分析,以模仿IFO研究中的方法;中档50kWh模型的电池制造排放量将是左右三分之一。

传统和电动汽车(按国家分列)的全生命周期温室气体排放量,以每公里克二氧化碳当量计算,假设车辆在整个生命周期内行驶15万公里。与上图相同,但使用的是75kWh电池而不是40kWh电池。图表由碳简报使用必威手机官网Highcharts

在这些假设下,特斯拉模型3将具有比德国最佳的传统汽车更高的生命周期温室气体排放,但仍然对普通车辆的气候更好。在其他国家,即使是远程Tesla模型3的排放也会比任何汽油车更低。

然而,特斯拉电池实际上,生产在内华达州对这一计算进行了一个重要的区别。如本文后面讨论的,美国生产的电池的生命周期排放估计往往低于亚洲生产的电池。

在50%左右电池生命周期排放来自电池制造和装配的电力,因此生产由可再生能源提供动力的植物中的电池 - 就像特斯拉工厂一样 - 基本上减少了寿命排放。必威体育在线注册下图显示了与特斯拉生产的电池的Tesla模型3必威手机官网的生命周期排放的碳简介估计值“Gigafactory.“。

传统和电动汽车(按国家分列)的全生命周期温室气体排放量,以每公里克二氧化碳当量计算,假设车辆在整个生命周期内行驶15万公里。与之前的数据相同,但假设电池制造每千瓦时排放61公斤二氧化碳当量,而不是100公斤二氧化碳当量。图表由碳简报使用必威手机官网Highcharts

考虑到制造条件,一个型号3,来自内华达州的75kWh电池,从内华达吉文法产生了显着较小的排放 - 并且具有类似于日产叶的估计的生命周期气候影响。

发电产生的排放在各国内部也会有所不同,有些地区的混合发电比其他地区更清洁(相应地,电动汽车在气候方面的优势也更大)。

上面显示的附图调整传统和电动车辆的排放反映现实世界的驾驶条件而不是测试周期数字。这是重要的,正如官方燃油经济性估算可以不同广泛从现实世界的表现来看,具有较大冲击的传统汽车和电动汽车之间的比较。

偿还碳债务

上图中的分析比较了电动汽车和传统汽车的整个生命周期,基于总计15万公里的行驶里程。

然而,也可以随着时间的推移比较车辆,看看偿还通过生产EVS的碳密集电池组产生的初始“碳债券”需要多长时间。

例如,如上所述,2019年在英国购买的新日产叶片ev会有比平均新传统汽车的三倍的终身排放。

随着时间的推移,在下面的图中,表明,虽然电池在“年零年”中的车辆制造过程中引起更高的排放,但在不到两年的驾驶后,这种多余的碳债将得到回报。

平均新的传统汽车与新日产叶的累计温室气体排放。假设在12年的终身时间上推动了15万公里的寿命吨二氧化碳等同物。基于2019年英国电力碳强度的EV燃料循环排放一年,逐渐改善为2030年的100GCO2 / kWh及以后的目标。图表由碳简报使用必威手机官网Highcharts

上图显示了使用相排放的差异相对较大,EV每年在英国节省大约两到三吨二氧化碳当量。(图随着电力混合物变得清洁),该图随着时间的推移)。

这意味着即使新的EV取代了现有的传统汽车,与继续运行旧车辆相比,它仍将在使用不到四年的使用后缩短排放,如下图所示。

累计温室气体排放新的日产叶与现有的传统汽车,有二氧化碳输出的现有汽车慷慨地假设2019年的平均新车。假设汽车驱动器150,000尽管现有的传统汽车年龄较大,但在此期间,既未更换了一公里,在此期间都没有更换车辆。基于2019年英国电力碳强度的EV燃料循环排放一年,逐渐改善为2030年的100GCO2 / kWh及以后的目标。图表由碳简报使用必威手机官网Highcharts

这种等式将变得更加清晰,这是由于现有的传统车辆具有等于新车的排放的慷慨假设。

请注意,上面的累计寿命排放图表是基于12年15万公里的里程,或大约每年7800英里,这与本文的其余部分一致。

这一数字略高于英国年平均里程,后者有所下降接近7100英里在2017年。然而,即使行驶里程如此之低,用电动汽车取代现有的传统汽车也将在4年多一点的时间内开始减少排放。

有问题的燃油经济性估算

ifo研究提供使用测试循环燃料经济价值而不是真实世界的性能的潜在缺陷的示例。该研究与A的终身排放相比奔驰C 220到新的特斯拉Model 3,考虑到与汽车生产相关的排放。该研究发现,特斯拉在整个寿命期内的排放量为梅赛德斯的90%至125%。

换句话说,尽管它引发了媒体的关注,但即便是ifo也发现,与柴油车相比,电动汽车的表现从略好到略差。

该研究假设梅赛德斯每加仑52英里(MPG)的燃油经济性,这显着高于普通汽车在美国(25MPG为汽油车),但类似于平均燃料经济性在英国(52MPG为汽油车辆和柴油车辆61MPG)。然而,不同的燃料经济性测试程序产生了相当不同的结果。

虽然这一点美国环保署燃油经济性数字往往反映实际驾驶条件,新的欧洲驾驶周期(NEDC)欧盟使用的值夸大实际的车辆燃料经济性高达50%- - -可能更多对于梅赛德斯车辆。

特斯拉模型3能量使用必威体育在线注册在研究中假设(每英里241瓦特小时),相比之下仅比该速度小8%EPA估计实际使用(260瓦时/英里)。对传统汽车使用更现实的燃油经济性估计将对ifo分析结果产生很大影响,使电动汽车选择优于传统汽车。

电池排放量大差异

这俩ifo研究ICCT分析依赖于电池制造的同样的排放估算:2017年的一项研究由瑞典环境研究所(IVL.)。IVL检查2010年至2016年之间发布的研究,并得出结论,电池制造排放可能在电池容量的每千瓦时的150到200公斤二氧化碳中。

IVL审查的大多数研究看着亚洲的电池生产,而不是美国或欧洲。IVL研究还指出,电池技术正在快速发展,并且有很大的潜力可以减少制造排放。

IVL研究符合相当大批评,并在2019年底收到了一个大幅修订.IVL研究人员现在估计电池制造排放实际上是每千瓦时的61到106千克二氧化碳相当于,上限为146千克。当从电池制造使用的能量来自零碳源时,低端估计值为61公斤。必威体育在线注册IVL表明,这种修订是由细胞生产的新数据驱动的,包括在近年来大规模扩大和产出的商业规模电池厂的能源使用的更现实的测量。必威体育在线注册

必威手机官网Carbon Brief自己对文献进行了评估,以找到最近公布的电池制造生命周期排放的估计。下图显示了17项不同研究的数据,包括2017年IVL估计之后发布的7项研究。报告根据电池生产的地区进行了研究:亚洲(红色)、欧洲(浅蓝色)、美国(深蓝色)以及对多个地区(灰色)的评估。

锂离子电池制造生命周期温室气体排放的文献综述,在电池容量的每千瓦时Kg CO2相等。基于制造电池的区域着色。提供时显示错误栏。原本的IVL研究是“Romare & Dahllof 2017”酒吧,而修订了IVL研究包括“Emilsson & Dahllof 2019”。图表由碳简报使用必威手机官网Highcharts

近年来的大多数研究显示了比原始IVL研究中那些小的生命周期排放,平均每千瓦时平均为2017年后的每千瓦时大约100公斤。这些新估计与修订的2019年IVL研究号码良好。.亚洲的制造发射估计通常比欧洲或美国在亚洲更高,反映了该地区的发电煤的广泛使用。直接比较亚洲制造的电池的研究与美国或欧洲的电池发现生命周期排放约为20%的亚洲以外的20%。

许多研究将排放分解为发生的采矿,精炼和其他物料生产,以及电池组装的实际制造过程。这些倾向于发现大约一半的生命周期排放是现场材料生产的结果,并且在制造过程中使用的电力的一半结果。这如下表所示,从2017年IVL报告中获取,该报告分解了组件和制造阶段的生命周期排放。

电池制造的全生命周期温室气体排放量按部件和制造阶段计算,单位是每千瓦时电池容量的千克二氧化碳当量。表19来自roroma & Dahllof 2017。

电池制造的全生命周期温室气体排放量按部件和制造阶段计算,单位是每千瓦时电池容量的千克二氧化碳当量。表19Romare & Dahllof 2017

作为IVL研究注:

“制造业对生产的影响很大……这意味着生产地点和/或电力组合对结果有很大的影响。”

在估计特斯拉位于内华达州的超级工厂(Gigafactory)的电池排放时,这是一个重要的考虑因素。目前Model 3汽车所用的所有电池都是由超级工厂生产的。

特斯拉的超级工厂位于内华达州,该州的电力平均碳强度比美国平均水平低30%左右。如下图所示,内华达州在过去20年里已经逐步淘汰了几乎所有的煤炭发电。

从2001年到2017年,内华达州的发电组合,来自纽约时报。

从2001年到2017年,内华达州的发电组合纽约时报

特斯拉最近开始建设在世界上最大的太阳能屋顶,在其千虫的顶部,这是在加上电池储存时,应提供该设施使用的几乎所有电力。

下图显示了截至2019年4月18日太阳能电池板安装的现状,尽管计划在安装完成时将几乎整个屋顶覆盖太阳能电池板。

特斯拉Gigafactory太阳能屋顶安装于2019年4月18日正在进行中。从Teslarati形象。

特斯拉Gigafactory太阳能屋顶安装于2019年4月18日正在进行中。从图片teslarati.

千兆奇特还建成了重点是能效,在可能的情况下采用材必威体育在线注册料重用。但是,目前尚不清楚与现场电池生产相关的实际能量使用和排放是特斯拉没有发布任何数必威体育在线注册字。

鉴于近年来研究的较低生命周期制造发射估计 - 以及具有相对低碳发电混合物 - 碳结构的状态的制造设施的位置提供了每kWh的61kg二氧化碳等效的估计必威手机官网修订了IVL研究

这与最近的能源经济学研究中心最近的德国电池生产估算(必威体育在线注册固定资产)。FFE发现,如果使用可再生能源生产电池,因此Nevada Gigafactory的目标是每千瓦时跌至62kg二氧化碳必威体育在线注册等价物。

如何以及何时发电很重要

EVS的气候效益不仅取决于使用EV的国家,而且还取决于它的国家的国家。在美国,例如在美国,发电方式差异很大,加州或纽约等地的电力要比美国中部地区清洁得多。

如何计算发电的排放也很重要。虽然许多分析 - 包括本文早些时候的分析 - 利用来自发电的平均排放量,Michalek告诉碳简介,使用这些价值可以产生一些误导性的结果。必威手机官网

Michalek说,使用边缘排放将更准确。这反映了电厂开启的排放,以满足EV充电的新需求。他解释说:

“一些植物,如核,水电,风和太阳能通常充分利用,如果您购买EV,不会改变他们的发电输出。至少在短期内,至少在短期内的变化主要是煤和天然气植物将响应这一新负载而增加。So, if your question is ‘what will be the emissions consequences if I buy an EV versus a gasoline vehicle,’ which I think is the right question for policy, then the answer should use the consequential grid mix (for small changes this is the marginal generation mix) rather than the average. The marginal grid mix typically has higher emissions intensity than the average.”

然而,边际排放是对电动汽车影响的短期估计。随着越来越多的电动汽车进入电网,目前未被利用的天然气和煤炭资源的产量可能会增加,但从长远来看,更多的发电源将上线。

Michalek解释说,采用电动汽车对未来发电厂建设的影响是一个积极的研究领域。

2016年,Michalek和同事发表了一篇论文在《环境研究快报》(Environmental Research Letters)中,我们考虑了一系列因素,包括边际电网组合、环境温度、车辆行驶里程模式和驾驶条件(城市与公路),以便在同一时期对电动汽车和类似的传统汽车进行最准确的比较。

下图显示了他们的结果。在左栏中,最高效的汽油汽车——丰田普锐斯——与一辆全电动汽车——日产聆风——和两辆插电式电动混合动力汽车——雪佛兰伏特和丰田普锐斯插电式混合动力汽车进行比较。右边的一栏显示了同样的分析结果,但针对的是一辆典型的传统汽车——马自达3。如果汽油车的排放量较低,全国的每个县都用红色表示,如果电动汽车的排放量较低,则用蓝色表示。

选定的电动和插电式混合动力汽车(2013年日产Leaf BEV、2013年雪佛兰Volt PHEV和2013年普锐斯PHEV)与选定的汽油车(2010年普锐斯HEV和2014年马自达3)的生命周期排放(每英里二氧化碳当量克数)的差异Yuksel等人2016.

选定的电动和插电式混合动力汽车(2013年日产Leaf BEV、2013年雪佛兰Volt PHEV和2013年普锐斯PHEV)与选定的汽油车(2010年普锐斯HEV和2014年马自达3)的生命周期排放(每英里二氧化碳当量克数)的差异Yuksel等人2016

他们发现,日产叶EV比在中西部地区的各个部分外的类似典型的常规车辆依赖于煤炭以进行边缘排放的相似性。然而,与最有效的传统车辆相比,EV的气候益处在该国的大部分地区接近零或负面。

本研究探讨了当前发电的混合,这可能会在今天运营的车辆的寿命中变得较低。然而,提交人谨慎,平均减排与边缘排放减少之间的关系并不总是明确的。由于边缘排放主要来自化石燃料厂,因此当气体取代煤炭处的煤炭或广泛的电力通过在线时,将出现对EV充电的排放减排将主要发生在线,以满足需求的新低碳发电设施。

没有脱碳的电动汽车'不是灵丹妙药

在美国和欧洲,电动汽车的生命周期温室气体排放量比普通传统汽车大幅减少。在碳简报调查的绝大多数研究中,这是一个一致的发现。必威手机官网

然而,Michalek警告说:

“EVS目前不是气候变化的灵丹妙药......电动车辆的生命周期气动减排可以与最有效的汽油或美国柴油车辆相似。”

由于发电变得较低,碳密集较少 - 特别是在边缘 - 电动车辆几乎所有常规车辆都会成为所有常规车辆。有关汽油和柴油车辆的效率变得有效,而低碳电力和增加的电池制造效率可以降低大部分制造排放,以及几乎所有电力使用来自EVS的电力排放。

从传统的汽油和柴油车辆到EV的过渡起到了很大的作用缓解途径这限制了变暖以满足巴黎协定目标。然而,这取决于发电的快速脱碳是否有效。如果各国不取代煤炭和(在较小程度上)天然气,那么电动汽车仍远不能实现“零排放”。

方法

美国的前三个数字是由Carbon Brief根据美国电网排放因子估算的必威手机官网EPA eGRID 2018修改过铑集团2019年和电力燃料循环的估计Michalek等人2011.误差条反映了电池生产周期的估计,从每kWh (kgCO2e/kWh) 61到146kgCO2e修订2019年IVL研究,其中心范围为61-100kgco2e / kWh。

2019年欧盟平均水平和全国电网排放因子沙袋2020..叶排放基于40kWh电池,燃料经济性估计每100英里26kWh和保守的高端中央估计为电池生产100kgco2 / kWh。

标致208 1.6 BlueHDi使用的原版大厅和Lutsey 2018图是由2019年丰田普锐斯生态混合动力汽车所取代的,这与叶子和型号3的尺寸更加可比,并且拥有任何商业上可用的汽车的最高燃料经济性,每加仑56英里环保署评级-类似于燃料的使用实际驾驶条件

使用燃料经济价值估算3型排放每100英里25度对于长距线75kWh电池型号。假设非电池制造排放与所使用的日产叶子相同ICCT分析.电池内华达Gigafactory排放被认为是在底部的中央IVL研究范围从- 61 kgco2e /千瓦时-基于零碳一代的组合结构,节能措施的广泛使用在制造和现场可再生能源的使用在文章中讨论。必威体育在线注册

Carbon Brief在电池生命周期排放文献综述中使用了以下研究:必威手机官网

菲律宾,M.等。(2019)电动汽车锂离子电池的生态效率:制造国和商品价格对温室气体排放和成本,电池,DOI:10.3390 /电池5010023

Regett, a . et al.(2018)电动汽车的碳足迹——一个更客观的请求,FFE白皮书。

迎接模型(2018)氩气国家实验室的温室气体,监管排放和能源使用。必威体育在线注册

Messagie, m(2017)。电动汽车气候影响的生命周期分析,布鲁塞尔自由大学,交通与环境白皮书。

韩,H.等人(2017)。中国电动汽车锂离子电池生产的温室气体排放,可持续发展,DOI:10.3390 / SU9040504

Romare,M.和Dahlllöf,L.(2017)锂离子电池的生命周期能源消耗和温室气体排放,必威体育在线注册IVL瑞典环境研究所白皮书。

Wolfram,P.和Wiedmann,T。(2017)电气化澳大利亚运输:混合生命周期分析到电动借款车和可再生电力,应用能源,DOI:10.1016 / J.Apenergy.2017.08.219必威体育在线注册

王,y。等。(2017)量化通过生命周期评估,环境科学和污染研究,DOI:10.1007 / S11356-016-7849-9对电动汽车锂丰富的高容量阴极材料对电动汽车的环境影响biwei6868

Ambrose, H.和Kendall, A.(2016)电池化学和性能对电动迁移生命周期温室气体强度的影响。交通运输研究D辑:交通运输与环境,doi:10.1016/j.t trd.2016.05.009

邓恩等(2016)汽车锂离子电池生产与回收的生命周期分析综述,In: Kirchain R.E.等(编著)REWAS 2016。doi: 10.1007 / 978 - 3 - 319 - 48768 - 7 - _11

Ellingsen,L.等人。(2016)大小和范围效果:生命周期温室气体排放电动汽车,环境研究字母,DOI:10.1088 / 1748-9326 / 11 / 5/054010

Kim, H.等人(2016)商业电动汽车锂离子电池的从支架到门的排放:比较分析,环境科学与技术,doi:10.1021/acs.est.6b00830biwei6868

彼得斯,J.等。(2016)锂离子电池的环境影响以及关键参数的作用 - 审查,可再生和可持续的能源评论,DOI:10.1016 / J.RSER.2016.08.039必威体育在线注册

尼尔,R.等人。(2015)从摇篮到坟墓的清洁车,有关科学家联盟白皮书。

Hart,K.等。(2013)将生命周期评估应用于纳米级技术:电动汽车锂离子电池。美国EPA报告744-R-12-001。

Dunn,J.等人。(2012)回收对汽车锂离子电池,环境科学与技术的摇篮到栅极能耗和温室气体排放的影响。biwei6868必威体育在线注册DOI:10.1021 / ES302420Z

Majeau-Bettez, G.等(2011)锂离子的生命周期环境评价

插电式混合动力和纯电动汽车用镍氢电池,环境科学与技术。biwei6868doi: 10.1021 / es103607c

更新6-2-2020:

本文进行了更新,纳入了修订后的2019年IVL研究中的新的电池制造排放值,取代了文章原始版本中使用的2017年IVL研究值。

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