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特斯拉,雾霾的解药还是毒药?

文/李然(卡内基梅隆大学)

五年之前,当人们谈到电动汽车时,也许通常联想到的是那些景区里载着游客的低速观光车辆,但自从2012年特斯拉Model S面世以来,其仿佛来自未来的科幻造型和堪比超级跑车的性能与售价,瞬间将家用电动汽车的关注度提升到了一个前所未有的高度。在大洋彼岸的美国,特斯拉成为了追求新潮的年轻富豪们的时尚玩具,而这一潮流也深刻影响到了国内的汽车行业。

借着新能源汽车的政策支持和互联网思维的热度,大批国内企业争相发展自己的电动汽车和混合动力汽车,仿佛电动汽车的风潮可以拯救多年来步履蹒跚的自主汽车品牌。特斯拉这家成立于2003年的硅谷企业在其英文官网上表示其公司致力于创造“零排放”的车辆,而随着特斯拉知名度的不断提升,“零排放”的概念也被传入国内而反复热炒。

从不同城市的PM2.5污染源构成分布来看(见图1),机动车尾气已经实实在在成为了中国城市,尤其是一线特大型城市雾霾问题的重要成因。那么以特斯拉为首的广义新能源汽车是否真的环保,甚至是否真的可以成为中国一线城市沉疴已久的空气质量问题的一剂良药呢?

图1. 不同城市PM2.5污染源构成

尹祥,2016

 

至少现在来看,未必。

电能属于二次能源,需要从一次能源中获取。根据世界银行公布的数据,简要对比中美两国电能的一次能源来源,相对公认的较为清洁的核能和天然气在中国总共只占4%,在美国则近乎一半,而污染排放量相对较大的煤炭发电在中国占到75%,而美国只占39%,而环境影响争议很大的水电在中国发电总量中占18%,在美国只有7% (见图2)。

 

图2. 中美两国发电能源结构对比

世界银行,2012

再对比两国单位发电量的二氧化碳排放,在美国平均每发一度电所产生的碳排放为488.5g CO2/kWh(国际能源署,下文简称IEA,2012),而在中国,每一度电的碳排放为722.5g CO2/kWh(IEA,2012),为美国的1.5倍

接着对比两国单位发电量的污染物排放,根据美国能源部下属的National Renewable Energy Laboratory(下文简称NREL)和中国环保部的环境统计年报的数据(2012),若假设其它的发电方式都不产生排放,则平均每发1度电,中国产生的氮氧化物、二氧化硫和颗粒物分别是美国的1.8、0.5和9.1倍 。

 

图3. 中美两国单位发电量污染物排放对比 

单位:g/kWh,NREL,中国环保部,2012

 

图4. BMW 535i (上),Tesla Model S (下)

BMW 535i
Tesla Model S

以特斯拉的产品Model S P85D 为例,这款电动汽车有着85千瓦时(度)的电池容量,采用7000节笔记本电脑上常用的钴酸锂电芯,官方宣称充满电的情况下可以行驶528公里,而美国环保署(下文简称EPA)的测试数据则为426公里。简单计算一下,一辆特斯拉每行驶100公里需要19.95度电。如果拿传统的燃油汽车来比较,选择体型与价格都与Model S接近的中型轿车BMW 535i来对比,其EPA测试油耗为每100公里11.7 L。如果根据碳排放来对比电动车和燃油车的能耗,根据EPA的核算,在美国每年行驶的535i的平均碳排放为每公里274.8g CO2,一辆Model S在美国行驶的平均碳排放为97.4g CO2/km。在美国,Model S的年平均碳排放比535i低64.5%。而到了中国,由于能源分布不同,这个数字将增加48%,达到144.1g CO2/km。但即便这样,也比传统燃油车低47%之多。这主要由于汽车发动机所搭载的内燃机的热效率通常不超过20%,而热电厂的大型蒸汽轮机的热效率可以轻松突破40%,即便算上10%的线路损耗,和电动机在工作时约75%的效率,其总体效率也远远高于小型内燃机。

 

图5. 特斯拉在中美两国和传统燃油车的碳排放对比 

单位:g/km,EPA,IEA,2012

到目前为止,一切看起来都很美好。

但当我们把目光转向大气污染物的排放,535i的每公里排放0.2g一氧化碳,0.007g烃类,0.006g氮氧化物和0.05g颗粒物。而当我们将NREL和中国环保部的单位发电量污染物排放数据换算成特斯拉Model S行驶每公里的排放,在美国相比535i,Model S的氮氧化物和颗粒物分别是535i的41.5倍和0.2倍,而在中国则分别为76.3倍和1.4倍。显而易见,在温室气体排放中有着明显优势的电动车,在污染物排放上就非常依赖所在地的发电量排放水准。在美国,特斯拉产生了较高的氮氧化物排放和较低的颗粒物排放,还能算是和传统燃油车互有利弊,而到了中国则比传统燃油车在氮氧化物和颗粒物两项上都有更高的排放。而这部分数据,甚至还没有计算电池在生产回收以及折旧过程中造成的环境污染。由此可见,现阶段的电动汽车由于中国固有能源结构的桎梏,对大气污染有着很大的负担。

 

图6. 特斯拉在中美两国和传统燃油车的污染物排放对比

单位:g/km,EPA,NREL,中国环保部,2012

那么以特斯拉为首的电动汽车真就没有环保价值了吗?显然不是,否则以特斯拉CEO马斯克这般对新技术有着敏锐嗅觉的人也就不会在宣传特斯拉的时候大打环保牌了。

首先,在现阶段,绝大多数的电动汽车车主都选择在自己车库中安装特斯拉所提供的充电设施,主要的充电时间都在夜间。夜间电网负载较低,而热电厂由于大型蒸汽轮机巨大的热惯性效应以及电网的抗冲击极限,在夜间通常至少要保持峰值负荷的60%的发电量;但电能不可直接存储,因而这部分的电量的利用率很低。就现阶段电动汽车的保有量而言,短期内的数量增长并不意味着电网的发电量需要有一个明显的增长,也就意味着发电量背后的排污量并不会有一个明显的增长。

再者,受到成本和体积限制,现阶段对于汽车尾气污染物排放的控制除了提高精炼油品的技术之外,能做的只有改进三元催化器,让尾气中的三种主要有毒有害成分CO、NOX和碳黑在被排入大气之前被尽可能反应成无毒或低毒的成分。由于汽车尾气的不可收集性,其污染排放并不能被定义为传统的点源污染,也就无法得到高效的集约化处理。而对于大型热电厂而言,现有的煤炭洗选和烟气脱硫脱硝除尘技术已极为成熟,在未来逐步加强执法监管的情况下,达到短期内热电厂排污量显著下降的成果并没有技术壁垒,至少达到今天西方发达国家的水平并非天方夜谭。

最后,尽管现阶段中国的能源消费结构中,污染物排放量较高的煤炭消费量很大,但这并不意味着未来长期电动车辆的保有量增长所带来的发电量的增长必须由煤炭的消费而提供。相反的,未来电能供需缺口反而成为了推动清洁能源发电的一个契机,如果能够抓住这个契机,用清洁能源的需求来推动能源结构调整,刺激天然气、核能等低排放能源的发展,那把APEC蓝变成常态的目标也许并没有想象的遥远。

就现阶段而言,无论我们是过分地强调以特斯拉为代表的电动车的环保属性,还是基于现阶段的生命周期环境影响评价而怀疑新能源汽车的未来,未免都显得过于草率。作为环境从业人员,我们更应该从浮躁的市场中转过身来,从整个产业链条和未来发展潜能中全面的看待这个问题,毕竟,曾经被认为是清洁能源的风力发电和光伏电池都或多或少的被证明有些盲目跟风的意味。

虽然电动汽车无法就现阶段的环境改善有立竿见影的效果,但这个庞大产业背后蕴藏的是一次人类能源结构升级的契机。在可预见的未来,仅就中国而言,大型火电厂的点源排污标准进一步提升,化石燃料消费中较为清洁的天然气的比重逐步上升,核能的快速发展,意味着单位电能的环境负荷将逐步降低。而电动汽车背后的巨大行业潜力,让推动化学电池能量密度提升以及废旧电池产业级循环利用有了孕育的温床。未来,在充电站内快速模块化更换电池,回收老化的电池送往工厂进行循环利用都将不再是天方夜谭。如果行业效应能够形成,电动汽车的成本能不断降低,也许我们将不再看到排污不达标的车辆冒着黑烟行驶在监管达不到的区域,更多的污染将会被集中在电厂,集中在我们可以有效管控和治理的地方。

十九世纪末的第二次工业革命中,最初看似昂贵低效的电动机最终大量取代蒸汽机而推动生产效率飞跃的故事依旧犹在眼前,今天的能源革命似乎又站在了一个十字路口,而马斯克和他的特斯拉,像是为我们这个时代的人,打开了一扇窥见未来世界的窗,让我们似乎看到了窗后的各种关于人类发展与环境改善的双赢可能。


作者简介

李然,卡内基梅隆大学在读博士

 


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