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原文信息
原文标题:Emissions of electric vehicle charging in future scenarios: The effects of time of charging
原文作者(*通讯):Anders Arvesen*, Steve Völler, Christine Roxanne Hung, Volker Krey, Magnus Korpås, Anders Hammer Strømman
作者单位:挪威科技大学、奥地利国际应用系统分析研究所
关键词:电力情景、温室气体排放、产业生态学、综合评估模型、生命周期评价、电力系统模型
刊载信息:2021年,第25卷第5期,第1250-1263页
原文链接:https://doi.org/10.1111/jiec.13144
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原文摘要
Electrification of transport is an important option to reduce greenhouse gas emissions. Although many studies have analyzed emission implications of electric vehicle charging, time-specific emission effects of charging are inadequately understood. Here, we combine climate protection scenarios for Europe for the year 2050, detailed power system simulation at hourly time steps, and life cycle assessment of electricity in order to explore the influence of time on the greenhouse gas emissions associated with electric vehicle charging for representative days. We consider both average and short-term marginal emissions. We find that the mix of electricity generation technologies, and thus, also the emissions of charging, vary appreciably across the 24-h day. In our estimates for Europe for 2050, an assumed day-charging regime yields one-third-to-one-half lower average emissions than an assumed night-charging regime. This is owing to high fractions of solar PV in the electricity mix during daytime and more reliance on natural gas electricity in the late evening and night. The effect is stronger during summer months than during winter months, with day charging causing one-half-to-two-thirds lower emissions than night charging during summer. Also, when short-term marginal electricity is assumed, emissions tend to be lower with day charging because of contributions from nuclear electricity during the day. However, the results for short-term marginal electricity have high uncertainty. Overall, our results suggest a need for electric vehicle charging policies and emission assessments to take into consideration variations in electricity mixes and time profiles of vehicle charging over the 24-h day.
摘要 翻译
交通工具的电气化是减少温室气体排放的一个重要选择。尽管许多研究已经分析了电动汽车充电的排放影响,但对特定充电时间排放的影响的理解还不够充分。在此,我们将2050年欧洲气候保护情景、每小时的详细电力系统模拟和电力生命周期评价结合起来,以探索时间对电动汽车充电相关的温室气体排放的影响。同时我们还考虑了平均排放和短期边际排放。我们发现发电技术的组合以及充电的排放量在一天24小时内有明显的变化。在我们对欧洲2050年的估计中,假设的日间充电制度产生的平均排放量比夜间充电制度低三分之一到二分之一。这是由于太阳能光伏发电在白天的电力组合中占比很高,而夜间则更依赖天然气发电。夏季时这种影响比冬季更明显,夏季日间充电的排放量要比夜间充电低二分之一到三分之二。另外,当假设短期边际电力时,由于白天核电的贡献,日间充电的排放量往往较低。然而,短期边际电力的计算结果具有高度的不确定性。总而言之,我们的研究结果表明电动汽车充电政策和排放评估需要考虑到24小时内的电力组合情况和车辆充电的时间分布的变化。
论文导读
根据气候稳定方案,从燃烧石油的交通工具转向以由气候友好型电力为驱动的交通工具是一项重要战略。了解当前和未来与电动汽车充电相关的排放是制定有效电气化战略的关键组成部分。近年来,诸多研究人员从不同的角度使用不同的数据探索研究了汽车充电的各个方面,但在大地理范围和高时间分辨率进行的研究很少考虑在未来能源组合发生变化的情况下电动汽车电力的直接和间接排放。为此,作者探讨了在两种气候保护方案下2050年欧洲电动汽车充电的温室气体排放情况。为深入了解未来电力组合情景下充电时间对充电排放的影响,作者在不考虑额外复杂性的情况下对三种充电情况(原文图2)的排放进行了量化。
原文图2:三种充电情况下电动汽车每小时充电负荷:(a)均衡充电;(b)日间充电;(c)夜间充电
综合评估模型MESSAGE中的具体过程情景构成了本研究的评估框架,提供了包括核能和热能的装机容量、风能水能和太阳能的年发电量、天然气石油和生物质燃料价格、碳价格以及研究地区的总体和运输部门的电力需求在内的关键参数值。FULLTECH-450-OPT方案(简称“FULLTECH”)是一个默认情景,假设技术完全可用,特别是包括大量部署天然气发电以及碳捕获和封存(CCS)。第二种情景,NoCCS-450-OPT(简称“NoCCS”)排除了在电力部门使用CCS。在MESSAGE提供的情景框架内,作者采用详细的电力系统优化模型EMPS来确定欧洲电力系统全年的每小时运行和平衡。
原文图3: EMPS建模的欧洲电力系统示意图
结果表明,一天24小时内的发电技术组合差异巨大。日间太阳能光伏发电的比例较高,同时天然气发电的比例较低、水电的比例也较低。由于太阳能光伏发电的排放强度相对较低,且其在日间占主导地位,2050年欧洲的平均发电组合在日间的排放强度明显降低。在平均电力的情况下,使用太阳能光伏电力从大到小排列为日间充电>均衡充电>夜间充电,而在使用化石气体电力上,夜间充电>均衡充电>日间充电。
原文图4: 2050年FullTech (a) 和 NoCCS (b) 情景下平均发电量的小时构成
原文图5: FullTech和 NoCCS情景下全年平均24小时平均发电量的每小时温室气体排放强度: (a)以消耗为基础的电力; (b) 以生产为基础的电力
原文图6:2050年低收入国家平均24小时平均发电量的每小时温室气体排放强度
原文图7:两种情景(FullTech, NoCCS)、三种车辆充电模式(均衡、日间、夜间)和两种电力核算方法(平均电力、边际电力)下电动汽车充电的每小时发电量贡献
原文图8:2050年欧洲电动汽车温室气体排放总量
研究表明,不同的电动汽车充电情况的排放强度有很大差异。日间充电的排放量最低,为122g CO2e kWh−1 (19g CO2e km−1) (FullTech)或75g CO2e kWh-1 (12g CO2e km−1) (NoCCS),比均衡充电低22%/36%,比夜间充电低34%/52%。由于两种情景中无碳捕捉的天然气、有碳捕捉的天然气和核能的不同作用,在计算平均电力时NoCCS排放量低于FullTech,而在计算边际电力时情况则正好相反。
本研究首先结合气候稳定情景,在整个气候变化缓解政策背景下定义了电力系统的综合特征;其次,构建了详细的电力系统模型,确立了每小时时间分辨率的能源平衡并考虑了天气的年际变化,同时通过面向未来的生命周期分析量化了电力的直接和间接排放。电力系统的设计和运行是复杂的,为政策决策提供信息将需要来自电力系统和车辆充电的多项研究的累积证据,本研究就是其中之一。
编者简介
内容:张怡 | 排版:蔡宇昂| 审校:高鉴 牛子帆
张怡,浙江大学环境与资源学院研究生,师从徐向阳教授;研究方向:生命周期评价。
蔡宇昂,沈阳农业大学土地与环境学院硕士研究生,师从刘鸣达教授;研究方向:农业面源污染防治,生命周期评价等。
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