Выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла: электромобили и автомобили с двигателем внутреннего сгорания

Продвижение электромобилей в дорожном транспорте наряду с продвижением новых возобновляемых источников энергии (НВИЭ) в электроэнергетике является основным направлением энергетического перехода. С 2019 г. электрификация легкового дорожного транспорта ускорилась, продажи легковых электромобилей в абсолютном выражении выросли в 6.6 раз в 2019–2023 гг. и превысили 13.8 млн единиц в 2023 г., в 2024 г. продажи достигли 17.1 млн единиц (рис. 1). Основными рынками остаются Китай, Европа и США, на них приходится 93% глобальных продаж легковых электромобилей, при этом только на Китай – больше половины. В Европе в 2024 г. продано около 3.2 млн электромобилей – меньше, чем годом ранее, что связано с прекращением субсидирования покупок в Германии в декабре 2023 г. и сворачиванием государственной поддержки в Норвегии: с января 2023 г. владельцы электромобилей должны платить дорожный налог, а налоговые льготы для дилеров были уменьшены. Несмотря на введение национальной системы торговли выбросами в Германии, охватывающей нефтепродукты в транспортном секторе, где цена тонны СО₂ достигла 45 долл. США в 2024 г. 1, электромобили пока остаются неконкурентоспособными без стимулирующей государственной поддержки.

Источник: составлено автором по данным МЭА, а также evboosters.com.

Проблематика оценки выбросов парниковых газов (ПГ) высокоактуальна из-за быстрого роста рынка электромобилей и политики государственных регуляторов по построению низкоуглеродной парадигмы экономического роста. Большое количество исследований посвящено оценке эмиссии ПГ в течение жизненного цикла аккумуляторных батарей (обзор работ представлен в 2), при производстве электромобилей и автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) и их эксплуатации в Китае (обзор работ см. в 3 4), Индии 5 и Европе (см. 6). Обзор самых современных исследований представлен в работах 7 8. Оценка выбросов парниковых газов с учетом прогнозов по изменению структуры электрогенерации для крупнейших стран мира в 2030 г. проведена в 9.

Общий вывод исследований: производство электромобиля связано с бóльшими выбросами ПГ, чем традиционного автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, что вызвано высокой энерго- и углеродоемкостью производства аккумуляторов, добычи и производства металлов, из которых они состоят. Компенсировать выбросы парниковых газов можно только за счет меньшей, чем у нефтепродуктов, углеродоемкости генерации электроэнергии. В европейских странах из-за продвижения низкоэмиссионных источников (в первую очередь НВИЭ) выбросы в электроэнергетике достаточно низкие (особенно в Норвегии), чтобы компенсировать эмиссии ПГ при производстве аккумуляторной батареи. В Китае выбросы парниковых газов при использовании электромобилей в настоящее время выше, чем автомобилей с ДВС. Но с учетом прогноза изменения структуры электрогенерации даже в КНР выбросы у электромобилей без учета утилизации батареи окажутся на 37% ниже, чем у автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Выбросы при производстве малоразмерных электромобилей меньше (они вырастают нелинейно быстро при увеличении размера батареи), чем у среднеразмерных автомобилей с ДВС. С учетом меньшего расхода электроэнергии при маленькой аккумуляторной батарее выбросы у электромобилей будут меньше и при сравнительно высокой доле угольной генерации в Китае в целом (с утилизации 4) или в отдельных китайских провинциях 10. Исследования в Бразилии показали, что из-за использования этанола автомобили с гибким выбором топлив (Flexible Fuel Vehicles) производят меньше выбросов ПГ в течение жизненного цикла, чем электромобили даже при низкоэмиссионной электрогенерации 11.

Подавляющее большинство исследований традиционно предполагает, что автомобиль используется 8–10 лет (совокупный пробег 150 тыс. км) 7, но в развитых странах средний срок эксплуатации автомобиля быстро увеличивался последние десятилетия, так, в США он вырос с 8 лет в 1995 г. до 13 лет в 2022 г. Целесообразно рассмотреть и вариант более длительной эксплуатации – с пробегом до 200 тыс. км, но в таком случае выбросы парниковых газов будут больше, так как потребуется замена и утилизация аккумулятора. Утилизация включает разборку автомобиля и аккумулятора и переработку материалов. Затраты электроэнергии (а значит, и выбросы) на разборку электромобиля и традиционного автомобиля примерно равны 10, а затраты электроэнергии, угля и природного газа на переработку материалов аккумулятора сильно зависят от его типа и метода переработки. На смену доминирующему литий-никель-марганец-кобальт-оксидному аккумулятору приходит литий-феррофосфатный, быстро развиваются натрий-ионные и твердотельные аккумуляторы.

Сравнение выбросов необходимо проводить для идентичных по техническим характеристикам автомобилям, например VW Golf и eGolf 6, но для большинства электромобилей таких аналогов нет. Более того, по важнейшему параметру – среднему пробегу на одной зарядке – электромобили значительно уступают традиционным автомобилям. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), в 2019–2023 гг. средний пробег электромобилей увеличился всего с 297 до 338 км, что меньше и желаемого покупателями значения, и среднего пробега автомобиля с двигателем внутреннего сгорания (рис. 2). В 4 сравниваются BYD Qin: электромобиль с пробегом на одной зарядке до 90 км и автомобиль с запасом хода до 800 км, в 10 BYD Qin с пробегом до 90 км и Volkswagen Lavida с запасом хода до 845 км. Решением проблемы сравнения по техническим характеристикам может быть использование специальных интегральных показателей, как например, в 12. В этом исследовании показано, что в Норвегии трендовый показатель выбросов парниковых газов при использовании электромобилей ниже, чем для электромобилей, а в Великобритании они совпадают.

Источник: составлено автором по данным МЭА, McKinsey и Всемирного экономического форума.

Методология опирается на алгоритм, предложенный 12: автомобили сравниваются по интегральному показателю и выбросам в течение жизненного цикла. В качестве интегрального показателя технических характеристик автомобилей для исследования был выбран SRPR (Square Root of Power and Range), учитывающий мощность двигателя и запас хода (критичный для покупателей электромобилей) 12:

                                                                                    (1)

где SRPR_i – Square Root of Power and Range автомобиля i, Power_i – мощность двигателя, Range_i – средний пробег на одной зарядке/заправке.

Характеристики автомобилей, анализируемых в исследовании представлены в табл. 1.

Источник: составлено автором по данным 12, drom.ru (для VW Golf Petrol).

Автомобили сравниваются по удельным выбросам ПГ автомобилем в расчете на один км пробега (2). Выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла рассчитываются как сумма выбросов при производстве, эксплуатации автомобиля (при сжигании нефтетоплив/генерации электроэнергии), замене аккумулятора и утилизации (3).

EmissionPerKm_ij=TotalEmissions_ijRange_i                                                        (2)

TotalEmissions_ij=ProductionEm_i+FuelEm_ij+ReplacementEM_i^BEV

+MaintenaceEm_i^ICEV+UtilisationEm_i                                                               (3)

FuelEm_ij=Range_i*FuelConsumption_ij^m*FuelEmission_ij                                   (4)

FuelConsumption_ij^BEV=FuelConsumption_i*(1+Losses_j+

+ChargeLosses_i)                                                                                                (5)

FuelConsumption_ij^ICEV= FuelConsumption_ij                                                     (6)

FuelEmission_ij=^Emission_jn/_{Consumptionjⁿ}                                                                  (7)

      где EmissionPerKm_ij  – удельные выбросы парниковых газов автомобилем i в стране j на 1 км, TotalEmissions_ij  – выбросы в течение жизненного цикла, ProductionEm_i  – выбросы при производстве, FuelEm_ij – выбросы при сжигании нефтетоплив/генерации электроэнергии, ReplacementEm_i^BEV – выбросы при замене батареи электромобиля, MaintenaceEm_i^ICEV – выбросы при обслуживании автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, UtilisationEm_i  – выбросы при утилизации, Range_i – пробег в течение жизненного цикла, FuelConsumption_ij^m – потребление энергии на 1 км пробега электромобилем (BEV) или автомобилем с двигателем внутреннего сгорания (ICEV), Losses_j – потери в сетях (%), ChargeLosses_i – потери при зарядке электромобилей (%), FuelEmission_ij – удельные выбросы при сжигании нефтетоплив (ICEV) и генерации электроэнергии (BEV), Emission_jⁿ  – выбросы при использовании топлива (n – бензин/дизель/электроэнергия), Consumption_jⁿ – использование топлива.

Выбросы парниковых газов при производстве автомобилей, потребление топлива на один км пробега и потери при зарядке электромобилей взяты из 12 (выбросы при производстве VW Golf Petrol и VW Golf Diesel, замене и утилизации аккумуляторов у этих автомобилей равны, различается только потребление топлива и связанные с ним выбросы). При пробеге 150 тыс. км замена аккумуляторов не требуется, при пробеге 200 тыс. км на электромобиле меняют батарею (40% выбросов при производстве электромобиля 6, но с учетом вторичного использования 31%, выбросы при обслуживании автомобилей с двигателем внутреннего сгорания оцениваются в среднем как одна тонна СО₂ 3. Выбросы при утилизации составляют 7% для электромобилей и 10% для автомобилей с ДВС 4. Потери в сетях, выбросы при сжигании нефтетоплив/генерации электроэнергии рассчитываются по данным энергетического баланса МЭА и выбросам парниковых газов МЭА.

Выбросы парниковых газов в электроэнергетике критичны для оценки эмиссии электромобилей в течение жизненного цикла. За последние 20 лет страны – лидеры энергоперехода смогли добиться значительного снижения углеродоемкости электрогенерации (рис. 3). Самые низкие удельные выбросы в электроэнергетике ЕС, хотя кризис после пандемии, когда совпали быстрое экономическое восстановление и низкая выработка в ветровой генерации и гидрогенерации, привел к росту угольной генерации и росту выбросов.

Источники: составлено автором по данным энергетического баланса МЭА и выбросам парниковых газов МЭА.

Универсальным драйвером декарбонизации электроэнергетики выступает уменьшение угольной генерации, но в странах ЕС она вытесняется генерацией из НВИЭ, а в США – газовой. В Китае уголь продолжает доминировать в электроэнергетике (табл. 2).

Источник: составлено автором по данным энергетического баланса МЭА.

Оценка интегрального показателя SRPR показывает, что электромобили уступают по техническим характеристикам автомобилям с ДВС, за исключением Tesla (табл. 1, рис. 4–7). Поэтому сравнение будет выполняться в четырех случаях: сравнение выбросов ПГ электромобилей и автомобилей с двигателем внутреннего сгорания при пробеге 150 тыс. км и 200 тыс. км напрямую и при пробеге 150 тыс. км и 200 тыс. км с учетом технических характеристик (по трендовому показателю).

В ЕС выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла ниже у всех электромобилей за исключением Tesla (рис. 4). Необходимо отметить, что в 2016 г. в Великобритании при несколько более высоких, чем в ЕС-27 выбросах в электроэнергетике, трендовые значения выбросов парниковых газов в течение жизненного цикла у электромобилей почти совпадали с трендовыми у электромобилей 12. Благодаря декарбонизации электроэнергетики электромобили при пробеге 150 тыс. км производят меньше выбросов в сравнении с аналогичными автомобилями с ДВС. С учетом замены и утилизации батарей трендовый показатель выбросов электромобилей выше.

Источник: расчеты автора.

В США выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла ниже у всех электромобилей за исключением Tesla при пробеге 150 тыс. км и Tesla и Chevrolet при пробеге 200 тыс. км (рис. 5). Трендовое значение эмиссии ПГ в течение жизненного цикла у электромобилей выше, чем у аналогичных по техническим характеристикам автомобилей с ДВС во всех случаях. Необходимо отметить, что выбросы ПГ у бензинового VW Golf выше, чем у дизельного из-за большего потребления топлива, и по выбросам он уступает только Tesla.

Источник: расчеты автора.

В Китае выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла у электромобилей существенно выше за исключением Hyundai даже без учета замены и утилизации аккумуляторных батарей из-за доминирования угольной электрогенерации (рис. 6).

Источник: расчеты автора.

Для оценки чувствительности результатов моделирования к изменениям в технологиях производства и утилизации аккумуляторов и углеродоемкости электрогенерации рассчитан сценарий для Китая на 2030 г. Углеродоемкость электрогенерации снизится с 681 до 549 г СО₂/кВт•ч (сценарий “Текущие политики” МЭА), объем выбросов при производстве и утилизации аккумулятора уменьшится на 26%. В 2030 г. выбросы ПГ в течение жизненного цикла при пробеге 150 тыс. км станут ниже у всех электромобилей за исключением Tesla и Chevrolet, но их трендовые значения у электромобилей все равно окажутся выше (рис. 7).

Источник: расчеты автора.

Китаю, чтобы добиться паритета выбросов парниковых газов электромобилей и автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, необходимо значительно снизить углеродоемкость электроэнергетики. Пик угольной генерации в Китае прогнозируется около 2025 г., объем строящихся и заявленных мощностей угольной генерации огромен 13, поэтому необходимого снижения углеродоемкости получится добиться только около 2035 г. (сценарий Текущие политики МЭА). До этого продвижение электромобилей в Китае будет связано с бóльшими выбросами, чем использование традиционных автомобилей с ДВС. Поддержка автомобильной отрасли является частью экономической политики Китая по развитию национальной промышленности и поощрению товарного экспорта 14, поэтому климатические аспекты отходят на второй план. В настоящее время КНР создает промышленность и инфраструктуру, необходимые для энергоперехода.

Выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла – ключевой показатель для обоснования государственной политики продвижения электромобилей в легковом дорожном транспорте как составной части энергетического перехода. У бензиновых автомобилей они выше, чем у дизельных, а у автомобилей только с двигателем внутреннего сгорания – чем у гибридов. Выбросы у электромобилей в странах Евросоюза и США, как правило, ниже, чем у автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. В ЕС эмиссии будут ниже и с учетом замены и утилизации батареи при совокупном пробеге 200 тыс. км. Но по техническим характеристикам электромобили уступают традиционным автомобилям, трендовый показатель выбросов выше у электромобилей, чем у аналогичных по характеристикам автомобилей с ДВС. В США углеродоемкость электроэнергии достаточно низкая, чтобы использование электромобилей привело к снижению выбросов без учета замены и утилизации батареи, но недостаточно – с учетом последних. В Китае угольная генерация составляет более 60% совокупной электрогенерации, поэтому выбросы при использовании электромобилей больше по сравнению с автомобилями с двигателем внутреннего сгорания. В перспективе ближайшего десятилетия угольная генерация останется доминирующей, поэтому выбросы парниковых газов останутся на повышенном уровне. Китайский рынок электромобилей остается самым большим в мире, поэтому в целом продвижение электромобилей в среднесрочной перспективе приводит к глобальному росту выбросов ПГ. КНР пока только создает промышленность и инфраструктуру для энергетического перехода. По мере деуглеродизации китайской электроэнергетики и перехода на новые типы аккумуляторов, с меньшими выбросами при производстве и утилизации, эксплуатация электромобилей приведет к снижению выбросов парниковых газов.