全球与交通运输相关的排放量正在增加。目前，轻型车辆，即乘用车，如轿车、SUV或小型货车，占美国温室气体净排放量的20%左右。但研究表明，将传统的耗油汽车换成电力驱动的汽车，可以在减少这些排放方面取得显著成效。
最近发表在《环境科学与技术》（EnvironmentalScienceandTechnology）上的一项研究进一步探讨了如何减少与电动汽车（EV）充电相关的排放。考虑到区域充电模式和环境温度对汽车燃油经济性的影响，麻省理工学院能源倡议（MITEI）的研究人员发现，一天中电动汽车充电的时间对车辆的排放有显著影响。
“如果你在特定时间方便充电，你真的可以促进可再生能源和电动汽车的增长所带来的减排，”该研究的主要作者、MITEI的研究助理伊恩•米勒说。“那我们怎么做呢？分时电价正在蔓延，并会显著改变电动汽车司机充电的时间。如果我们将这些长时间的充电影响告知决策者，那么当我们的电网是可再生能源密集型的时候，他们就可以设计电价来降低收费。在太阳活动频繁的地区，那是正午。在风大的地区，像中西部，这是一夜之间的事。”
根据他们的研究，在阳光充沛的加利福尼亚州，电动汽车夜间充电比中午充电（更多的太阳能为电网供电）多排放70%。同时，在纽约，核能和水力发电在夜间用电中所占比例更大，因此最佳充电时间恰恰相反。在这个地区，与白天充电相比，夜间充电实际上可减少20%的排放量。
“充电基础设施是另一个重要的决定因素，当涉及到方便充电在特定的时间-特别是在白天，”埃姆雷根塞尔补充说，他是MITEI的合作者和研究科学家。“如果你需要在中午给你的电动汽车充电，那么你需要在你的工作场所有足够的充电站。如今，大多数人在车库里为自己的车辆充电一整夜，在白天最好充电的地方，这将产生更高的排放量。”
在这项研究中，Miller、Gençer和MITEI的博士后MaryamArbabzadeh通过计算两种常见的电动汽车排放建模方法中的误差百分比得出这些观察结果，这两种方法忽略了网格中的每小时变化和燃油经济性中的温度驱动变化。他们的研究结果发现，在30%的案例中，这些标准方法的综合误差超过10%，而在美国一半电动汽车所在的加利福尼亚州，综合误差达到50%。
Arbabzadeh说：“如果你不建立充电时间模型，而是假设用年平均功率充电，你可能会错误估计电动汽车的排放量。”。“可以肯定的是，在电网上获得更多的太阳能和更多的使用这种电网的电动车是件好事。无论你在美国给你的电动汽车充电，它的排放量都会低于类似的汽油动力汽车；但如果电动汽车充电主要发生在太阳下山的时候，你在减排方面就不会像你用年平均值时想象的那么多好处。”
为了减少这一误差，研究人员利用2018年和2019年的每小时电网数据以及每小时充电、驾驶和温度数据，估算了美国60个案例中电动汽车的排放量。然后，他们引入并验证了一种新的方法（误差小于1%）来精确估计电动汽车的排放量。他们称之为“平均日”法。
米勒说：“我们发现，你可以忽略电网排放和燃油经济性的季节性，仍然可以准确估计电动汽车每年的排放量和充电时间的影响。”。“这真是个惊喜。去年，堪萨斯州的电网日排放量在季节间增加了80%，而电动汽车的电力需求则因温度变化而上升了约50%。此前的研究推测，忽视这种季节性波动会损害电动汽车排放量估算的准确性，但从未实际量化误差。我们在不同的网格组合和气候条件下进行了测试，发现误差可以忽略不计。”
这一发现对未来电动汽车排放情景的建模有着有益的启示。“你可以在不增加计算复杂性的情况下获得精确性，”Arbabzadeh说。“使用平均日法，您可以准确估计未来一年的电动汽车排放量和充电影响，而无需模拟全年每小时的8760个电网排放量值。所有你需要的是一个平均日概况，这意味着只有24小时值，为电网排放量和其他关键变量。你不需要从这些平均日资料中了解季节变化。”
研究人员通过对2018年至2032年美国东南部地区的案例研究来证明平均日法的实用性，以检验该地区可再生能源增长对未来电动汽车排放的影响。假设美国能源信息署（EnergyInformationAdministration）保守的电网预测，结果显示，如果在夜间充电，电动汽车的排放量只会下降16%，但如果在中午充电，则会下降50%以上。2032年，与类似的混合动力汽车相比，电动汽车每英里的排放量在夜间充电时降低30%，在中午充电时，每英里排放量降低65%。
本研究中使用的模型是一个更大的建模程序中的一个模块，称为可持续能源系统分析建模环境（SESAME）。这个由MITEI开发的工具采用系统级方法来评估当今全球能源系统的碳足迹。
Gençer说：“芝麻背后的想法是为脱碳做出更好的决定，并从系统的角度理解能量转换。”。“SESAME的一个关键要素是如何将不同的部门联系在一起—‘部门耦合’——在这项研究中，我们看到了交通和电力部门的一个非常有趣的例子。现在，正如我们一直声称的那样，不可能独立地处理这两个部门的系统，这清楚地说明了为什么MITEI的新建模方法非常重要，以及我们如何解决这些迫在眉睫的问题。”
在正在进行的和未来的研究中，该团队正在将充电分析从单个车辆扩展到整个乘用车车队，以制定车队级的脱碳策略。他们的工作试图回答一些问题，比如加州在2035年禁止销售汽油车将如何影响交通排放。他们也在探索车队电气化可能意味着什么——不仅是温室气体，还包括对钴等自然资源的需求——以及电动汽车电池是否能够提供大量的电网储能。
Gençer说：“为了缓解气候变化，我们需要对交通和电力部门进行脱碳。“我们可以实现交通运输的电气化，这将显著减少排放，但本文所展示的是如何更有效地实现这一目标。”
这项研究由埃克森美孚研究与工程部通过麻省理工学院能源倡议低碳能源中心赞助。
