数值实验 · 4.4节
时变碳强度与充电时刻分析
比较电价、时变电网碳强度与车辆作业时段对充电安排和排放的影响。
为探究充电安排对混合车队配送的影响，采用图3所示的北京2025年电网碳强度预测序列，在现行分时电价和单位碳价0.20元/kgCO₂下，对比三种充电安排。无序充电指返回中心后按后续任务所需电量尽早补电；电价引导与碳强度引导有序充电分别以充电成本最小、充电排放最小在可行时段内确定充电时刻。各组运行10次，表中报告各项指标的均值。
| 指标 | 无序充电 | 电价引导有序充电 | 碳强度引导有序充电 |
|---|---|---|---|
| 总成本(元) | 2667.32 | 2640.23 | 2666.15 |
| 启动成本(元) | 1161.00 | 1191.00 | 1168.00 |
| 行驶成本(元) | 881.08 | 892.09 | 864.83 |
| 充电成本(元) | 197.26 | 170.68 | 179.74 |
| 油耗成本(元) | 390.02 | 347.06 | 415.35 |
| 碳成本(元) | 37.96 | 39.39 | 38.23 |
| 总距离(km) | 1021.83 | 1027.28 | 1007.90 |
| 充电电量(kWh) | 194.55 | 210.25 | 181.21 |
| 燃油车直接排放(kgCO₂) | 137.75 | 122.58 | 146.70 |
| 电动车充电排放(kgCO₂) | 52.06 | 74.39 | 44.47 |
| 总排放(kgCO₂) | 189.81 | 196.97 | 191.17 |
| 注：各组运行10次，表中报告各项指标的均值。 | |||
由表可知：1）电价引导有序充电的平均总成本最低，较无序充电降低1.02%，平均总排放却增加7.16 kgCO₂。其中，燃油车直接排放减少15.17 kgCO₂，充电排放增加22.33 kgCO₂，后者超过前者的降幅，可见降低充电费用未能同时减少配送总排放。2）碳强度引导与无序充电的平均总排放接近，前者高1.36 kgCO₂。其充电排放减少7.59 kgCO₂，燃油车直接排放增加8.95 kgCO₂；同时，充电电量减少13.34 kWh，油耗成本增加25.33元，反映重新优化后的方案减少用电、增加燃油消耗。上述结果表明，充电环节的减排会受到车辆能源使用变化的影响，企业需结合两类车辆的配送任务分配评价减排效果。
为分析充电排放差异的原因，图中给出分时电价、电网碳强度与作业班次的时段关系，灰带表示允许配送的作业班次。车辆可充电时段由实际返回与下一趟出发时刻确定。表中按首次出车前、跨班次和班次内比较充电安排，其中跨班次指上午最后一趟返回至下午首趟出发之间，班次内包括上午和下午各自的配送行程间隔。
| 充电阶段 | 充电安排 | 开始时刻 | 结束时刻 | 电量（kWh） | 成本（元） | 排放（kgCO₂） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 首次出车前 | 无序充电 | 前日17:47 | 前日18:08 | 73.16 | 73.78 | 26.07 |
| 首次出车前 | 电价引导有序充电 | 04:00 | 04:33 | 79.97 | 45.05 | 49.12 |
| 首次出车前 | 碳强度引导有序充电 | 前日17:52 | 前日18:11 | 69.62 | 70.99 | 25.67 |
| 跨班次 | 无序充电 | 10:32 | 11:03 | 80.29 | 89.10 | 18.07 |
| 跨班次 | 电价引导有序充电 | 12:19 | 13:03 | 90.21 | 92.01 | 17.08 |
| 跨班次 | 碳强度引导有序充电 | 12:35 | 13:06 | 73.22 | 76.65 | 11.80 |
| 班次内 | 无序充电 | 15:04 | 15:33 | 41.09 | 34.37 | 7.93 |
| 班次内 | 电价引导有序充电 | 15:18 | 15:34 | 40.07 | 33.62 | 8.20 |
| 班次内 | 碳强度引导有序充电 | 15:04 | 15:34 | 38.38 | 32.10 | 7.00 |
| 合计 | 无序充电 | — | — | 194.55 | 197.26 | 52.06 |
| 合计 | 电价引导有序充电 | — | — | 210.25 | 170.68 | 74.39 |
| 合计 | 碳强度引导有序充电 | — | — | 181.21 | 179.74 | 44.47 |
| 注：电量、成本与排放为10次运行均值；起止时刻汇总10次运行各车的充电记录，分别按充电量加权取中位数。 | ||||||
结合图5和表，分析各阶段的充电选择：1）首次出车前，比较电价引导与碳强度引导充电的经济性。电价引导方案利用夜间低谷，碳强度引导方案主要在前一日下午充电。北京低谷电价时段23:00—07:00对应较高碳强度。后者少用电10.35 kWh，却多支付电费25.94元；少排放23.45 kgCO₂仅节约碳成本4.69元，电费增量超过碳成本降幅，限制了低碳充电的经济优势。2）跨班次以无序充电为对照，碳强度引导方案的成本与排放分别减少12.45元和6.27 kgCO₂。充电电量由80.29 kWh降至73.22 kWh，单位电量排放由0.225 kgCO₂/kWh降至0.161 kgCO₂/kWh，电量减少与时段变化共同降低了排放。10次运行中，该阶段碳强度引导充电的实际开始时刻为12:19—13:00，结束时刻为13:02—13:18，均于下一趟出发前完成，说明下午班开始后仍可利用午间低碳电力。3）班次内配送行程间隔较短，充电时刻调整受限。碳强度引导与无序充电的开始时刻中位数同为15:04，结束时刻分别为15:34与15:33；前者充电电量减少2.71 kWh，排放减少0.93 kgCO₂。起止时刻接近而电量不同，说明充电排放比较需同时考虑时段与补电需求。
上述分析表明，低碳时段的利用受配送任务约束，其经济性取决于电费与碳成本的增减关系。碳强度引导方案中燃油车排放占76.7%，整体减排还需减少燃油消耗。各阶段的充电选择及整体配送结果如图6所示。
为探究电费与减排收益对配送方案的影响，设置仅调整分时电价时段、仅提高碳价及同时调整两项因素三种情景。参照河北省设置午间低谷的做法，构造低谷为1:00—6:00和12:00—15:00、高峰为10:00—12:00和17:00—23:00、其余为平段的电价时段，各档电价及每日持续时长不变；单位碳价由0.20元/kgCO₂提高至1.00元/kgCO₂。各情景下各组运行10次，表中报告各项指标的均值。
| 条件 | 无序充电 | 碳强度引导有序充电 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 电动车数（辆） | 电动车占比（%） | 总成本（元） | 总排放（kgCO₂） | 电动车数（辆） | 电动车占比（%） | 总成本（元） | 总排放（kgCO₂） | |
| 北京现行时段，碳价0.20（基准） | 2.6 | 50.3 | 2667.32 | 189.81 | 2.5 | 47.7 | 2666.15 | 191.17 |
| 增设午间谷段，碳价0.20 | 2.4 | 45.0 | 2669.90 | 198.22 | 3.0 | 60.0 | 2616.19 | 170.80 |
| 北京现行时段，碳价1.00 | 3.9 | 65.0 | 2816.09 | 141.21 | 3.4 | 60.7 | 2802.84 | 152.06 |
| 增设午间谷段，碳价1.00 | 3.3 | 55.0 | 2850.78 | 169.74 | 4.8 | 80.0 | 2761.86 | 97.71 |
| 注：电动车占比为各次电动车数占启用车辆总数之比的平均值。各组运行10次，表中报告各项指标的均值。 | ||||||||
由表可知：1）仅调整电价时段时，碳强度引导方案的平均电动车数由基准条件下的2.5辆增至3.0辆，总排放减少20.37 kgCO₂；与同一条件下的无序充电相比，总成本降低2.01%，总排放减少27.42 kgCO₂。午间低价与低碳时段重合，有利于增加电动车使用，同时降低配送成本与排放。2）仅提高碳价时，碳强度引导方案的平均电动车数由2.5辆增至3.4辆，总排放较基准减少39.11 kgCO₂；与同一条件下的无序充电相比，电动车数仍少0.5辆，总排放高10.85 kgCO₂。提高碳价增加了该方案的电动车使用，但两种充电安排的平均总排放排序未变，说明碳价调整还需结合电价时段分析。3）同时调整两项因素时，碳强度引导方案的平均电动车数由基准的2.5辆增至4.8辆，占启用车辆的80.0%，总排放降至97.71 kgCO₂；与同一条件下的无序充电相比，总成本与总排放分别降低3.12%和42.44%。上述结果表明，电价时段与碳价共同影响电动车使用及配送方案的经济性。
| 指标 | 无序充电 | 电价引导有序充电 | 碳强度引导有序充电 |
|---|---|---|---|
| 总成本(元) | 2850.78 | 2759.29 | 2761.86 |
| 启动成本(元) | 1350.00 | 1423.00 | 1500.00 |
| 行驶成本(元) | 826.65 | 851.42 | 859.60 |
| 充电成本(元) | 192.21 | 139.14 | 189.11 |
| 油耗成本(元) | 312.18 | 200.03 | 115.43 |
| 碳成本(元) | 169.74 | 145.70 | 97.71 |
| 总距离(km) | 950.58 | 960.66 | 957.00 |
| 充电电量(kWh) | 192.94 | 228.22 | 249.23 |
| 燃油车直接排放(kgCO₂) | 110.26 | 70.65 | 40.77 |
| 电动车充电排放(kgCO₂) | 59.47 | 75.05 | 56.94 |
| 总排放(kgCO₂) | 169.74 | 145.70 | 97.71 |
| 电动车数(辆) | 3.3 | 4.2 | 4.8 |
| 注：各组运行10次，表中报告各项指标的均值。 | |||
由表可知：1）碳强度引导方案的平均总成本较电价引导方案仅高2.57元（0.09%），总排放低47.99 kgCO₂（32.94%），说明考虑时变电网碳强度能够在含碳总成本接近时获得排放更低的配送方案。2）碳强度引导方案的平均电动车数为4.8辆，高于电价引导方案的4.2辆，充电电量增加21.01 kWh，充电排放却减少18.11 kgCO₂，说明单位充电电量的排放更低；同时，燃油车直接排放减少29.88 kgCO₂。两类排放共同下降，形成该方案的总排放优势。3）碳强度引导方案的充电、启动与行驶成本较高，油耗成本较低。不含碳成本的运营成本由2613.59元增至2664.15元，增加50.56元；按1.00元/kgCO₂的单位碳价，减少排放节约碳成本47.99元，抵消了大部分运营成本增量，最终总成本仅增加2.57元。可见，碳成本使减排收益进入企业的成本比较，有利于降低企业采用低碳配送方案的成本负担。综合上述分析，企业应结合配送任务安排充电时刻，统筹电动车与燃油车的使用。分时电价影响低碳充电的电费支出，碳价影响减排收益。在碳强度引导充电下，与现行电价时段、基准碳价相比，共同调整后平均总排放降低48.89%，不含碳成本的运营成本增加1.38%。可见，兼顾电价时段与碳价有利于以较小的运营成本增量实现低碳配送。