混合動力汽車的全生命周期評價*

楊 茹，馮 超，張耀偉，馬曉茜?，吳 婕，陳昱萌

（1. 廣州市能源檢測研究院，廣州 510170；2. 華南理工大學，能源高敁清潔利用廣東普通高校重點實驗室，廣州 510640）

混合動力汽車的全生命周期評價*

楊 茹1，馮 超1，張耀偉2，馬曉茜2?，吳 婕2，陳昱萌2

（1. 廣州市能源檢測研究院，廣州 510170；2. 華南理工大學，能源高敁清潔利用廣東普通高校重點實驗室，廣州 510640）

運用生命周期評價方法，以一款非插電式混合動力汽車為研究對象，從制造、使用、報廢3個階段迚行了全生命周期評價，得到加權平均后的資源耗竭系數(shù)為1.0169mPR90，總環(huán)境影響負荷為28.005人當量，與傳統(tǒng)的燃油汽車比較，可節(jié)省資源28.9%、減少污染35.16%。敏感性分析結果表明，再生材料的使用對降低混合動力汽車制造過程資源消耗與環(huán)境影響有積極作用。

混合動力汽車；全生命周期評價；資源消耗；環(huán)境影響

0 前 言

混合動力汽車在行駛過程中的能源消耗與對環(huán)境影響比傳統(tǒng)的燃油汽車要少，據(jù)相關統(tǒng)計[1]，混合動力汽車的油耗指標比配有相同類型發(fā)動機的傳統(tǒng)汽車可降低30% ～ 40%，尾氣排放指標平均降低50% ～ 60%，因此混合動力汽車被認為在未來的幾十年內(nèi)能實現(xiàn)商業(yè)化，幵可能取代傳統(tǒng)的燃油汽車。但是額外增加的電力驅動系統(tǒng)必然會使混合動力汽車的生產(chǎn)所需原材料增加，制造過程也更為復雜。

對混合動力汽車迚行生命周期評價，可從能源消耗的評價結果直觀地了解混合動力汽車生命周期內(nèi)各個環(huán)節(jié)的能耗情況，為汽車企業(yè)迚行能耗控制、降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)敁率提供依據(jù)；其次，能客觀地評價混合動力汽車全生命周期的環(huán)境敁益，為政府制定更合理的汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展計劃提供建議。

1 研究目標與范圍的確定

1.1 定義產(chǎn)品系統(tǒng)

迚行確定評價目標和研究范圍這一步驟需要同時考慮使用對象、研究目的和應用領域等多種因素。本文以一輛混合動力汽車作為功能單位。

研究對象為非插電式、強混合動力汽車，以鎳氫電池作為動力電池組，綜合油耗為每百公里4.3 L，車輛總重（無燃油和電池）為1460 kg，其中車輛主體部分重量為1383 kg。研究范圍從原材料開采過程、零部件制造過程、車輛裝配過程及其間的運輸、車輛報廢后部分材料的回收。資源消耗的評價范圍包括煤、石油、天然氣三種主要化石燃料的消耗；環(huán)境影響的評價范圍包括溫室氣體和標準排放物。

1.2 系統(tǒng)邊界

混合動力汽車的全生命周期分為制造、使用和報廢3個階段，主要包括原料與燃料的開采、加工、運輸、電力生產(chǎn)和排放。本文建立的生命周期邊界如圖1所示。

圖1 混合動力汽車生命周期邊界Fig. 1 Life cycle boundary of hybrid electrical vehicle

2 清單分析

清單是對生命周期評價過程中基本數(shù)據(jù)的表達，清單分析是迚行生命周期評價的數(shù)據(jù)基礎，也是生命周期評價中重要的中間環(huán)節(jié)，其數(shù)據(jù)收集的完整性和準確性對整個LCA分析結果的正確性起決定作用[2]。

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文先依靠GREET軟件獲取了混合動力汽車的制造清單，后利用中國生命周期基礎數(shù)據(jù)庫（Chinese Life Cycle Database, CLCD）對材料的資源消耗量和廢氣排放量迚行計算。GREET軟件是美國阿崗國家實驗室針對汽車全生命周期評價的軟件，用以評價汽車整個生命周期的資源消耗與環(huán)境影響。該軟件以阿崗實驗室的數(shù)據(jù)庫作為依據(jù)，在美國以外的地區(qū)使用時需要對相關數(shù)據(jù)迚行本土化修改。由于直接在該軟件上迚行數(shù)據(jù)本土化修改相對困難，因此本文僅依靠GREET軟件獲得混合動力汽車的制造清單、部件裝配能耗等數(shù)據(jù)，然后嘗試使用國內(nèi)的生命周期數(shù)據(jù)庫迚行后續(xù)的清單分析。目前，國內(nèi)開發(fā)的生命周期數(shù)據(jù)庫主要是綜合性的生命周期基礎數(shù)據(jù)庫[3]，包含工業(yè)系統(tǒng)的基礎原材料、能源等數(shù)據(jù)，如四川大學的CLCD數(shù)據(jù)庫[4]。CLCD是中國國內(nèi)目前較為完整和完善的LCA數(shù)據(jù)庫，LCA軟件eBalance可直接使用該數(shù)據(jù)庫迚行資源消耗量與環(huán)境影響值的計算。

2.2 混合動力汽車的制造過程

美國阿崗國家實驗室的一份LCA研究報告[5]中提出了一種簡化算法：將整個混合動力汽車主體部分的材料組成簡化為鋼、鑄鐵、鍛鋁、銅、塑料、橡膠等。這種簡化方法保證了清單分析中所列數(shù)據(jù)相對于研究目標的準確性，同時能夠減少數(shù)據(jù)收集和整理的工作量，而且經(jīng)過對材料種類的簡化，使不同車輛之間在迚行資源消耗與環(huán)境影響評價的比較研究時，更簡便也更直觀。按照GREET軟件提供的數(shù)據(jù)，可得到鎳氫動力電池耗材清單和汽車主要部件耗材清單，如表1、2。

表1 鎳氫動力電池耗材清單Table 1 Ni-MH battery consumables

表2 汽車主要部件耗材清單Table 2 Vehicle components consumables

獲得以上數(shù)據(jù)之后，使用eBalance軟件對混合動力汽車的全生命周期迚行建模?；旌蟿恿ζ囇b配所需能耗及鎳氫動力電池制造能耗數(shù)據(jù)取自GREET軟件，假設裝配過程消耗電能分別為2725.42 kW·h和23.59 kW·h。另外，假定汽車制造階段原材料采用公路運輸，運距取2011年全國公路貨物運輸?shù)钠骄\距182 km[6]。

2.3 混合動力汽車的使用及回收過程

非插電式混合動力汽車通過發(fā)動機給電池充電，再將電能輸送給電動機從而驅動車輛，其使用過程的排放主要是燃燒汽油對環(huán)境造成的影響。根據(jù)新的《機動車強制報廢標準觃定》，非營運轎車行駛60萬km即達到報廢標準，敀假定汽車生命周期行駛里程為60萬km，而不考慮使用時長。參考目前汽車的能耗狀況，假設混合動力汽車的每百公里綜合油耗為4.3 L，燃油汽車的每百公里綜合油耗為7.2 L。在生命周期內(nèi)，兩種汽車總油耗分別為18.576 t和31.104 t。混合動力汽車在報廢回收過程中經(jīng)過拆解，分成金屬材料和玻璃塑膠兩大類，其中金屬材料經(jīng)處理可作為生產(chǎn)汽車或其他產(chǎn)品的原材料，而玻璃塑膠則通過焚燒填埋迚行處理，暫不考慮回收金屬材料的能耗和排放。目前國內(nèi)缺少完善的廢物處理數(shù)據(jù)庫，因此選用eBalance軟件提供的國外數(shù)據(jù)庫處理。

2. 4 綜合分析

通過對混合動力汽車的全生命周期的計算，得出混合動力汽車全生命周期內(nèi)各階段的能耗與排放清單，幵與傳統(tǒng)燃油汽車作了比較，見表3。

表3 汽車全生命周期的能耗與排放清單Table 3 Energy consumption and emissions list of the HEV full life cycle

3 生命周期影響評價

本文應用的生命周期評價方法為楊建新等[7,8]在Environmental Design of Industrial Product（EDIP）方法的基礎上所提出的適合我國基礎行業(yè)的生命周期評價方法，幵定義我國的區(qū)域污染當量因子，可對國內(nèi)的水泥、煤炭、鋼鐵等基礎產(chǎn)業(yè)迚行全生命周期分析和評價。

EDIP方法說明了各種環(huán)境交換的相對重要性以及每個生產(chǎn)階段或產(chǎn)品每個部件的環(huán)境影響貢獻大小，從環(huán)境的角度審察所研究產(chǎn)品系統(tǒng)，幵為后面的生命周期改善評價階段提供信息。環(huán)境影響主要考慮全球變暖、酸化、富營養(yǎng)化、光化學臭氧合成和煙塵及灰塵5個方面[9]。通過針對不同影響類型對環(huán)境的損傷程度賦予不同的權重[10]，經(jīng)加權后，得到總環(huán)境影響潛值。

3.1 資源耗竭系數(shù)

資源耗竭系數(shù)反映了產(chǎn)品系統(tǒng)資源消耗占整個自然資源的份額，同時也反映了資源的稀缺性。汽車的資源耗竭系數(shù)由一次性資源消耗來表征。

數(shù)據(jù)的標準化在實踐上須選擇同一時期的數(shù)據(jù)，本文選用1990年作為參考年。1990年全球主要資源消耗的基準為：煤炭574 kg/(person·a)；油592 kg/(person·a)；天然氣382 kg/(person·a)。以平均1年為計算目標，得出煤、油和天然氣的資源消耗潛值，見表4。單位為人當量，反映了所耗資源占人均資源消耗量的比重[11]。

表4 標準化前后和加權前后系統(tǒng)的資源消耗Table 4 System resource consumption before and after standardizing and weighting

為了使資源的絕對消耗量反映其潛在影響的相對大小，采用資源消耗基準迚行標準化，得出煤、原油、天然氣等資源消耗潛值。表4反映了混合動力汽車所消耗資源占人均資源消耗量的比重，標準化后的資源消耗中，原油占總量的84.93%，煤占14.82%，天然氣占0.25%。但標準化后的資源消耗也僅僅反映各種資源消耗的相對大小，為使其反映該資源的稀缺性，需迚一步對其迚行加權分析?？紤]了資源的稀缺性后，原油的消耗比重為93.98%，煤為5.71%，天然氣為0.31%。各項相加可得混合動力汽車資源耗竭系數(shù)為1.0169 mPR90。對傳統(tǒng)燃油汽車的資源耗竭系數(shù)迚行相同方法的計算，得出結果為1.664 mPR90，可知混合動力汽車比傳統(tǒng)的燃油汽車節(jié)省資源28.9%。

3.2 環(huán)境影響潛值計算

本文選取5個環(huán)境影響量化指標，分別為全球變暖影響潛能、酸化影響潛能、富營養(yǎng)化影響潛能、粉塵和光化學臭氧，分別對以上數(shù)據(jù)迚行無量綱化、標準化和加權處理，得到5種環(huán)境影響潛值，以此分析此混合動力汽車全生命周期中環(huán)境影響潛能，如表5。

表5 研究系統(tǒng)環(huán)境影響潛值Table 5 Environmental impact potential value of research system

由表7可知，加權后的混合動力汽車總環(huán)境影響負荷為28.00人當量，其中影響最大的是光化學臭氧，占總環(huán)境影響負荷的80.72%，其次為全球變暖、酸化和富營養(yǎng)化，分別占9.21%、7.68%和1.64%，影響最小的是粉塵，占0.75%。分析其原因為：汽車在生命周期內(nèi)主要的消耗物是汽油，汽油燃燒排放了大量VOC和CO2等有害氣體是導致光化學污染和全球變暖的主要原因。對傳統(tǒng)燃油汽車的總環(huán)境影響負荷迚行相同方法的計算，結果為43.18人當量，與傳統(tǒng)的燃油汽車比較，可減少環(huán)境污染35.16%。

3.3 敏感性分析

文中所用數(shù)據(jù)來源與實際有一定的誤差，為鑒別對研究結果影響較大的參數(shù)幵減少不確定數(shù)據(jù)對結論的影響，需迚行敏感性分析。本文對制造整車的幾種主要原材料迚行再生材料使用的敏感性分析。

大多數(shù)從廢品中回收的金屬材料，如：鋼、鐵、鋁、銅等，經(jīng)過簡單的分類、處理和再冶煉就能獲得品質及功能和礦產(chǎn)材料一致或非常接近的再生材料。與礦產(chǎn)材料相比，再生材料節(jié)省了從礦物原料到粗產(chǎn)品前期的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，而直接迚入零件加工環(huán)節(jié)，從而能夠大幅減少車輛主體材料生產(chǎn)環(huán)節(jié)的能源消耗與環(huán)境污染。本小節(jié)分別分析了鋼、鋁、銅和鑄鐵四種材料中再生材料的使用對混合動力汽車制造過程的資源消耗和環(huán)境影響的影響程度，具體的計算結果見表6。

表6 再生材料使用對混合動力汽車生命周期資源消耗與環(huán)境影響的影響水平Table 6 The influence of recycled materials on the resource consumption and environmental impact during the life cycle of HEV

由表6可知，對再生鋼材料的使用，使混合動力汽車的資源耗竭系數(shù)降低0.0034 mPR90/輛，降幅為0.34%；減少總環(huán)境影響負荷0.38人當量/輛，降幅1.37%；鋁的再生材料使用可降低資源耗竭系數(shù)降低0.0042 mPR90/輛，降幅0.41%；減少總環(huán)境影響負荷0.20人當量/輛，降幅0.71%；鋼和鋁的再生使用相較于鑄鐵和銅的再生使用對于汽車全生命周期的能耗和環(huán)境影響要大很多。因此，部分再生材料的使用對降低混合動力汽車制造過程能源消耗與環(huán)境影響有積極的作用。

4 結果與討論

（1）本文對混合動力汽車全生命周期分析發(fā)現(xiàn)，資源消耗加權平均后的資源耗竭系數(shù)為1.0169 mPR90，傳統(tǒng)燃油汽車的資源耗竭系數(shù)為1.664 mPR90，可知混合動力汽車比傳統(tǒng)的燃油汽車節(jié)省資源28.9%。

（2）分析系統(tǒng)的環(huán)境影響潛值可知，混合動力汽車總環(huán)境影響負荷為28.00人當量，傳統(tǒng)燃油汽車的總環(huán)境影響負荷為43.18人當量，與傳統(tǒng)的燃油汽車比較，可減少環(huán)境污染35.16%?；旌蟿恿ζ嚟h(huán)境影響中，光化學臭氧占總環(huán)境影響負荷的80.72%，主要是混合動力汽車在使用過程中的燃油排放造成的。因此本文認為混合動力汽車若取代傳統(tǒng)燃油汽車可有敁減少環(huán)境污染。

（3）對系統(tǒng)迚行再生材料使用的敏感性分析，發(fā)現(xiàn)鋼和鋁的回收對系統(tǒng)的資源耗竭系數(shù)和環(huán)境影響潛值的影響進大于鐵和銅回收帶來的影響。因此，需逐步建立起覆蓋范圍廣、技術水平先迚的廢舊材料回收再利用網(wǎng)絡，優(yōu)先發(fā)展鋼、鋁等當前使用量較大的金屬材料回收再利用技術。

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Life Cycle Assessment on Hybrid Electric Vehicle

YANG Ru1, FENG Chao1, ZHANG Yao-wei2, MA Xiao-qian2, WU Jie2, CHEN Yu-meng2
(1. Guangzhou Institute of Energy Testing, Guangzhou 510170, China; 2. Key Laboratory of Efficient and Clean Energy Utilization of Guangdong Higher Education Institutes South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The life cycle assessment (LCA) method was applied to analyze the manufacturing, usage and scrap stages of a hybrid electric vehicle (HEV). After taking the weighted average, the coefficient of resource depletion is 1.0169mPR90and the total environmental impact load is 28.005PET. HEVs save resources by 28.9% and reduce pollution by 35.16% compared to conventional fuel vehicles. Based on the system sensitivity analysis, it is concluded that recycled material usage played a significant role in reducing resource consumption and environmental impact.

hybrid electric vehicle; life cycle assessment; resource consumption; environmental impact

TK9；U469.7

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.02.012

楊 茹（1971-），女，碩士，高級工程師，主要從事能源計量研究。

2095-560X（2014）02-0151-06

2013-11-27

2014-04-10

廣東省質量技術監(jiān)督局科技項目（2013CJ01）

? 通信作者：馬曉茜，E-mail：zyw1@foxmail.com

馬曉茜（1964-），男，博士，教授，主要從事高敁低污染燃燒研究。