基于汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)的LCA方法及應(yīng)用

基于汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)的LCA方法及應(yīng)用

劉志峰,韓雪飛,張雷

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽 合肥230009)

摘要:為應(yīng)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)環(huán)保法律法規(guī),汽車廠商紛紛建立汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)對(duì)整車可回收利用率進(jìn)行分析以及對(duì)禁、限用物質(zhì)進(jìn)行管控。然而,在系統(tǒng)使用過(guò)程中,經(jīng)常會(huì)遇到材料數(shù)據(jù)表單選擇以及質(zhì)量標(biāo)注類型確定等相關(guān)問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題,文章分析了利用LCA(life cycle assessment)進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)和數(shù)據(jù)庫(kù)建立的思路,提出了基于LCA的綠色環(huán)保性決策方法,該方法可為實(shí)施汽車綠色設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞:生命周期評(píng)價(jià);汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng);材料表單審核;質(zhì)量標(biāo)注;清單分析

收稿日期：2014-02-10；修回日期：2014-04-01

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013AA040202)

作者簡(jiǎn)介：劉志峰(1963-),男,陜西寶雞人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.01.001

中圖分類號(hào):U462.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期：2014-01-21；修回日期：2014-03-19

Research on LCA method in automotive materials data

system and its application

LIU Zhi-feng,HAN Xue-fei,ZHANG Lei

(School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract:To meet associated regulations at home and abroad, car manufacturers are continuously setting up automotive materials data system to analyze the recuperability of whole vehicle and restrict the hazardous substances. In this process, the bill of materials and the type of mass annotation are always difficult to choose. To solve this problem and conduct system improvement and database establishment, an environmental method based on the theory of life cycle assessment(LCA) is applied,which can provide technical support for cars’ green design.

Key words:life cycle assessment(LCA); automotive materials data system; material data audit; quality annotation; inventory analysis

0引言

隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展以及人們的綠色環(huán)保意識(shí)的不斷提高,國(guó)內(nèi)外相繼出臺(tái)了法律法規(guī),對(duì)汽車禁限用物質(zhì)的使用、整車的可回收利用性設(shè)計(jì)等進(jìn)行了規(guī)范及引導(dǎo)。其中,歐盟車輛報(bào)廢指令(ELV)[1]要求企業(yè)在汽車設(shè)計(jì)過(guò)程中減少鉛、汞、鎘、六價(jià)鉻等有害物質(zhì)的使用,并對(duì)報(bào)廢汽車的材料可回收利用率進(jìn)行了規(guī)定;全球汽車申報(bào)物質(zhì)清單(GADSL)[2]限制了汽車生產(chǎn)中131類物質(zhì)的使用;我國(guó)發(fā)布的《汽車產(chǎn)品回收利用技術(shù)政策》中明確指出需對(duì)報(bào)廢汽車的材料進(jìn)行物質(zhì)分類收集和分選,對(duì)汽車廢物合理利用或無(wú)害處理,最大限度降低直至消除汽車廢物對(duì)人體和環(huán)境的危害;文獻(xiàn)[3]規(guī)定了汽車可再利用率、可回收利用率的計(jì)算方法。

為了滿足汽車環(huán)保法規(guī)中的各項(xiàng)要求,汽車廠商必須在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初始階段對(duì)整車用材的環(huán)保性進(jìn)行評(píng)估。為此,汽車廠商紛紛開(kāi)發(fā)材料數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就對(duì)整車可回收再利用比例以及其中有毒、有害物質(zhì)的使用情況等進(jìn)行分析及管控,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)的目的,具有代表性的系統(tǒng)有德國(guó)大眾汽車公司建立的材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)MIS(material information systems)、車型回收利用率計(jì)算系統(tǒng)VERON以及奇瑞汽車公司建立的汽車材料數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)CMDS等,其中大眾汽車公司材料信息及拆解回收信息管理系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1　汽車材料及拆解回收信息管理系統(tǒng)整體架構(gòu)

在各種材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)使用過(guò)程中,經(jīng)常會(huì)遇到材料數(shù)據(jù)表單選擇以及質(zhì)量標(biāo)注類型確定等問(wèn)題,目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于這類問(wèn)題的研究較少,本文提出了一種基于生命周期評(píng)價(jià)(life-cycle assessment,LCA)的綠色環(huán)保性決策方法,幫助工程師實(shí)現(xiàn)材料數(shù)據(jù)表單選擇以及質(zhì)量標(biāo)注類型確定,為汽車制造廠商實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)提供支持。

1汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1　汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)的分類

目前,供各汽車制造廠商及零部件供應(yīng)商使用的汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)可分為2大類:① 由政府或組織建立;② 汽車制造廠商建立的僅供本公司使用的汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

第1類是政府或組織為了滿足各國(guó)回收利用法規(guī)的要求,提升汽車產(chǎn)品的回收利用率、推廣環(huán)保材料等需求而建立的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),其中包括歐盟建立的國(guó)際材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)(International Material Data System,IMDS)、國(guó)際拆解信息系統(tǒng)(IDIS)以及我國(guó)建立的中國(guó)汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)(China Automotive Material Data System,CAMDS)等[4]。

然而,由于BOM等數(shù)據(jù)的保密性以及供應(yīng)商提供的材料數(shù)據(jù)表單的分散性,各汽車制造廠商使用IMDS或CAMDS的過(guò)程中,會(huì)出現(xiàn)只能對(duì)單個(gè)零件的材料數(shù)據(jù)表單進(jìn)行審核分析,無(wú)法對(duì)整車BOM中所有零部件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、RRR計(jì)算等。這些問(wèn)題促使了基于IMDS或CAMDS的汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)的建立,如通用汽車公司的基于IMDS的MACOS系統(tǒng)、奇瑞汽車公司的基于CAMDS的CMDS系統(tǒng)等。本文所論述的是基于CAMDS的第2類汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的LCA分析與應(yīng)用方法。

1.2　汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)的基本框架結(jié)構(gòu)

汽車制造廠商建立自己的汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)的主要目的是為結(jié)合整車BOM對(duì)供應(yīng)商提供的材料數(shù)據(jù)表單進(jìn)行禁、限用物質(zhì)跟蹤管理、整車法規(guī)符合性分析以及RRR計(jì)算等工作,完成整車的環(huán)保性認(rèn)證。RRR代表再使用(reuse)、再利用(recycle)以及回收利用(recovery),即確定整車的可再利用率和可回收利用率。汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2　汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)框架

1.3　系統(tǒng)主要工作流程及使用中遇到的問(wèn)題

1.3.1　系統(tǒng)主要工作流程

目前,汽車制造廠商利用汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行的主要工作包括材料數(shù)據(jù)表單審核、整車數(shù)據(jù)分析以及RRR計(jì)算等,工作流程如圖3所示。

圖3　汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)工作流程

1.3.2　系統(tǒng)使用中遇到的問(wèn)題

從汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)的工作流程可以看出,汽車廠商的材料工程師需要完成的重要工作是表單審核以及RRR計(jì)算。

從CAMDS獲取到材料數(shù)據(jù)表單之后,材料工程師首先應(yīng)根據(jù)使用及環(huán)保需求對(duì)表單進(jìn)行審核,若表單合格則將其應(yīng)用到整車結(jié)構(gòu)樹中,反之則退回到CAMDS中,并將修改意見(jiàn)反饋給供應(yīng)商,方便供應(yīng)商對(duì)材料數(shù)據(jù)表單及零件設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。當(dāng)整車所有零部件的材料數(shù)據(jù)表單都審核通過(guò)后,材料工程師即可對(duì)整車進(jìn)行分析、質(zhì)量標(biāo)注以及RRR計(jì)算等工作。然而,材料工程師在系統(tǒng)使用過(guò)程中,會(huì)遇到如下問(wèn)題:

(1) 在進(jìn)行材料表單審核時(shí),同一零部件只需1份表單滿足設(shè)計(jì)及環(huán)保要求即可,但經(jīng)常出現(xiàn)多家供應(yīng)商提交的同一零件的表單或1家供應(yīng)商提供的多份同一零件的表單都滿足要求,材料工程師缺乏適當(dāng)手段選取其中的最優(yōu)方案。

(2) 在進(jìn)行RRR計(jì)算之前的質(zhì)量標(biāo)注時(shí),如果出現(xiàn)某零件可以有多種不同的標(biāo)注方案且RRR計(jì)算結(jié)果相同時(shí),材料工程師缺乏必要的決策手段確定零部件的最佳拆解回收方案。

針對(duì)上述問(wèn)題,利用LCA方法幫助材料工程師進(jìn)行決策是非常有效的。

2LCA信息模型

2.1　LCA簡(jiǎn)介

LCA是對(duì)產(chǎn)品從原材料的獲取、加工制造、包裝運(yùn)輸、使用維護(hù)到廢棄回收處理的生命周期全過(guò)程的資源消耗以及環(huán)境影響進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)的方法。LCA分析和評(píng)價(jià)主要包含4個(gè)步驟[5]:目標(biāo)范圍確定、清單分析、影響評(píng)價(jià)以及結(jié)果解釋,各步驟主要工作見(jiàn)表1所列,其生命周期評(píng)價(jià)框架如圖4所示。

表1　各分析步驟主要工作

圖4　生命周期評(píng)價(jià)框架

2.2　LCA與汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)的關(guān)系

LCA分析可作為汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)中其他模塊的基礎(chǔ),是為系統(tǒng)各功能模塊提供環(huán)保性決策依據(jù)的一種有效手段。

在進(jìn)行產(chǎn)品LCA分析的過(guò)程中,清單分析是其中難度最大、最耗時(shí)的步驟,數(shù)據(jù)的收集經(jīng)常會(huì)遇到無(wú)法解決的困難,這會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響。汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以為清單分析中零部件及產(chǎn)品的制造、退役處理等提供有力的數(shù)據(jù)支持,同時(shí)也可以解決目前大多數(shù)LCA 分析系統(tǒng)中由于人為隨意指定產(chǎn)品生命周期輸入、輸出數(shù)據(jù)帶來(lái)的數(shù)據(jù)分配(data allocation)不可靠的問(wèn)題。

LCA與汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)兩者之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5　LCA與汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)間的關(guān)系

3LCA應(yīng)用方法研究

本文主要研究LCA分析在汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)的材料表單審核模塊以及RRR計(jì)算模塊中的應(yīng)用方法。

3.1　LCA在材料表單審核中的應(yīng)用

3.1.1　應(yīng)用模型的建立

材料表單審核的主要功能是對(duì)汽車零部件及用材信息進(jìn)行審核,以保證整車設(shè)計(jì)達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

為保證所批準(zhǔn)的材料表單為最優(yōu)選擇,必須保證零件的綜合價(jià)值指標(biāo)最大。材料表單審核中汽車零部件綜合價(jià)值信息模型qi可表述為:

(1)

其中,Pi為零部件性能,包括功能性、安全性、美觀性等;Ci為零部件成本,包括原材料成本、制造成本等;Ii為零部件環(huán)境影響。

由于在汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)中,零部件性能及成本均可視為已知條件,確定材料數(shù)據(jù)表單是否最優(yōu)的關(guān)鍵在于確定其環(huán)境影響Ii。在完成清單分析階段的統(tǒng)計(jì)之后,Ii可通過(guò)LCA分析的第3步,即生命周期影響評(píng)價(jià)(LCIA)得出。LCIA可以分為3步,即影響分類、特征化以及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)量化,其中數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)量化是為了得到一個(gè)簡(jiǎn)單指定的單一指標(biāo)而對(duì)不同方案進(jìn)行比較,其基本計(jì)算公式為[6]:

(2)

其中,wk為影響類型k的權(quán)重因子;Sk為特征化階段后的類型參數(shù)結(jié)果,包括溫室氣體、酸雨、臭氧層損耗等,需使用Gabi、SinaPro等生命周期分析軟件計(jì)算得出,計(jì)算過(guò)程可表述為:

(3)

其中,Dmat為零部件原材料獲取階段輸入輸出數(shù)據(jù);Dp為零部件加工制造階段輸入輸出數(shù)據(jù);Dt為零部件包裝運(yùn)輸階段輸入輸出數(shù)據(jù);Duse為零部件使用維護(hù)階段輸入輸出數(shù)據(jù);Dr為零部件回收處理階段輸入輸出數(shù)據(jù)。

根據(jù)CML2001體系可知常用的環(huán)境影響類型的權(quán)重因子wk，見(jiàn)表2所列。

表2　環(huán)境影響類型及權(quán)重因子

3.1.2　特殊問(wèn)題中應(yīng)用模型的簡(jiǎn)化

對(duì)于在材料表單審核中出現(xiàn)多家供應(yīng)商提交的同一零件的表單且都滿足要求的情況,需要2份材料表單進(jìn)行對(duì)比分析時(shí),qi模型可做如下簡(jiǎn)化:若2份表單均滿足要求,可認(rèn)為零部件性能P1=P2;同時(shí),在汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)中,由于所審核零件均為采購(gòu)件,零部件成本值可簡(jiǎn)化為零部件采購(gòu)成本及運(yùn)費(fèi)之和C1′、C2′。進(jìn)行對(duì)比的2份材料表單綜合價(jià)值之比η可定義為:

(4)

在1家供應(yīng)商提供的多份同一零件的表單都滿足要求的情況下,除可將零部件性能簡(jiǎn)化為P1=P2、零部件成本值簡(jiǎn)化為零部件采購(gòu)成本C1′ 和C2′之外,還可對(duì)零部件LCA清單分析的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化,即忽略零部件運(yùn)輸階段以及使用階段的輸入數(shù)據(jù)Dt、Duse造成的參數(shù)結(jié)果Sk的變化。進(jìn)行對(duì)比的2份材料表單綜合價(jià)值之比η可定義為:

(5)

若同一家供應(yīng)商提供的2份表單用材也相同,僅在加工制造工藝等方面有區(qū)別,則(5)式可繼續(xù)簡(jiǎn)化為:

(6)

(4)～(6) 式中,若η>1,則選用零件2;若η<1,則選用零件1。

通過(guò)以上方法即可協(xié)助材料工程師完成材料表單最優(yōu)方案的決策。

3.1.3　案例分析

根據(jù)以上LCA分析方法,對(duì)汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)中某零件的2份材料數(shù)據(jù)表單進(jìn)行分析,2份材料表單中的零件信息見(jiàn)表3所列。

表3　零件信息清單

表單其他信息及零部件采購(gòu)成本等信息由于涉密的緣故不方便給出,這里假設(shè)C1′≈C2′。利用Gabi軟件對(duì)2份表單進(jìn)行清單分析,生命周期分析結(jié)果即I1、I2的數(shù)值如圖6所示。

經(jīng)計(jì)算可知I1C1′>I2C2′,η<1,故應(yīng)選用2號(hào)材料表單。

項(xiàng)目

3.2　 LCA在 RRR計(jì)算質(zhì)量標(biāo)注中的應(yīng)用

3.2.1　 RRR計(jì)算及質(zhì)量標(biāo)注規(guī)則簡(jiǎn)介

RRR計(jì)算的目標(biāo)是得出整車的可再利用率Rcyc和可回收利用率Rcov。根據(jù)文獻(xiàn)[7-8]中的規(guī)定,Rcyc和Rcov的計(jì)算公式為:

(7)

(8)

其中,等式右邊為不同拆解階段的零部件的總質(zhì)量;mP為預(yù)處理階段質(zhì)量;mD為拆解階段質(zhì)量;mm為金屬分離階段質(zhì)量;mTr為非金屬殘余物處理階段中可再利用的材料質(zhì)量;mTe為非金屬殘余物處理階段中用于能量回收的材料質(zhì)量;mV為整車質(zhì)量。

RRR計(jì)算之前的質(zhì)量標(biāo)注[9-10]就是確定在產(chǎn)品生命周期下游的廢棄回收階段,不同零部件分別在哪個(gè)拆解階段進(jìn)行處理。進(jìn)行零件質(zhì)量標(biāo)注時(shí),需要考慮零部件的用材、結(jié)構(gòu)等因素,具體的標(biāo)注規(guī)則見(jiàn)表4所列。

表4　質(zhì)量標(biāo)注規(guī)則

其中,mP階段主要是為接下來(lái)的拆解階段做準(zhǔn)備,去掉車內(nèi)所有的液體以及規(guī)定的零部件(電池、機(jī)油濾清器等);mD階段拆解的零部件一般具備再使用或再制造重用性;對(duì)于在mD階段無(wú)法處理的金屬零部件,全部在mm階段進(jìn)行破碎分選后回收處理所得金屬材料。質(zhì)量標(biāo)注的主要難點(diǎn)在于非金屬零部件的拆解階段的確定,本文主要研究LCA理論在非金屬零件拆解階段確定中的應(yīng)用。

3.2.2　 LCA理論在質(zhì)量標(biāo)注決策中的應(yīng)用研究

非金屬零部件可用的質(zhì)量標(biāo)注類型如下:

(1)mD,零部件整體拆解并進(jìn)行再使用或再制造。

(2)mTr,金屬分離階段之后作為可再利用的非金屬殘余物進(jìn)行處理。

(3)mTe,金屬分離階段之后作為可用于能量回收的剩余物進(jìn)行處理。

其中,標(biāo)注為mTr時(shí)需要已獲驗(yàn)證的再利用技術(shù)認(rèn)證。

由于質(zhì)量標(biāo)注只考慮廢棄回收階段零部件的回收處理方式,對(duì)于同一零部件而言,采用不同的質(zhì)量標(biāo)注類型進(jìn)行處理時(shí)只會(huì)造成輸入輸出數(shù)據(jù)Dr的變化。因此,進(jìn)行LCA清單分析時(shí),只需對(duì)數(shù)據(jù)Dr造成的分析結(jié)果變化進(jìn)行對(duì)比即可確定質(zhì)量標(biāo)注的最優(yōu)方案。不同質(zhì)量標(biāo)注結(jié)果的輸入輸出數(shù)據(jù)Dr所包括的類型見(jiàn)表5所列。

表5　不同拆解階段對(duì)應(yīng)的輸入輸出數(shù)據(jù)

通過(guò)上述內(nèi)容可知,零部件選用不同的質(zhì)量標(biāo)注時(shí),其拆解回收階段的輸入輸出數(shù)據(jù)會(huì)存在非常大的差別。而不同拆解回收方案中數(shù)據(jù)收集的困難會(huì)對(duì)零部件的LCA分析結(jié)果的準(zhǔn)確度造成非常大的影響。

因此,建立基于汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)的不同質(zhì)量標(biāo)注結(jié)果的輸入輸出清單的數(shù)據(jù)庫(kù)是非常必要的。輸入輸出數(shù)據(jù)總表中需包含的字段及其描述見(jiàn)表6所列。

表6　數(shù)據(jù)表詳細(xì)信息

其中,零部件信息和材料信息來(lái)自汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的材料數(shù)據(jù)表單,其他信息如能耗清單等需要汽車廠商自己進(jìn)行收集,存儲(chǔ)能耗、用材等數(shù)據(jù)的分表中所包含的字段見(jiàn)表7所列。

表7　數(shù)據(jù)分表詳細(xì)信息

表6中,拆解能耗耗材清單、再制造能耗耗材清單、輸出產(chǎn)品清單以及廢棄物清單中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)不同的TreeID;表7中多條數(shù)據(jù)的TreeID值可以相同,即表6中1項(xiàng)數(shù)據(jù)清單可對(duì)應(yīng)多條數(shù)據(jù)。分多張數(shù)據(jù)表進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果,可提高數(shù)據(jù)庫(kù)查詢效率。根據(jù)上述數(shù)據(jù)表的描述建立零件不同質(zhì)量標(biāo)注結(jié)果的輸入輸出清單數(shù)據(jù)庫(kù),并存儲(chǔ)相應(yīng)的拆解回收數(shù)據(jù),可以為零部件LCA分析及質(zhì)量標(biāo)注的確定提供幫助。

4結(jié)束語(yǔ)

本文論述了目前汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)在使用過(guò)程中經(jīng)常遇到的2大問(wèn)題,即材料表單審核中多份符合條件表單的決策問(wèn)題和RRR計(jì)算之前質(zhì)量標(biāo)注類型的確定問(wèn)題;提出了利用LCA方法解決問(wèn)題的思路,并論證了LCA方法在解決多份符合條件表單決策問(wèn)題上的有效性;同時(shí)在解決質(zhì)量標(biāo)注類型的確定問(wèn)題上提出了利用LCA方法進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)庫(kù)建立的思路。該方法為汽車制造廠商應(yīng)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)法規(guī)和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)提供了有力的支持。

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(責(zé)任編輯胡亞敏)