中國CNG/汽油兩用燃料汽車全生命周期評價

胡守信，李興虎

（北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083）

2017年6月，國家發(fā)改委等13部委發(fā)布了《加快推進天然氣利用的意見》，明確提出加快天然氣汽車的發(fā)展。近年來，壓縮天然氣（CNG）汽車數(shù)量快速增長，2017年底，全國CNG汽車保有量已接近600萬輛，其中80%是從傳統(tǒng)汽油車改裝而來，20%為原裝車[1]。CNG/汽油兩用燃料汽車在CNG汽車總量中占比較大，對其進行分析研究顯得尤為必要。

國外學(xué)者Lars等[2]運用生命周期評價（LCA）理論研究CNG汽車時發(fā)現(xiàn)，與柴油車相比，CNG垃圾收集車對環(huán)境影響較小且成本比常規(guī)柴油垃圾車更低；Mierlo等[3]將多種車用能源進行對比，發(fā)現(xiàn)CNG在化石燃料中碳排放最低，在大氣污染排放方面表現(xiàn)較為優(yōu)異；國內(nèi)部分學(xué)者針對CNG燃料生命周期建立了生命周期評價模型[4-5]，同時也對CNG汽車生命周期成本進行了分析[6]；亦有大量學(xué)者對常見新能源汽車進行生命周期評價[7-10]，探索各種能源下汽車的能耗和排放差異；此外李興福[11]基于GaBi軟件對傳統(tǒng)燃油車回收過程進行了詳細的分析。但尚未有針對CNG/汽油兩用燃料汽車建立包括報廢回收在內(nèi)的整車全生命周期模型，分析CNG/汽油兩用燃料汽車全生命周期內(nèi)的能耗和排放，并對燃料應(yīng)用比例對環(huán)境的影響進行定量分析。

本文結(jié)合GaBi軟件，收集實際使用條件下的數(shù)據(jù)，建立了包括車輛生命周期和燃料生命周期在內(nèi)的全生命周期評價模型?；谠撃Ｐ头治隽耸兰蜟NG/汽油兩用燃料汽車各階段的能耗和排放情況，對能耗和排放較大的階段進行分析。

1 評價目標(biāo)與范圍確定

1.1 評價目標(biāo)

本文選用經(jīng)典世嘉CNG/汽油兩用燃料汽車作為分析對象，對其從原材料獲取到報廢回收的全生命周期能耗和排放進行分析，探索降低能耗和排放的具體方式。所選車型整備質(zhì)量為1 390 kg，發(fā)動機排量為1.6 L，儲氣罐容積為75 L、壓力為20 MPa，油箱容積為60 L。燃油和燃氣的最大功率分別為78 k W 和68 k W，百公里油耗和氣耗分別為7.3 L和6.6 m3。

1.2 范圍確定

根據(jù)車輛用途不同，整車使用總里程有較大差異，同種用途的車輛因個人使用習(xí)慣不同，整車使用總里程的差異也較明顯，在此參考文獻[12]，將整車使用總里程最高值定為30萬公里，并采用變里程方式對整車能耗和排放趨勢進行分析。

系統(tǒng)邊界如圖1所示。系統(tǒng)輸入中考慮鐵礦石、銅礦石等礦產(chǎn)資源和3種化石資源，輸出僅考慮CO2、NOx等8種氣體排放。整車制造裝配階段考慮電能和熱能消耗；使用維修階段主要消耗汽油和CNG兩種燃料以及需要更換的輪胎、蓄電池、流體；報廢回收階段消耗電能、熱能、氧氣、乙炔等進行拆解，回收得到各種礦產(chǎn)資源、汽車零部件以及少量電能。

2 模型的建立

本文選用GaBi軟件對CNG/汽油兩用燃料汽車全生命周期進行建模，建模過程盡可能采用符合實際加工工藝的方式進行，以期與實際情況更為接近。在建模時參照GREET模型[13]將汽車分為汽車主體、流體、CNG供氣系統(tǒng)、蓄電池4個部分。

2.1 原材料獲取階段

汽車在生產(chǎn)制造過程中消耗大量材料如鋼、鋁、銅等，各種材料的上游均會消耗大量能源并產(chǎn)生大量污染物。汽車各部分材料組成比例如表1所示。

汽車主體中鋼、鋁、鑄鐵、塑料在原材料比例中占比達到91.1%[10]，在此采用較新的中國本土數(shù)據(jù)[14-15]，以使模型更符合中國實際情況，銅、玻璃、橡膠等的上游數(shù)據(jù)來自GaBi數(shù)據(jù)庫。對于CNG供氣系統(tǒng)主要考慮質(zhì)量占比較大的氣瓶，其余小部件對總體結(jié)果影響很小，忽略不計。氣瓶主要由鋼（30 CrMo）、玻璃纖維和樹脂組成[16]；此外，流體制造過程也在原材料獲取階段進行考慮。

2.2 零部件制造階段

零部件制造階段主要消耗電能和熱能，電力結(jié)構(gòu)不同對整車排放也會有所影響，在此選擇2017年中國電力結(jié)構(gòu)作為參考。零部件制造階段直接環(huán)境污染物排放較少，在此忽略不計。各主要部件電能、熱能、潤滑油消耗數(shù)據(jù)根據(jù)文獻[17]設(shè)定，其中電能消耗如表2所示。

表2 汽車主要零部件制造階段電能消耗[17]Table 2 Electrical energy consumption of vehicle main components during manufacturing phase[17]

2.3 整車涂裝總裝階段

在組裝過程中主要使用焊接、螺栓連接和膠接3種連接方式，由于螺栓連接和膠接過程中的能耗和排放數(shù)據(jù)難以獲得且對整體結(jié)果影響較小，在此忽略不計。汽車在涂裝總裝過程中主要能源消耗如下[10]：涂裝（2.72 MJ/kg）、采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)與照明（2.18 MJ/kg）、供暖（2.03 MJ/kg）、物料搬運（0.45 MJ/kg）、焊接（0.61 MJ/kg）和車間壓縮空氣（0.9 MJ/kg）。由于噴漆的特殊性，在涂裝過程中會產(chǎn)生大量污染物排放，每涂裝一輛車CO排放量為0.022 4 kg、NOx排放量為0.026 8 kg、PM2.5排放量為0.06 kg、揮發(fā)性有機化合物（Volatile Organic Compounds，VOC）排放量為1.6 kg[18]。

2.4 使用維修階段

使用維修階段主要消耗CNG和汽油，在此假設(shè)使用CNG和使用汽油的里程比為3∶1。汽油和CNG上游數(shù)據(jù)選用GaBi數(shù)據(jù)庫中的中國數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時間對應(yīng)于2008—2017年。CNG在生產(chǎn)過程中主要包括天然氣開采和壓縮2個過程，天然氣開采過程能耗與排放來自GaBi數(shù)據(jù)庫；假設(shè)壓縮過程均采用電機壓縮方式，每立方米常壓天然氣壓縮至20～25 MPa耗電0.72 MJ[19]。汽車在使用汽油和CNG作為燃料時的污染物排放率 如 表3所 示[20-21]，其 中THC表 示 總 碳 氫 化合物。

表3 兩種燃料的氣體污染物排放率[20-21]Table 3 Exhaust emission ratio using two fuels[20-21]g/km

在使用維修階段，本文僅考慮一些必須周期性更換的流體、蓄電池和輪胎的消耗。通過查閱汽車使用手冊得知各流體更換頻率為：機油（7 500 km/次）、制動液（20000 km/次）、變速箱油（60 000 km/次）、冷卻液（30 000 km/次）。由于雨刷液受人為習(xí)慣影響較大，在此設(shè)定為12 500 km/次[22]。通過咨詢修理廠和4S店工作人員得知啟動電池大約每3～4年更換一次，輪胎80 000 km更換一次。

2.5 報廢回收階段

汽車經(jīng)過拆解，對可利用部件進行再利用再制造后，將鋼鐵部件回爐回收，剩余殘渣進行填埋處理。

一輛車在拆解過程中消耗電能66.7 MJ，消耗氧氣6.77 kg，乙炔1.47 kg；再制造一臺發(fā)動機與使用原材料制造一臺發(fā)動機相比，可以節(jié)約16 kg鋁、58.2 kg鋼和406.8 MJ的電能[11]；假設(shè)輪胎回收方式為動態(tài)脫硫法，回收產(chǎn)品有鐵和再生膠，設(shè)定再生膠替代橡膠的替代因子為1∶0.3[23]；鉛酸蓄電池在回收過程中主要消耗電能和煤，輪胎和鉛酸蓄電池在回收過程中的能耗和排放參考文獻[11]進行設(shè)定。鋼鐵回爐過程的數(shù)據(jù)來自Ga-Bi數(shù)據(jù)庫。

3 影響評價與結(jié)果解釋

3.1 各階段能耗和排放結(jié)果

整車建模結(jié)束后可運用GaBi軟件平衡表功能自動匯總各階段輸入輸出，計算得出表4所示的各階段能耗和排放?？梢钥闯?，使用維修階段天然氣和原油消耗最多，占消耗總量的98%和97%；由于在各材料上游的礦石冶煉過程中使用了大量的煤，原材料獲取階段原煤消耗約占總量的48%。主要氣體污染物排放從大到小依次為CO、NOx、NMVOC、SOx。總NOx排放中使用維修階段占比87%，其次為原材料獲取階段；噴涂過程會有較多顆粒物排放，整車涂裝總裝階段顆粒物排放占比也超過20%。報廢回收階段由于避免了大量的材料制備過程而節(jié)約了1%的能源消耗。

3.2 特征化與歸一化

本文采用CML2001評價方法進行特征化，主要關(guān)注礦產(chǎn)資源消耗（ADP（e））、化石能源消耗（ADP（f））、酸化潛值（AP）、水體富營養(yǎng)化潛值（EP）、全球變暖潛值（GWP）、臭氧層破壞潛值（ODP）和光化學(xué)煙霧潛值（POCP）。各階段特征化結(jié)果如表5所示，表中Eq表示等同于。

表4 全生命周期各階段能耗和排放Table 4 Energy consumption and emission of each phase in full life cycle

表5 全生命周期各階段特征化結(jié)果Table 5 Characterization results of each phase in full life cycle

1）礦產(chǎn)資源消耗

礦產(chǎn)資源消耗如圖2所示，從圖中可以看出，原材料獲取階段礦產(chǎn)資源消耗最多，其次為使用維修階段。這主要是由于在原材料中包含了大量鋼材、鋁材等金屬，在金屬制備上游需要消耗大量礦石資源。報廢回收階段由于回收了大量金屬材料，產(chǎn)生了部分負的礦產(chǎn)資源消耗，即由于回收避免了34%的礦產(chǎn)資源消耗。

2）化石能源消耗

化石能源消耗如圖3所示，從圖中可以看出，使用維修階段消耗化石能源最多，占總化石能源消耗的89%，這主要由于在使用維修階段消耗了大量的汽油和CNG。原材料獲取階段的化石能源消耗主要來自礦石的冶煉過程消耗，其余各階段占比較低。

圖2 全生命周期礦產(chǎn)資源消耗Fig.2 Mineral resource consumption in full life cycle

3）環(huán)境影響分析

特征化結(jié)果的歸一化結(jié)果如表6所示。歸一化基準(zhǔn)值來自GaBi數(shù)據(jù)庫，權(quán)重數(shù)值參考了文獻[24]確定。由表6和圖4可知，各階段對環(huán)境影響從大到小依次為：使用維修階段、原材料獲取階段、整車涂裝總裝階段、零部件制造階段、報廢回收階段。使用維修階段由于燃燒大量的天然氣和汽油產(chǎn)生大量尾氣排放，其中CO2、SO2占比較多；原材料獲取階段污染物排放主要來自材料制備上游，包括礦石開采加工、金屬冶煉等。報廢回收階段環(huán)境影響綜合值為負，這是由于回收產(chǎn)生的排放小于各回收產(chǎn)品制備過程的排放，由歸一化結(jié)果，由于報廢回收階段全生命周期對環(huán)境影響減少了1%。

3.3 敏感性分析

由圖4可知，在CNG/汽油兩用燃料汽車全生命周期內(nèi)使用維修階段能耗和環(huán)境影響綜合值均為最高。為降低整車全生命周期內(nèi)環(huán)境影響綜合值，本文將從使用CNG-汽油的使用里程比、整車總使用里程、電力結(jié)構(gòu)3個角度進行分析。

1）CNG-汽油使用里程比

通過改變使用CNG-汽油的使用里程比來研究整車使用階段對環(huán)境影響的變化。不同比例下使用維修階段的環(huán)境影響綜合值結(jié)果如圖5所示。

當(dāng)CNG-汽油使用里程比提高時，各環(huán)境影響參數(shù)均有所下降。與僅使用汽油相比，僅使用CNG所帶來的環(huán)境影響綜合值可降低28%左右。但在使用CNG時燃燒溫度較高，且未使用CNG專用的催化轉(zhuǎn)化器，尾氣中NOx和THC含量較高，并未完全發(fā)揮天然氣汽車的優(yōu)勢。CNG專用汽車較汽油車可減少CO 排放90%，NOx排放58%和THC排放50%，將數(shù)據(jù)代入模型進行計算所得結(jié)果如圖5所示，與僅使用的汽油的兩用燃料汽車相比，CNG專用汽車可降低環(huán)境影響綜合值44%。因此，和汽油車相比，CNG兩用燃料汽車在成本較低的情況下可有效降低環(huán)境影響，但發(fā)展CNG專用汽車則對節(jié)能減排更為有利。

圖4 各階段環(huán)境影響歸一化結(jié)果Fig.4 Environment effect normalization results of each phase

圖5 不同CNG-汽油使用里程比下的環(huán)境影響綜合值Fig.5 Comprehensive environmental impact value under different CNG-gasoline mileage ratios

2）整車總使用里程

整車總使用里程根據(jù)用途和使用者習(xí)慣差別較大，不同總使用里程下的環(huán)境影響綜合值和化石能源消耗如圖6所示。從圖中可以看出，環(huán)境影響綜合值和化石能源消耗隨著總里程的增加呈線性增長，通過回收會使兩者有所降低。

3）電力結(jié)構(gòu)

在整車制造、使用以及回收過程都會有電力的消耗，電力結(jié)構(gòu)不同所帶來的環(huán)境影響差別較大，由國家可再生能源中心最新發(fā)布的《美麗中國2050年的能源經(jīng)濟生態(tài)系統(tǒng)》中給出了中國既定政策下所對應(yīng)的電力結(jié)構(gòu)[25]，如表7所示，表中2017年前為實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其余為預(yù)測值。計算得出2017—2050年對應(yīng)的環(huán)境影響綜合值如圖7所示。

隨著風(fēng)電、光電核電比例的增大全生命周期環(huán)境影響綜合值顯著下降，與2017年相比，2035年環(huán)境影響綜合值下降約7.5%，到2050年可降低約10.6%。因此優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)，促進可再生能源的發(fā)展對整車全生命周期環(huán)境影響亦有明顯改善作用。

圖6 整車總使用里程對化石能源消耗和環(huán)境的影響Fig.6 Impact of total mileage on fossil energy consumption and environment

表7 2014—2050年電力結(jié)構(gòu)[25]Table 7 Electric power structure in 2014—2050[25]%

圖7 2017—2050年電力結(jié)構(gòu)對應(yīng)的環(huán)境影響綜合值Fig.7 Comprehensive environmental impact value corresponding to electric power structure in 2017—2050

4 結(jié) 論

1）汽車使用維修階段能源消耗和污染物排放最多，能耗以CNG為主，主要污染物排放為CO、NOx和SO2。

2）原材料獲取階段礦產(chǎn)資源消耗最多，使用維修階段化石能源消耗最多，環(huán)境影響綜合值從大到小依次為：使用維修階段、原材料獲取階段、整車涂裝總裝階段、零部件制造階段、報廢回收階段。通過回收可節(jié)約超過30%的礦產(chǎn)資源消耗并減少1%的污染物排放。

3）對于CNG/汽油兩用燃料汽車環(huán)境影響綜合值，以僅使用汽油作為基準(zhǔn)值，僅使用CNG時可降低28% 左右，而 CNG 專用汽車則可降低44%。

4）按照電力結(jié)構(gòu)發(fā)展預(yù)測結(jié)果，與2017年相比，2035年全生命周期環(huán)境影響綜合值下降約7.5%，到2050年可降低約10.6%。堅持優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)，促進可再生能源的發(fā)展對整車全生命周期環(huán)境影響亦有明顯改善作用。