各種替代能源中型貨車生命周期環(huán)境排放分析

方海峰 馬金秋 陳軼嵩

摘 要：目前，針對(duì)車輛的節(jié)能環(huán)?？?jī)效越來(lái)越受到廣泛重視，各類替代能源汽車出現(xiàn)以期緩和化石能源危機(jī)與環(huán)境污染壓力。對(duì)于中型貨車而言，多種能源技術(shù)路線已逐步推廣，但哪種技術(shù)路線具有最好的環(huán)保效益還需要一系列研究來(lái)確定。在此背景下，文章應(yīng)用生命周期評(píng)價(jià)方法（LCA），選取較為常見(jiàn)的7款不同類別能源中型貨車為研究對(duì)象，基于Gabi平臺(tái)建立計(jì)算模型，并將最終的輸出環(huán)境影響結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，綜合環(huán)境效益最優(yōu)的為燃料電池中型貨車，并提出優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與制氫方案、加強(qiáng)汽車綠色設(shè)計(jì)等建議，以期進(jìn)一步提升中型貨車的環(huán)保效益。

關(guān)鍵詞：中型貨車;生命周期評(píng)價(jià);Gabi;環(huán)境影響;對(duì)比分析

中圖分類號(hào)：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2019）12-27-04

Abstract： At present， the energy conservation and environmental protection performance of vehicles has been paid more and more attention. Various types of alternative energy vehicles have emerged to ease the pressure of fossil energy and environ -mental pollution. For medium-sized trucks， multiple energy technology routes have been gradually promoted， but the technical route with the best environmental benefits also needs a series of studies to determine. In this context， this paper applies the life cycle assessment method （LCA） to select seven different types of energy medium-sized trucks as the research objects， builds a calculation model based on the Gabi platform， and compares the final output environmental impact results. The results show that the fuel cell medium-sized trucks with the best environmental benefits and suggest optimizing the grid structure and hydrogen production scheme and strengthening the green design of the vehicle， in order to improve the environ -mental benefits of the medium-sized trucks.

Keywords： Medium-Sized Truck; Life Cycle Assessment; Gabi; Environmental Impact; Comparative Analysis

CLC NO.： U469.7 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）12-27-04

前言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程不斷加快，人們的收入水平穩(wěn)步增長(zhǎng)，汽車產(chǎn)業(yè)在良好的市場(chǎng)背景下迅速增長(zhǎng)。但是，汽車大量使用帶來(lái)的排放和導(dǎo)致的環(huán)境污染問(wèn)題已不容忽視。隨著新能源汽車概念的興起，汽車產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入了“傳統(tǒng)”向“新能源”的改革時(shí)期，乘用車的新能源進(jìn)程如火如荼，貨車作為大型汽車所產(chǎn)生的環(huán)境排放更加不容忽視。如今，各類新能源貨車如雨后春筍般進(jìn)入了汽車市場(chǎng)，雖然各類替代能源貨車的出現(xiàn)將從源頭上解決當(dāng)下嚴(yán)苛的排放法規(guī)，但從生命周期范圍內(nèi)分階段、分角度的對(duì)不同能源貨車進(jìn)行環(huán)境排放的對(duì)比研究更為客觀和必須。

生命周期評(píng)價(jià)是對(duì)一個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周期中輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評(píng)價(jià)。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T24043）對(duì)LCA的解釋為：“對(duì)一個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)的整個(gè)階段，包括原材料的采集加工、生產(chǎn)、包裝、運(yùn)輸、消費(fèi)、回收以及最終處理等過(guò)程，進(jìn)行資源和環(huán)境影響的分析與評(píng)價(jià)?！庇蒊SO14040和GB/T24040標(biāo)準(zhǔn)可知，生命周期評(píng)價(jià)包含四個(gè)階段：目的與范圍的確定（確定功能單位）;清單分析（LCI，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)建模）;影響評(píng)價(jià)（計(jì)算）;結(jié)果解釋。這四個(gè)階段互相關(guān)聯(lián)，構(gòu)成了生命周期評(píng)價(jià)的框架。

目前，針對(duì)汽車領(lǐng)域的LCA評(píng)價(jià)已較為豐富，尤其是在新能源乘用車的生命周期節(jié)能減排績(jī)效，各國(guó)專家學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了一系列研究分析[1-5]。然而，對(duì)不同替代能源中型貨車的分階段、多角度對(duì)比分析在我國(guó)還有很大進(jìn)步空間。就國(guó)內(nèi)而言，劉振[6]以四款不同廠家生產(chǎn)的輕型載貨汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)四款柴油機(jī)進(jìn)行了使用階段的生命周期評(píng)價(jià)，結(jié)果確定了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)環(huán)境危害最大的方面和關(guān)鍵排放物，通過(guò)橫向的對(duì)四款發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比，提出了能減少污染物排放的配置和可行的改善建議。馬麗萍等人[7]以輕型貨車和重型貨車作為研究對(duì)象，介紹了城市道路交通運(yùn)輸生命周期清單分析的基本計(jì)算方法，得到目前我國(guó)城市道路兩類貨車運(yùn)輸?shù)纳芷谇鍐?。該清單可以為各類材料與產(chǎn)品的生命周期清單分析或生命周期分析提供定量的數(shù)據(jù)支持和方法基礎(chǔ)。此外，美國(guó)環(huán)保局（EPA）和美國(guó)公路交通安全管理局（NHTSA） [8]聯(lián)合推出了新一輪中負(fù)荷和重負(fù)荷車輛標(biāo)準(zhǔn)，將削減碳排放、提高燃料經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)提高能源安全，刺激車輛和燃料生產(chǎn)創(chuàng)新。新法規(guī)于2016年8月16日簽發(fā)，對(duì)2021—2027年卡車概念年有效。

綜上所述，目前生命周期方法已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，隨著《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》的發(fā)布，貨車的相關(guān)環(huán)保減排工作也得到人們的重視，因此，本文以Gabi軟件為依托，針對(duì)我國(guó)現(xiàn)有的各類柴油和替代能源貨車做一次系統(tǒng)的研究對(duì)比具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。

2 目標(biāo)與范圍

2.1 評(píng)價(jià)對(duì)象

本研究目的是通過(guò)科學(xué)的生命周期方法，以柴油貨車為基準(zhǔn)，計(jì)算各種替代能源貨車的生命周期排放大小，以期為政府作出科學(xué)合理的決策提供依據(jù)。本文以當(dāng)下市面上柴油中型貨車（ICEV）、純電動(dòng)中型貨車（BEV）、插電式混合動(dòng)力中型貨車（氣電）（PHEV 氣電）、插電式混合動(dòng)力中型貨車（油電）（PHEV 油電）、增程式中型貨車（REV）、燃料電池中型貨車（FCV）、天然氣中型貨車（NGV）等7種不同類型的中型貨車為研究對(duì)象，其詳細(xì)規(guī)格參數(shù)如表1所示。本研究的功能單位為100000km。

2.2 系統(tǒng)邊界

系統(tǒng)邊界限定為5個(gè)生命周期階段：原材料獲取階段、零部件制造階段、整車裝配階段、使用階段、報(bào)廢回收階段。由于各種替代能源貨車整個(gè)生命周期使用階段占比較大，排放差異也較大，因此本研究重點(diǎn)關(guān)注使用階段。本研究的能源消耗為原油、原煤和天然氣，排放物僅研究CO2、CO、NOx、SOx、VOC、CH4、PM10、PM2.5。系統(tǒng)邊界如圖1 所示。

3 清單分析與模型構(gòu)建

本次建模所用平臺(tái)為德國(guó)斯圖加特大學(xué)聚合物測(cè)試與科學(xué)研究所（Institute for Polymer Testing and Polymer Science，IKP）和PE（PE International）公司共同研發(fā)的生命周期評(píng)價(jià)專用工具軟件—Gabi。根據(jù)系統(tǒng)邊界，清單分析將從原材料獲取階段、零部件制造階段、整車裝配階段、使用階段、報(bào)廢回收階段五個(gè)階段進(jìn)行，分別建立獨(dú)立方案，最終串聯(lián)在一起形成貨車的完整生命周期。由于本次研究對(duì)象包含車型較多，數(shù)據(jù)眾多、方案復(fù)雜，因此受篇幅所限，本次只展示每種車型最終的全生命周期總Gabi模型，其他詳細(xì)的子模型不做展示。每種車型最終的GaBi模型圖如圖2所示。

4 評(píng)價(jià)結(jié)果與解釋

4.1 評(píng)價(jià)結(jié)果

本次研究結(jié)果僅針對(duì)7款不同動(dòng)力類型類型的中型貨車的環(huán)境排放，暫不考慮其產(chǎn)生的能耗情況。在排放物中，本次研究考慮主要排放物，為更好解釋各種環(huán)境影響類型的相對(duì)重要性，引用國(guó)際上普遍采用的CML2001的影響評(píng)價(jià)方法，對(duì)全球變暖潛值（GWP）、酸化潛值（AP）、水體富營(yíng)養(yǎng)化潛值（EP）、光化學(xué)煙霧潛值（POCP）和臭氧層損耗潛值（ODP）五項(xiàng)影響指標(biāo)進(jìn)行分析，通過(guò)計(jì)算得到其特征化結(jié)果。為了更好的對(duì)環(huán)境影響進(jìn)行統(tǒng)一對(duì)比分析，運(yùn)用CML2001方法對(duì)前述五種環(huán)境影響類型做歸一化和量化處理。其中，歸一化基準(zhǔn)值來(lái)源于GaBi數(shù)據(jù)庫(kù)，權(quán)重來(lái)源于參考文獻(xiàn)，具體數(shù)值如表2所示。經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算，最終7款不同動(dòng)力類型的全生命周期環(huán)境排放歸一化結(jié)果計(jì)算結(jié)果如表3所示。

4.2 對(duì)比分析

為了更好的對(duì)所研究的七種不同能源貨車全生命周期排放對(duì)比，首先將每一類貨車全生命周期內(nèi)總環(huán)境影響綜合值進(jìn)行對(duì)比如圖3所示。

通過(guò)圖3可以看出，在七類動(dòng)力類型的中型貨車從“搖籃”到“墳?zāi)埂钡恼麄€(gè)生命周期過(guò)程中，柴油貨車所產(chǎn)生的環(huán)境影響最為顯著，其次為天然氣貨車、影響值最小的是增程式中型貨車、其次是燃料電池貨車。這主要是因?yàn)?，柴油貨車的整個(gè)使用過(guò)程消耗了大量的柴油，柴油作為一種化石燃料在燃燒產(chǎn)生大量的溫室氣體以及碳煙和顆粒物，而相比之下，燃料電池汽車整個(gè)生命周期過(guò)程的環(huán)境排放要減少許多，因?yàn)闅鋵儆谇鍧嵞茉?，燃燒過(guò)程理論認(rèn)為只產(chǎn)生水，而無(wú)其他污染氣體。由于不同能源的消耗主要集中在貨車的運(yùn)行使用階段，因此本研究給出不同能源中型貨車使用階段環(huán)境影響值對(duì)比如圖4所示。

由圖4可以看出，柴油中型貨車在使用階段產(chǎn)生的環(huán)境排放依舊是最大的，其次是天然氣汽車，增程式、油電式和氣電式的中型貨車環(huán)境影響中等水平，純電式中型貨車的排放相比于前五種類型大大減少，環(huán)境效益最優(yōu)的為燃料電池汽車，僅為柴油車的4%，具有最優(yōu)的環(huán)境排放效益。

5 結(jié)論

通過(guò)柴油貨車、純電動(dòng)貨車、插電式混合動(dòng)力汽車（氣電）、插電式混合動(dòng)力汽車（油電）、增程式貨車、燃料電池貨車、天然氣貨車七款不同能源貨車進(jìn)行從搖籃到墳?zāi)沟纳芷谠u(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

（1）推廣燃料電池貨車。本研究中，除柴油中型貨車之外，6款替代能源貨車均表現(xiàn)出了優(yōu)于柴油貨車的減排效果，其中，燃料電池中型貨車減排程度最佳。因此，未來(lái)貨車車隊(duì)中，燃料電池貨車應(yīng)得到重視，逐步推廣應(yīng)用。

（2）改善我國(guó)電能結(jié)構(gòu)。結(jié)合純電動(dòng)貨車和插電式貨車結(jié)果來(lái)看，電能消耗造成的環(huán)境污染排放不容小覷，著主要因?yàn)槲覈?guó)電能結(jié)構(gòu)中的煤電比例較大，源頭上燃燒大量化石能源的根本矛盾未解決化。因此，應(yīng)優(yōu)化火力發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換效率、大力推進(jìn)太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源發(fā)電站的建設(shè)，減少電網(wǎng)的負(fù)面環(huán)境效益。

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