純電動汽車生命周期碳排放影響因素的研究

劉爽，趙濤，楊會亮，楊文謙

長城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北保定 071002

在清潔交通領(lǐng)域，電動汽車被認(rèn)為是內(nèi)燃機(jī)汽車最有希望的替代品。由于尾氣排放為零，電動汽車有助于消除局部污染，這在人口過多的城市地區(qū)尤為重要。然而，這并不意味著電動汽車根本沒有環(huán)境負(fù)擔(dān)[1，2]。李彬[3]借助生命周期評價(Life cycle assessment，LCA)方法，建立電動汽車全生命周期模型，研究發(fā)現(xiàn)，HEV、PHEV、EV消耗的汽油比例分別降低了27.4%、43.4%和94.9%，但是煤炭消耗分別增加了15.7%、155.0%和293.9%，碳排放量依舊很高。陳行[4]認(rèn)為當(dāng)前我國以火力發(fā)電為主的能源結(jié)構(gòu)背景下，電動汽車行駛過程中使用電力替代燃油，實質(zhì)上是將碳排放由消費(fèi)端轉(zhuǎn)移到了生產(chǎn)端。電動汽車的使用階段消耗的電力主要來自現(xiàn)有電網(wǎng)[5]，而我國火力發(fā)電是最重要的發(fā)電方式，發(fā)電階段是主要的碳排放過程，對全球變暖潛勢有很大影響。電力的使用會貫穿電動汽車整個生命周期過程，能源生產(chǎn)和使用過程是全球污染較為嚴(yán)重的過程之一，這也是不可忽視的隱含碳足跡[6]。

汽車的主要金屬材料是鋼、鋁、鐵和銅等，金屬的原材料開采及生產(chǎn)制造過程中會產(chǎn)生大量的碳排放，對全球變暖潛勢有很大影響。劉凱輝[7]等通過對比亞迪E6純電動汽車進(jìn)行原材料獲取、制造、運(yùn)輸、使用和回收五個階段的全生命周期評價，并對鋼、鋁和銅的回收率進(jìn)行敏感性分析研究發(fā)現(xiàn)，銅的回收率對純電動汽車生命周期礦產(chǎn)資源的消耗影響最為敏感。周博雅[8]考察鋼鐵、鋁、銅、鉛、鎳和鈷六類金屬材料,研究發(fā)現(xiàn)，鋁、碳酸鋰和石墨等材料周期結(jié)果中產(chǎn)生高的化石消耗和高的碳排放，金屬材料再生過程相比于原生過程能耗降低60%～90%。

本文從LCA角度出發(fā)，以某自主品牌的A0級純電動汽車（Baterry electric vehicle，BEV，該款電動汽車標(biāo)識為A0 BEV）為研究對象，運(yùn)用GaBi 9.5軟件建模分析其生命周期過程中的碳排放情況，精確計算了電動汽車生命周期每個階段的碳排放量，并在關(guān)鍵碳排放階段進(jìn)行敏感性分析，進(jìn)而提出更加有效的低碳改進(jìn)措施，以打造綠色環(huán)保型純電動汽車。

整車生命周期碳排放核算

研究對象為某自主品牌的A0級純電動汽車，功能單元定義為生命周期行駛里程150 000km，其主要性能參數(shù)見表1，整車的主要材料分布情況見表2。

表1 A0 BEV主要性能參數(shù)

表2 A0 BEV主要材料分布情況

本研究依據(jù)全生命周期評價方法，使用GaBi 9.5軟件進(jìn)行原材料生產(chǎn)、零部件制造、整車裝配、使用階段和報廢回收等階段的碳排放值核算，運(yùn)用CML 2001評價方法開展該自主品牌車企的A0 BEV以上各個階段的全球變暖潛勢評估。A0 BEV全生命周期排放的CO2當(dāng)量為33305.62 kg CO2e，對全球變暖潛力的最大負(fù)面影響主要發(fā)生在使用階段，其次是生產(chǎn)階段（包括原材料生產(chǎn)和零部件制造階段、整車裝配階段）。圖1所示為不同生產(chǎn)階段產(chǎn)生的碳排放量的比重，可以看出，使用階段、原材料生產(chǎn)和零部件制造階段對全球變暖潛勢影響的貢獻(xiàn)值分別為51.59%和46.02%。

圖1 不同生產(chǎn)階段產(chǎn)生的碳排放量的比重

使用階段敏感因素分析

A0 BEV整車生命周期過程中，對全球變暖潛勢的影響主要發(fā)生在使用階段，占整車生命周期內(nèi)全球變暖潛勢影響的51.59%。使用階段消耗了大量的能源和資源，該階段的碳排放主要取決于電的使用量，而電的使用量與百公里耗電量、動力電池包的質(zhì)量/區(qū)域電網(wǎng)的發(fā)電方式和充電模式等緊密相關(guān)[9,10]，因此本文選取動力電池包的質(zhì)量、百公里耗電量進(jìn)行敏感性分析，分析、測算其對全球變暖潛勢影響程度和敏感性程度，影響因素小幅度變化能導(dǎo)致全球變暖潛勢的較大變化，則判斷該因素對全球變暖潛勢能影響大。設(shè)敏感性因素的變化范圍為±10%，兩種敏感性因素的變化對全球變暖潛勢的影響見表3。

表3 基于敏感性因素變化的全球變暖影響分析

圖2所示為基于敏感性因素變化的全球變暖潛勢影響圖。分析可知，百公里耗電量對全球變暖潛勢影響最為敏感，敏感因子為1，動力電池包的質(zhì)量對全球變暖潛勢的影響則相對較小，敏感因子為0.336。這主要是由于汽車使用過程中消耗的電力主要是由火力發(fā)電產(chǎn)生的，火力發(fā)電過程中會消耗大量煤炭資源，排放大量溫室氣體，進(jìn)而對全球變暖潛勢影響較大。因此，要想降低使用階段的敏感性，應(yīng)該優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，注重綠色發(fā)電模式，例如：加大力度實施水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等，可以有效減少發(fā)電過程中產(chǎn)生的溫室氣體。其次，在保證動力電池包性能的前提下，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計、先進(jìn)的制造工藝或選用新型材料，達(dá)到輕量化設(shè)計的目的，以降低整車碳排放量。

圖2 基于使用階段敏感性因素變化的全球變暖潛勢影響

鋼材和鋁材的截止率對全球變暖潛勢的影響

由表2可知，純電動汽車的主要材料是鋼和鋁，分別占整車質(zhì)量的46.2%和13.3%，同時單位質(zhì)量的鋁的碳排放量比鋼高85%～90%。鋼材和鋁材的截止率是影響整車生命周期內(nèi)碳排放量的一個關(guān)鍵因素，截止率越低利用率越高，切割或沖壓同等數(shù)量的鋼/鋁零部件使用的鋼/鋁板數(shù)量越少，產(chǎn)生的碳排放量越少。圖3所示為生產(chǎn)單位質(zhì)量鋼/鋁零部件材料產(chǎn)生的碳排放量與截止率的關(guān)系。由圖可以看出，鋼/鋁板截止率越高，生產(chǎn)單位質(zhì)量鋼/鋁零部件材料產(chǎn)生的碳排放量越高。其中截止率越大，生產(chǎn)單位質(zhì)量鋁零部件材料產(chǎn)生的碳排放量增長的越快，呈快速增長趨勢。生產(chǎn)單位質(zhì)量鋼零部件材料產(chǎn)生的碳排放量呈平緩增長趨勢。

圖3 生產(chǎn)單位質(zhì)量鋼/鋁零部件材料產(chǎn)生的碳排放量與截止率的關(guān)系

圖4所示是基于鋼/鋁板截止率敏感性因素變化的全球變暖潛勢影響圖，對鋼/鋁板截止率進(jìn)行敏感性分析，設(shè)敏感性因素的變化范圍為±10%。分析可知，純電動汽車生命周期過程中鋁板的截止率和鋼板的截止率對全球變暖潛勢的影響敏感度基本一致，說明鋁板的截止率和鋼板的截止率產(chǎn)生相同程度的變化時，對全球變暖潛勢的影響是一樣的。但是，隨著鋼/鋁板的截止率增加，敏感因子的值越來越大，說明全球變暖潛勢對截止率的變化越敏感。因此，可以提高鋼/鋁板的利用率，降低鋼/鋁板的截止率來達(dá)到降低碳排量。例如，改變切割工藝，改進(jìn)下料工藝，減少工藝余量和利用余料等等。

圖4 基于敏感性因素變化的全球變暖潛勢影響

鋁材的生產(chǎn)因素對全球變暖潛勢的影響

原材料生產(chǎn)和零部件制造階段對全球變暖潛勢的影響是僅次于使用階段，研究發(fā)現(xiàn)在原材料制造過程中，鋁的生產(chǎn)過程及使用情況對全球變暖潛勢的影響很大。例如，鋁材的生產(chǎn)過程中加入一定比例的二次鋁，生產(chǎn)相同質(zhì)量的二次鋁的碳排放量比一次鋁的碳排放量低90%左右；又比如使用水力發(fā)電產(chǎn)生的電力進(jìn)行鋁材的生產(chǎn)制造（以下稱為“水電鋁”），比生產(chǎn)相同質(zhì)量的鋁使用火力發(fā)電生產(chǎn)制造鋁材（以下稱為“火電鋁”）產(chǎn)生的碳排放量低70%～80%。因此，接下來將研究純電動汽車原材料制造過程中鋁的生產(chǎn)過程對全球變暖潛勢的具體影響。

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，國內(nèi)生產(chǎn)的二次鋁質(zhì)量水平有待提高，整車制造企業(yè)使用的鋁材中二次鋁比例暫時不能超過20%，否則會影響汽車的使用性能。因此，設(shè)置鋁板中二次鋁的質(zhì)量占比為5%、10%、15%和20%，研究不同二次鋁比例下生產(chǎn)鋁板產(chǎn)生的碳排放量。由表2知A0 BEV鋁的質(zhì)量為201kg。

在我國目前主要的發(fā)電方式是燃煤為主的火力發(fā)電，利用火力發(fā)電生產(chǎn)加工鋁材，該過程會排放大量的溫室氣體（CO2、CO、CH4和NOx等），使用清潔能源替代火電，該過程的碳排放量會大大降低。表4是材料比例分配情況。

表4 不同生產(chǎn)分配比例生產(chǎn)鋁相應(yīng)碳排放量

圖5所示是不同生產(chǎn)分配比例生產(chǎn)鋁產(chǎn)生的碳排放量。由圖可知，隨著二次鋁或水電鋁的分配比例的增大，產(chǎn)生的碳排放量越來越少，且呈直線下降趨勢。其中水電/火電鋁隨著水電鋁比例的增大，直線下降趨勢更明顯，碳排放量降低的更快。圖6所示是基于敏感性因素變化的全球變暖潛勢影響圖，一次二次鋁分配比例的敏感因素與水電火電分配比例的敏感因子均為負(fù)值，說明隨著二次鋁和水電鋁比例的增大與全球變暖潛勢影響呈負(fù)相關(guān)。同時，一次/二次鋁分配比例的敏感因子的絕對值大于水電火電分配比例的，因此一次二次鋁分配比例對全球變暖潛勢影響更大。這主要是因為整車制造過程中，生產(chǎn)相同質(zhì)量的二次鋁的碳排放量比一次鋁的碳排放量低90%左右，降低一次鋁的使用量增加二次鋁的使用比例對降低生產(chǎn)階段的碳排放值有著直接影響。由此可見，在保證整車性能的前提下，重視對二次材料的利用是降低碳排放的有力措施，其次加大對綠色清潔能源的使用也可有效降低碳排放值。

圖5 不同生產(chǎn)分配比例生產(chǎn)鋁材產(chǎn)生的碳排放量

圖6 基于敏感性因素變化的全球變暖潛勢影響

結(jié)語

運(yùn)用全球增溫潛勢（GWP）分析方法對某自主品牌的A0 BEV進(jìn)行生命周期碳排放評估，精確計算了電動汽車生命周期每個階段的碳排放量，并在關(guān)鍵碳排放階段進(jìn)行敏感性分析。結(jié)果表明，使用階段碳排放量最高，其次是生產(chǎn)階段，兩者占比達(dá)97.6%，使用階段的百公里耗電量敏感因子為1，大于動力電池包的質(zhì)量的敏感性0.336；對整車主要材料鋼板和鋁板的截止率進(jìn)行研究，生產(chǎn)單位質(zhì)量鋁零部件材料產(chǎn)生的碳排放量增長趨勢遠(yuǎn)大于鋼材，但是相同的截止率時GWP對鋼板和鋁板敏感程度一致；研究鋁的生產(chǎn)過程對GWP的影響發(fā)現(xiàn)，隨著二次鋁或水電鋁的分配比例的增大，碳排放量越來越少，同時一次/二次鋁分配比例的敏感因子的絕對值0.864大于水電/火電鋁分配比例的敏感因子絕對值0.756。

基于以上研究，我們應(yīng)該尋找汽車產(chǎn)品生命周期內(nèi)有效降低碳排放的途徑，以進(jìn)一步降低純電動汽車全生命周期內(nèi)的碳排放。例如，生產(chǎn)階段使用清潔能源，如水電、風(fēng)電等替代火電，使用清潔能源可能會引起成本上升，可綜合考慮降低碳排放與成本的影響；提高零部件中二次金屬材料的應(yīng)用比例；使用生物基等可再生原材料生產(chǎn)塑料；提高塑料零部件中回收塑料的應(yīng)用比例；提高電極材料中二次鎳、鈷等的應(yīng)用比例；提高材料回收循環(huán)使用比例，以及更清潔的拆卸、粉碎、焚燒技術(shù)等。