基于LCA方法的典型新能源汽車環(huán)境影響分析

摘 要：面對能源短缺、環(huán)境惡化和新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，研究氫燃料電池汽車全生命周期的經(jīng)濟性和環(huán)境影響顯得十分重要。本文以全生命周期評價的方法，選取不同燃料類型的汽車作為研究對象，建立四個階段環(huán)境影響評價模型：生產(chǎn)制造階段、整車裝配階段、運行使用階段以及報廢回收階段。分別確定每一個階段的材料構(gòu)成和能耗清單，從而構(gòu)建氫燃料電池汽車全生命周期評價模型，以此獲得氫燃料電池汽車、新能源汽車及傳統(tǒng)燃油汽車的能源消耗和環(huán)境排放數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池汽車 全生命周期 環(huán)境影響

氫燃料電池汽車技術(shù)日趨完善，后續(xù)配套基礎(chǔ)設(shè)施及相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的持續(xù)更新發(fā)展，一方面讓運行使用階段的零排放成為現(xiàn)實，另一方面為車輛全生命周期的低能耗和低污染發(fā)展帶來助力。本文通過生命周期評價研究，選取不同燃料類型的不同車型為研究對象，通過數(shù)據(jù)分析，找出對環(huán)境影響較大的階段和對環(huán)境帶來的具體影響，并對汽車全生命周期進行研究，為氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈上的相關(guān)企業(yè)進一步更新發(fā)展技術(shù)、實施生態(tài)效益規(guī)劃提供可靠依據(jù)，同時為有關(guān)行業(yè)部門科學(xué)制定氫燃料電池汽車能耗和排放標準、為政府部門制定出臺氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)政策提供數(shù)據(jù)參考。

1 全生命周期環(huán)境效益分析

目前，全世界正處于綠色低碳經(jīng)濟轉(zhuǎn)型時期，2020年，我國提出了分別于2030年和2060年實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”的目標。氫能是推動交通、電力、鋼鐵、建筑等行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的潛在支撐，諸多品類的氫燃料電池乘用車、公共汽車和重型卡車逐步在我國許多地區(qū)得到大力推廣，對不同類型氫燃料電池汽車的減碳潛力進行量化已經(jīng)成為當前的研究熱點之一。

在車輛的環(huán)境影響研究領(lǐng)域，全生命周期評價成為國內(nèi)外學(xué)者普遍選用的研究方法之一，在此基礎(chǔ)上對不同類型汽車的全生命周期進行了較為全面的研究。關(guān)于氫燃料電池汽車的全生命周期評價研究，大部分學(xué)者采用LCA方法。梁媚等通過研究分析認為氫燃料電池汽車比傳統(tǒng)燃油車降低了23.17%的碳排放[1]。呂桂申等基于中國現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析認為新能源汽車在綜合的環(huán)境影響中具有顯著優(yōu)勢。[2]Panresi等分析了氫燃料和傳統(tǒng)燃油汽車的全生命周期環(huán)境效益。[5]

本文采用全生命周期評價的方法，通過分析不同環(huán)節(jié)的碳排放系數(shù)，對氫燃料電池汽車（FCV）、傳統(tǒng)燃料汽車（ICEV）和純電動汽車（BEV）的不同車型進行全生命周期碳排放定量研究。對氫燃料電池汽車的碳排放量進行了比較分析。面向不同車型的氫燃料電池汽車的全生命環(huán)境效益進行研究，選取傳統(tǒng)燃油汽車、新能源以及氫燃料電池汽車等不同燃料類型，并細分出乘用車、客車以及卡車等不同車型，將整車的全生命周期劃分為制造階段、裝配階段、使用階段和回收階段。

將整車的全生命周期劃分為生產(chǎn)階段、整車裝配、運行使用和報廢回收4個階段。本文行駛里程為乘用車為12萬公里、客車為40萬公里、卡車為60萬公里。

搭建氫燃料電池汽車、純電動汽車和傳統(tǒng)燃油車的全生命周期環(huán)境效益分析模型，共包含整車生產(chǎn)、整車裝配、運行使用和報廢回收這4個階段。如下所示：

式中，P1為生產(chǎn)階段的碳排放量；P2為裝配階段的碳排放量；P3為運行階段的碳排放量；P4報廢階段的碳排放量。

（1）生產(chǎn)階段碳排放的計算公式如下：

式中，表示車輛不同零部件的不同材料用量，表示生產(chǎn)某種材料的碳排放當量，表示生產(chǎn)某個部件所需的能源量，表示生產(chǎn)某種能源的所排放的二氧化碳排放當量，k表示所有的零部件總數(shù)，m表示所有材料種類的總數(shù)，n表示所有能源的消耗種類。

（2）裝配階段碳排放的計算公式如下：

式中，e1i表示整車裝配階段中某種能源的消耗量。

（3）運行階段碳排放的計算公式如下：

式中，、、分別表示不同能源類型車輛的百公里能源消耗量，、分別表示汽油在生產(chǎn)和使用的過程中二氧化碳的碳排放當量，為電能生產(chǎn)的過程中二氧化碳的碳排放當量，表示氫氣生產(chǎn)的過程中二氧化碳的碳排放當量，表示充電的效率，表示車輛的行駛里程。

（4）本研究主要考慮金屬部件的鋼、鑄鐵、鋁和銅這4種金屬的回收利用。報廢回收階段既有碳排放也有碳減排，回收過程中會產(chǎn)生一定的碳排放，但材料重復(fù)利用，又可以抵消原材料產(chǎn)生的碳排放。報廢回收階段碳排放的計算公式如下：

式中，表示某種金屬的回收率，表示某種金屬材料回收過程中所消耗的某種能源量。

2 各階段環(huán)境效益分析

2.1 生產(chǎn)裝配階段

零部件制造是將車用材料變成各種汽車零部件的過程，不同車輛各部件的材料重量存在差異。根據(jù)已有研究，各階段由原材料變成汽車的材料水環(huán)境和固體廢棄物影響清單和大氣環(huán)境影響因子清單。

將數(shù)據(jù)清單帶入汽車全生命周期碳排放評價模型，得到ICEV、BEV和FCV不同車型在生產(chǎn)制造階段的環(huán)境影響清單。

從排放物清單中可以看出，各種燃料類型的不同車型的排放物總質(zhì)量，就碳排放而言，在生產(chǎn)裝配階段，純電動汽車的碳排放量＞氫燃料電池汽車的碳排放量＞傳統(tǒng)燃油車的碳排放量。

2.2 裝配階段環(huán)境效益分析

各個部件裝配完成后，需要在車身的基礎(chǔ)上，在裝配線上將各個部件組裝成一個整體。氫燃料電池汽車的裝配階段和純電動汽車及傳統(tǒng)汽車基本相似，一般通過主裝配線的不同裝配階段進行，包括電動機裝配、電池裝配、車身和底盤部件裝配等過程。由于估算每個裝配階段的能源消耗和環(huán)境影響的工作較為復(fù)雜，另外生產(chǎn)制造階段的清單分析中已對主要材料的裝配過程進行了估算，裝配階段水環(huán)境和固體廢棄物和大氣環(huán)境影響清單。

2.3 運行使用階段

燃料生產(chǎn)階段：根據(jù)綜合能耗計算通則可知生產(chǎn)一度電需要消耗0.3kg標準煤。生產(chǎn)1kg氫氣碳排放2.89kg。根據(jù)《中型煉油廠碳排放評估與碳減排措施》中，產(chǎn)出1噸成品油，約排放6噸二氧化碳。

燃料燃燒階段：燃燒1L汽油碳排放0.627kg，燃燒1L柴油碳排放0.717kg。得到ICEV、BEV和FCV不同車型在運行使用階段的碳排放評價結(jié)果。在運行使用階段，傳統(tǒng)燃油車的碳排放量＞純電動汽車的碳排放量＞氫燃料電池汽車的碳排放量。

2.4 報廢回收階段

汽車是由大量金屬構(gòu)成的，回收的金屬材料通過再利用不僅節(jié)約了成本還減少了碳排放?；厥盏慕饘俨牧显俅卫脮r可以減少資源消耗，從而減少碳排放和污染物排放，算法與生產(chǎn)制造階段相同。通過計算正能量消耗和負能量消耗，正負相抵可知報廢回收階段碳的凈排放量。

2.5 汽車全生命周期碳排放計算

通過分析匯總我們可以得知，汽車全生命周期的碳排放量為表1全生命周期碳排放總量所示。

汽車全生命周期大氣和水環(huán)境污染物排放清單如表2所示。

基于構(gòu)建的汽車全生命周期評價模型，對不同車型的生命周期經(jīng)濟性和環(huán)境效益分析可知，在氫燃料電池汽車生命周期內(nèi)，運行使用階段的碳排放量最多，報廢回收階段金屬材料的回收有效降低了碳的排放。氫燃料電池汽車環(huán)境影響主要集在運行使用階段，其次是生產(chǎn)制造階段、裝配階段，而車輛的報廢回收對降低環(huán)境影響具有正效益。

3 結(jié)論

生態(tài)環(huán)境影響評價結(jié)果顯示，氫燃料電池乘用車全生命周期排放廢水5.93t；酸化潛力為7.45kgSOx，2.825kgNOx；可吸入顆粒物排放污染潛值為10.27kgPM10，3.06kgPM2.5；客車全生命周期排放廢水27.24t；酸化潛力為21.39kgSOx，11.26kgNOx；可吸入顆粒物排放污染潛值為30.31kgPM10，10.43kgPM2.5；卡車全生命周期排放廢水23.82t；酸化潛力為19.48kgSOx，10.06kgNOx；可吸入顆粒物排放污染潛值為26.71kgPM10，9.19kgPM2.5。純電動汽車乘用車全生命周期排放廢水7.27t；酸化潛力為7.54kgSOx，2.85kgNOx；可吸入顆粒物排放污染潛值為10.03kgPM10，2.98kgPM2.5；客車全生命周期排放廢水46.31t；酸化潛力為27.15kgSOx，13.34kgNOx；可吸入顆粒物排放污染潛值為31.10kgPM10，10.81kgPM2.5；卡車全生命周期排放廢水44.12t；酸化潛力為25.65kgSOx，12.89kgNOx；可吸入顆粒物排放污染潛值為29.46kgPM10，10.19kgPM2.5。傳統(tǒng)燃油車乘用車全生命周期排放廢水7.19t；酸化潛力為7.3kgSOx，2.83kgNOx；可吸入顆粒物排放污染潛值為10.14kgPM10，3025.16gPM2.5；客車全生命周期排放廢水45.83t；酸化潛力為25.95kgSOx，14.78kgNOx；可吸入顆粒物排放污染潛值為35.74kgPM10，12.45kgPM2.5；卡車全生命周期排放廢水33.80t；酸化潛力為20.07kgSOx，11.23kgNOx；可吸入顆粒物排放污染潛值為27.47kgPM10，9.42kgPM2.5。從整個生命周期看，氫燃料電池汽車的排放量要明顯優(yōu)于純電動汽車和傳統(tǒng)燃油車。

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