增程式電動(dòng)轎車全生命周期節(jié)能減排效果分析

方海峰，陳軼嵩，許海波

（1.天津大學(xué)，天津 300192；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；3.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

前言

汽車產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展給人們帶來(lái)高質(zhì)量生活的同時(shí)，也帶來(lái)了一系列嚴(yán)重的資源環(huán)境問(wèn)題，我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展面臨極大的挑戰(zhàn)。在資源、能源與環(huán)境的多重壓力下，汽車產(chǎn)品節(jié)能減排要求日趨嚴(yán)格，為了減輕傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車化石能源的消耗以及降低對(duì)環(huán)境的影響，我國(guó)不斷加快調(diào)整新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃，以發(fā)展純電動(dòng)汽車為現(xiàn)階段目標(biāo)，而且由國(guó)務(wù)院頒布的《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃將節(jié)能減排與新能源汽車作為十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。增程式電動(dòng)汽車作為過(guò)渡到純電動(dòng)汽車的過(guò)渡車型，目前關(guān)于增程式電動(dòng)汽車節(jié)能減排評(píng)價(jià)的研究較少，因此需要分析增程式電動(dòng)汽車究竟對(duì)資源、能源、環(huán)境產(chǎn)生怎樣的影響，也就必須通過(guò)科學(xué)的全生命周期評(píng)價(jià)才能具備全局性、系統(tǒng)性的認(rèn)知。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）對(duì)全生命周期評(píng)價(jià)定義是：“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)”[9]。汽車全生命周期評(píng)價(jià)是對(duì)于一種汽車產(chǎn)品進(jìn)行“從搖籃到再生”的環(huán)境排放和能源消耗評(píng)價(jià)的方法。也就是說(shuō)，汽車產(chǎn)品全生命周期評(píng)價(jià)包含了一個(gè)汽車零部件或者整車從最初的設(shè)計(jì)、材料的制造，直至再制造和最終廢物處置。在這樣的一個(gè)生命周期里面涉及到的能量回收和環(huán)境排放，去收集和計(jì)算能源消耗以及環(huán)境總釋放情況，然后根據(jù)收集的排放和能源消耗評(píng)價(jià)這些能源消耗和環(huán)境排放對(duì)環(huán)境與能源的總體影響，以及盡可能的找到減少此類影響的方法。

表1 評(píng)價(jià)車型基本參數(shù)

現(xiàn)階段，全生命周期評(píng)價(jià)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用較為成熟，不論是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，還是新能源汽車全生命周期的節(jié)能減排效果分析，各國(guó)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜乙呀?jīng)作了深入的研究分析[1-6]。然而專門針對(duì)于增程式電動(dòng)汽車的全生命周期節(jié)能減排的研究較少，對(duì)增程式電動(dòng)汽車的節(jié)能減排效果缺乏系統(tǒng)性，全局性的認(rèn)知。范軍鋒等[7]基于全生命周期理論對(duì)目前幾種典型新能源汽車的使用成本與環(huán)境影響及能源轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明，電池汽車溫室氣體排放量最少，能源效率最高的汽車分別是氫和甲醇燃料電池汽車、混合動(dòng)力汽車和氫燃料汽車。楊茹等[8]運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)方法，以一款非插電式混合動(dòng)力汽車為研究對(duì)象，從制造、使用、報(bào)廢3 個(gè)階段進(jìn)行了全生命周期評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)燃油汽車相比較，可節(jié)省資源28.9%、減少污染35.16%。此外，對(duì)資源消耗以及環(huán)境影響中的關(guān)鍵因子進(jìn)行了敏感性分析，敏感性分析結(jié)果表明，再生材料的使用對(duì)降低混合動(dòng)力汽車制造過(guò)程資源消耗與環(huán)境影響有積極作用。

綜上所述，目前全生命周期評(píng)價(jià)方法在汽車上的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛，尤其是在新能源汽車領(lǐng)域，隨著《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》的發(fā)布，我國(guó)對(duì)于汽車的節(jié)能減排效果更加重視。因此，本文在Gabi 軟件基礎(chǔ)上，針對(duì)目前市場(chǎng)上典型的增程式電動(dòng)汽車車型做一個(gè)全面系統(tǒng)性的評(píng)價(jià)，從而對(duì)增程式電動(dòng)汽車的節(jié)能減排效果有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。

圖1 系統(tǒng)邊界

2 目標(biāo)與范圍

2.1 評(píng)價(jià)對(duì)象

本次評(píng)價(jià)的目的在于運(yùn)用全生命周期評(píng)價(jià)的方法，對(duì)增程式電動(dòng)汽車進(jìn)行整個(gè)生命周期科學(xué)性的評(píng)價(jià)，本次以市場(chǎng)上的雪佛蘭Volt 增程式電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，計(jì)算其全生命周期的節(jié)能減排效果，以期對(duì)于增程式電動(dòng)汽車節(jié)能減排效果有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。該車詳細(xì)的規(guī)格參數(shù)如表1 所示，該車的功能單位選取為在中國(guó)道路行駛150,000 km。

2.2 系統(tǒng)邊界

系統(tǒng)邊界限定為四個(gè)生命周期階段：原材料獲取階段、零部件制造裝配階段、整車運(yùn)行使用階段、報(bào)廢回收階段。所研究的能源消耗為：原油、原煤和天然氣。對(duì)于排放物，僅研究CO2, CO, NOx, SOx, NMVOC, 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

圖2 原材料獲取階段Gabi 模型圖

圖3 整車制造裝配階段Gabi 模型圖

本次在模型構(gòu)建時(shí)采用的是德國(guó)斯圖加特聚合物測(cè)試與科學(xué)研究所和PE 公司共同研發(fā)的生命周期評(píng)價(jià)專門評(píng)價(jià)軟件—Gabi。根據(jù)系統(tǒng)邊界，清單分析從原材料獲取階段、零部件制造裝配階段、整車運(yùn)行使用階段、報(bào)廢回收階段四個(gè)階段進(jìn)行，各自建立方案模型，最后將四個(gè)階段模型進(jìn)行連接，從而得到整車全生命周期的評(píng)價(jià)模型。各個(gè)階段具體模型如圖2-5 所示，整個(gè)階段模型如圖6 所示。

圖4 整車運(yùn)行使用階段GaBi 模型圖

圖5 整車報(bào)廢回收階段GaBi 模型圖

圖6 整車全生命周期評(píng)價(jià)GaBi 模型

4 評(píng)價(jià)結(jié)果與解釋

4.1 評(píng)價(jià)結(jié)果

基于CML2001 生命周期評(píng)價(jià)方法，將能源消耗分為兩類：礦產(chǎn)資源消耗潛值（ADP elements）、化石能源消耗潛值(ADP fossil），將環(huán)境影響類型劃分為5 類：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）。本文的特征化分析運(yùn)用GaBi 軟件完成，此外，為了對(duì)比分析各個(gè)環(huán)境影響，運(yùn)用CML2001 方法對(duì)上述5 中環(huán)境影響類型做歸一化和量化處理，歸一化基準(zhǔn)值來(lái)自于Gabi 軟件庫(kù)，權(quán)重值來(lái)自于參考文獻(xiàn)[10]，具體數(shù)值如表2-3 所示。

表2 歸一化基準(zhǔn)值和權(quán)重系數(shù)

表3 五種環(huán)境影響類型歸一化結(jié)果

4.2 結(jié)果解釋

（1）能源消耗分析

圖7 生命周期各階段礦產(chǎn)資源消耗

圖8 生命周期各階段化石能源消耗

由圖可知，礦產(chǎn)資源消耗最多的是在原材料獲取階段，主要是因?yàn)楦鞣N車用原材料的獲取需要大量的礦產(chǎn)資源作為物質(zhì)前提；化石能源消耗最多的是在運(yùn)行使用階段，這主要是因?yàn)槠囋谡麄€(gè)使用階段消耗了大量的汽油和電能，此外回收階段產(chǎn)生了明顯的正效益，因此，報(bào)廢回收對(duì)汽車的節(jié)能減排意義重大。

（2）環(huán)境排放影響分析

圖9 生命周期各階段的綜合環(huán)境影響

由圖可知，增程式電動(dòng)汽車四個(gè)階段的五種環(huán)境影響類型由大到小的順序依次為：全球變暖潛值 GWP（占比56.5%）、酸化潛值A(chǔ)P（占比26.4%）、光化學(xué)煙霧潛值POCP（占比15.6%）、水體富營(yíng)養(yǎng)化潛值EP（1.45%）、臭氧層耗竭潛值ODP（0.05%）。環(huán)境影響主要集中在使用階段，其次是原材料獲取階段。在使用階段，全球變暖潛值（GWP）、酸化（AP）和光化學(xué)煙霧潛值（POCP）是主要的環(huán)境影響，全球變暖潛值（GWP）主要是因?yàn)樵谑褂秒A段產(chǎn)生了大量的CO2，而CO2主要來(lái)自汽車燃料燃燒，因此，減少汽油燃燒和電力生產(chǎn)過(guò)程的溫室氣體排放是十分必要的。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)增程式電動(dòng)轎車全生命周期節(jié)能減排效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論：

（1）增程式電動(dòng)轎車在運(yùn)行使用階段的環(huán)境影響最大。一方面是由于增程器的使用，汽油燃燒產(chǎn)生的CO2 直接排放到空氣中，對(duì)溫室效應(yīng)產(chǎn)生了直接影響，其次是因?yàn)槲覈?guó)電能結(jié)構(gòu)不清潔，未來(lái)我國(guó)電能結(jié)構(gòu)調(diào)整后，能耗和碳排放將進(jìn)一步降低。但在節(jié)能效果方面優(yōu)勢(shì)明顯，主要是由于增程式電動(dòng)轎車搭載小型發(fā)動(dòng)機(jī)，且發(fā)動(dòng)機(jī)可以一直工作在最優(yōu)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，燃油利用率高，在電池SOC 較高時(shí)，還可采用純電行駛，進(jìn)一步達(dá)到了節(jié)能的效果。

（2）增程式電動(dòng)轎車在原材料獲取階段的礦產(chǎn)資源消耗最大。主要是其搭載的增程器組（發(fā)動(dòng)機(jī)+發(fā)電機(jī)）、動(dòng)力電池以及各大主要總成部件，需要大量的金屬礦產(chǎn)資源作為基礎(chǔ)，此外礦產(chǎn)資源的開(kāi)采碳排放強(qiáng)度較高。因此，對(duì)汽車進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

（3）增程式電動(dòng)轎車在報(bào)廢回收階段的礦產(chǎn)資源的消耗、化石能源的消耗以及環(huán)境排放方面均產(chǎn)生了一定正效益，對(duì)減少碳排放有利，因此，報(bào)廢回收對(duì)汽車減少碳排放至關(guān)重要。