汽車(chē)零部件生命周期評(píng)價(jià)研究

龍?zhí)K華，趙松嶺

(1.奇瑞汽車(chē)股份有限公司材料工程部，安徽蕪湖 241009；2.奇瑞商用車(chē)研究院電子電器部，安徽蕪湖 241009)

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，汽車(chē)產(chǎn)品正由“奢侈品”逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤跋M(fèi)品”。2018年我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)總量雖比2017年有所下降，但是也分別達(dá)到了2 780.92萬(wàn)輛和2 808.06萬(wàn)輛[1]，我國(guó)儼然已進(jìn)入汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)大國(guó)的行列。由此所導(dǎo)致的資源、能源的消耗以及環(huán)境污染等問(wèn)題也非常嚴(yán)重，如何有效解決這一問(wèn)題不僅是我國(guó)也是世界其他汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)大國(guó)面臨的難題。尋找有效的能源及環(huán)境管理工具來(lái)量化并客觀進(jìn)行能源及環(huán)境管理勢(shì)在必行，而生命周期評(píng)價(jià)(Life Cycle Assessment，LCA)正適合于此。LCA是評(píng)估產(chǎn)品過(guò)程或其活動(dòng)給環(huán)境帶來(lái)的負(fù)擔(dān)的客觀評(píng)價(jià)方法，其本質(zhì)是檢查、識(shí)別和評(píng)估某種材料、過(guò)程、產(chǎn)品或系統(tǒng)在其整個(gè)生命周期中的環(huán)境影響[2]。

縱觀國(guó)際上其他主要汽車(chē)企業(yè)，都開(kāi)展了LCA的廣泛研究并建立成熟的生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng)，為企業(yè)應(yīng)對(duì)政策法規(guī)要求、開(kāi)發(fā)更加優(yōu)秀的產(chǎn)品提供了有力支撐。

歐盟2013年提出建立“綠色產(chǎn)品統(tǒng)一市場(chǎng)”政策，并提出基于LCA方法的產(chǎn)品環(huán)境足跡(PEF)方法，計(jì)劃將LCA納入2022年的有害物質(zhì)法規(guī)，2018年提交了最終法案。美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(EPA)計(jì)劃將LCA納入到2025年的汽車(chē)排放法規(guī)[3]。我國(guó)近年來(lái)也陸續(xù)頒布并實(shí)施了一些政策文件[4],逐漸強(qiáng)化產(chǎn)品全生命周期綠色管理，建立綠色制造體系，設(shè)立產(chǎn)品生態(tài)(綠色)設(shè)計(jì)示范企業(yè)等。由此可見(jiàn)，開(kāi)展汽車(chē)及其零部件生命周期評(píng)估是未來(lái)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，這不僅為汽車(chē)企業(yè)的低碳研發(fā)和綠色設(shè)計(jì)提供決策支持，也是促進(jìn)產(chǎn)品綠色營(yíng)銷(xiāo)、提升企業(yè)綠色競(jìng)爭(zhēng)力的有效途徑。

1 生命周期評(píng)價(jià)(LCA)簡(jiǎn)介

生命周期是指產(chǎn)品系統(tǒng)中前后銜接的一系列不同階段，從原材料的生產(chǎn)或自然資源的獲取，直至最終處置。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織將LCA定義為對(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)(ISO14040:2006)[5]。如圖1所示，ISO14040規(guī)定LCA的技術(shù)框架為4個(gè)階段：目的和范圍的確定、清單分析( Life Cycle Inventory，LCI)、影響評(píng)價(jià)(Life Cycle Impact Assessment，LCIA)，以及每個(gè)階段都要開(kāi)展的結(jié)果解釋。

圖1 LCA評(píng)估框架

目的和范圍的確定是說(shuō)明開(kāi)展生命周期評(píng)價(jià)的目的、研究結(jié)果的應(yīng)用領(lǐng)域和確定研究系統(tǒng)邊界。LCI是對(duì)所研究系統(tǒng)中輸入和輸出數(shù)據(jù)建立清單的過(guò)程，包括數(shù)據(jù)收集、定量計(jì)算、研究系統(tǒng)的資源及能源消耗和污染物排放；LCIA是在清單分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步評(píng)價(jià)系統(tǒng)與外界物質(zhì)的能量交換對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的潛在影響。結(jié)果解釋是基于LCI與LCIA的結(jié)果，給出與研究目標(biāo)及范圍相一致的結(jié)論與建議。

本文作者以某車(chē)型左B柱為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行生命周期進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，并對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行解釋，識(shí)別左B柱全生命周期的重大環(huán)境影響問(wèn)題。

2 研究方法

按照生命周期評(píng)價(jià)方法，依據(jù)ISO14040和ISO14044等標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，采用SimaPro8進(jìn)行產(chǎn)品系統(tǒng)建模和數(shù)據(jù)分析，并利用CALCA(Chinese Automobile Life Cycle Assessment system,中國(guó)汽車(chē)生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng))數(shù)據(jù)庫(kù)與Ecoinvent3數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)該車(chē)型左B柱生命周期的環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 目的和范圍的確定

2.1.1 目的

主要研究目的如下：

(1)評(píng)估該車(chē)型左B柱生命周期不同階段在GWP(Global Warming Potential)、AP(Acidification Potential)、POCP(Photochemical Oxidation Potential)、EP(Eutrophication Potential)和ODP(Ozone Depletion Potential)等5個(gè)方面的環(huán)境影響；

(2)分析不同類別環(huán)境影響在生命周期各階段的貢獻(xiàn)；

(3)左B柱不同原材料獲取階段對(duì)GWP、AP、POCP、EP和ODP等5個(gè)方面的環(huán)境影響。

2.1.2 功能單位確定

功能單位是用來(lái)作為基礎(chǔ)單位的量化的產(chǎn)品系統(tǒng)性能。本文作者選定的功能單位為一個(gè)左B柱產(chǎn)品，質(zhì)量為4 kg，涉及主要原材料有冷鐓鋼、碳鋼、熱成型鋼等材料。

2.1.3 系統(tǒng)邊界確定

系統(tǒng)邊界的確認(rèn)對(duì)數(shù)據(jù)收集要求、難度系數(shù)、數(shù)據(jù)質(zhì)量等影響很大。如圖2所示，零部件生命周期系統(tǒng)邊界包括原材料的獲取階段、零部件生產(chǎn)階段等生命周期階段。邊界中考慮了從原材料生產(chǎn)地到生產(chǎn)廠以及生產(chǎn)階段廢棄物到回收處理廠的實(shí)際運(yùn)輸方式和距離，考慮了生產(chǎn)階段的產(chǎn)品及半成品廠內(nèi)運(yùn)輸方式和距離，不包含現(xiàn)場(chǎng)建筑、機(jī)械設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施的生產(chǎn)制造過(guò)程。

圖2 左B柱生命周期系統(tǒng)邊界

2.2 數(shù)據(jù)清單建立

依據(jù)系統(tǒng)邊界收集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)自CALCA(中國(guó)汽車(chē)生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng))，主要是原材料生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)，如礦石開(kāi)采、運(yùn)輸、煉鐵、能源消耗及排放等鋼鐵材料的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)；生產(chǎn)數(shù)據(jù)主要是零部件生產(chǎn)過(guò)程所需的原材料、輔助材料、包裝物、能源消耗以及三廢排放等相關(guān)數(shù)據(jù)，主要內(nèi)容及要求見(jiàn)表1。左B柱是由一級(jí)供應(yīng)商生產(chǎn)供貨，主要由B柱加強(qiáng)板本體及螺母焊接而成，生產(chǎn)過(guò)程主要涉及焊接、沖壓。另外，由于時(shí)間及其他因素的限制，文中研究的零部件生產(chǎn)數(shù)據(jù)只收集到一級(jí)供應(yīng)商。

表1 數(shù)據(jù)收集內(nèi)容及要求

續(xù)表1

2.3 影響評(píng)價(jià)

依據(jù)此次評(píng)價(jià)的目的及范圍，在系統(tǒng)邊界及數(shù)據(jù)清單分析的基礎(chǔ)上，采用萊頓大學(xué)環(huán)境科學(xué)中心開(kāi)發(fā)的CML2001評(píng)價(jià)方法對(duì)左B柱生命周期各階段所產(chǎn)生的不同環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括GWP、AP、POCP、EP和ODP等5個(gè)方面。環(huán)境影響見(jiàn)表2。

表2 左B柱環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)果

由表2可知，左B柱生命周期各階段對(duì)環(huán)境影響貢獻(xiàn)最大的是GWP，其次是AP，而ODP無(wú)影響。

3 結(jié)果解釋

通過(guò)對(duì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)果解釋，可以識(shí)別生命周期各階段的重大環(huán)境問(wèn)題。圖3展示了左B柱生命周期階段對(duì)環(huán)境影響的百分比。

圖3 B柱生命周期各階段環(huán)境影響百分比

如圖3所示：在評(píng)價(jià)的GWP、AP、EP、POCP這4種類型的環(huán)境影響指標(biāo)中，均是原材料獲取階段的貢獻(xiàn)最大，占相應(yīng)環(huán)境影響總量的88.6%～99.98%，對(duì)ODP環(huán)境影響指標(biāo)沒(méi)有貢獻(xiàn)；左B柱生產(chǎn)階段對(duì)GWP、AP、EP、POCP的環(huán)境影響總量的貢獻(xiàn)為0.02%～11.40%，對(duì)ODP環(huán)境影響指標(biāo)沒(méi)有貢獻(xiàn)。上述研究已經(jīng)辨識(shí)出左B柱原材料獲取階段是產(chǎn)品生命周期環(huán)境影響的最大貢獻(xiàn)者，該階段涉及所有原材料的生產(chǎn)制造及運(yùn)輸引起的環(huán)境負(fù)荷。

圖4 不同材料生產(chǎn)階段環(huán)境影響百分比

生產(chǎn)左B柱所涉及的原材料主要有冷鐓鋼、碳鋼、熱成型鋼等，這些材料的獲取過(guò)程包括其生產(chǎn)過(guò)程和相關(guān)運(yùn)輸過(guò)程。由圖4可知：熱成型鋼材料的獲取對(duì)GWP、AP、EP、POCP這4類環(huán)境影響的貢獻(xiàn)均最大，占原材料獲取階段該類指標(biāo)總量的92.54%～99.26%，但對(duì)ODP沒(méi)有貢獻(xiàn)；冷墩鋼和普通鋼材料對(duì)GWP、AP、EP、POCP這4類環(huán)境影響的貢獻(xiàn)均很小，占原材料獲取階段該類指標(biāo)總量的7%以下，其對(duì)ODP也沒(méi)有貢獻(xiàn)；其他輔助生產(chǎn)原料如潤(rùn)滑油等對(duì)這4類環(huán)境影響的貢獻(xiàn)非常小，可以忽略不計(jì)，不單獨(dú)列出來(lái)。因此，降低熱成型鋼材的環(huán)境負(fù)荷，成為原材料獲取階段的環(huán)境熱點(diǎn)問(wèn)題。

通過(guò)以上分析，金屬零部件生命周期階段中鋼鐵原材料的獲取階段對(duì)各類環(huán)境影響貢獻(xiàn)較大。目前，傳統(tǒng)汽車(chē)中鋼鐵類金屬的使用約占整車(chē)質(zhì)量的60%左右，其他金屬約占10%左右，由此可見(jiàn)金屬材料在整車(chē)中的占比較高，對(duì)整車(chē)全生命周期中的各類環(huán)境影響貢獻(xiàn)較大，所以從節(jié)能、環(huán)保的角度出發(fā)，在保證產(chǎn)品安全性能的基礎(chǔ)上減少金屬的使用是很有必要的。

4 結(jié)論

依據(jù)生命周期評(píng)價(jià)方法，對(duì)某車(chē)型B柱生命周期的環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)論如下：

(1)B柱生產(chǎn)階段對(duì)不同類型的環(huán)境影響最小，占環(huán)境影響總量的0.02%～11.50%，對(duì)ODP環(huán)境影響沒(méi)有貢獻(xiàn)。

(2)B柱生產(chǎn)階段對(duì)環(huán)境的影響主要來(lái)源于電力、天然氣、水等能源的使用帶來(lái)的間接排放污染，而各種直接污染排放對(duì)環(huán)境影響非常小。針對(duì)這一問(wèn)題，可以通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)工藝、建立能源管理系統(tǒng)等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)階段的節(jié)能減排。

(3)原材料獲取階段是B柱生命周期中環(huán)境影響的主要貢獻(xiàn)者，對(duì)GWP、POCP、AP、EP環(huán)境影響的貢獻(xiàn)率為88.60%～99.98%，對(duì)ODP環(huán)境影響沒(méi)有貢獻(xiàn)?？梢酝ㄟ^(guò)減少鋼鐵材料的使用、增加其他環(huán)保材料的使用等方式降低原材料獲取階段的環(huán)境影響。

(4)不同原材料的獲取過(guò)程對(duì)各類環(huán)境影響差別很大。冷墩鋼和普通鋼材料對(duì)GWP、AP、EP、POCP這4類環(huán)境影響的貢獻(xiàn)均很小，占原材料獲取階段該類指標(biāo)總量的7%以下，其對(duì)ODP也沒(méi)有貢獻(xiàn)；熱成型鋼材料的獲取，對(duì)GWP、AP、EP、POCP這4類環(huán)境影響的貢獻(xiàn)均最大，但對(duì)ODP沒(méi)有貢獻(xiàn)，所以降低熱成型鋼材的環(huán)境負(fù)荷，成為原材料獲取階段的環(huán)境熱點(diǎn)問(wèn)題；其他輔助生產(chǎn)原料對(duì)這4類環(huán)境影響的貢獻(xiàn)非常小，完全可以忽略。