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，針對車輛的節(jié)能環(huán)?？冃г絹碓绞艿綇V泛重視，各類替代能源汽車出現(xiàn)以期緩和化石能源危機與環(huán)境污染壓力。對于中型貨車而言，多種能源技術路線已逐步推廣，但哪種技術路線具有最好的環(huán)保效益還需要一系列研究來確定。在此背景下，文章應用生命周期評價方法（LCA），選取較為常見的7款不同類別能源中型貨車為研究對象，基于Gabi平臺建立計算模型，并將最終的輸出環(huán)境影響結果進行了對比分析。結果表明，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)結構與制氫方案、加強汽車綠色設計等建議，以期進一步提升中型貨車的環(huán)保效益。

關鍵詞：中型貨車;生命周期評價;Gabi;環(huán)境影響;對比分析

中圖分類號：U469.7? 文獻標識碼：A? 文章編號：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

前言

隨著國民經(jīng)濟發(fā)展進程不斷加快，人們的收入水平穩(wěn)步增長，汽車產(chǎn)業(yè)在良好的市場背景下迅速增長。但是，汽車大量使用帶來的排放和導致的環(huán)境污染問題已不容忽視。隨著新能源汽車概念的興起，汽車產(chǎn)業(yè)已進入了“傳統(tǒng)”向“新能源”的改革時期，乘用車的新能源進程如火如荼，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入了汽車市場，雖然各類替代能源貨車的出現(xiàn)將從源頭上解決當下嚴苛的排放法規(guī)，但從生命周期范圍內(nèi)分階段、分角度的對不同能源貨車進行環(huán)境排放的對比研究更為客觀和必須。

生命周期評價是對一個產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周期中輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評價。中國標準（GB/T24043）對LCA的解釋為：“對一個產(chǎn)品系統(tǒng)的整個階段，包括原材料的采集加工、生產(chǎn)、包裝、運輸、消費、回收以及最終處理等過程，進行資源和環(huán)境影響的分析與評價?！庇蒊SO14040和GB/T24040標準可知，生命周期評價包含四個階段：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）;影響評價（計算）;結果解釋。這四個階段互相關聯(lián)，構成了生命周期評價的框架。

目前，針對汽車領域的LCA評價已較為豐富，尤其是在新能源乘用車的生命周期節(jié)能減排績效，各國專家學者已經(jīng)開展了一系列研究分析[1-5]。然而，對不同替代能源中型貨車的分階段、多角度對比分析在我國還有很大進步空間。就國內(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)動機的實驗數(shù)據(jù)為基礎，對四款柴油機進行了使用階段的生命周期評價，結果確定了柴油發(fā)動機對環(huán)境危害最大的方面和關鍵排放物，通過橫向的對四款發(fā)動機對比，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象，介紹了城市道路交通運輸生命周期清單分析的基本計算方法，得到目前我國城市道路兩類貨車運輸?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。此外，美國環(huán)保局（EPA）和美國公路交通安全管理局（NHTSA） [8]聯(lián)合推出了新一輪中負荷和重負荷車輛標準，將削減碳排放、提高燃料經(jīng)濟性，同時提高能源安全，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)越來越廣泛地應用于汽車領域，隨著《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》的發(fā)布，貨車的相關環(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，針對我國現(xiàn)有的各類柴油和替代能源貨車做一次系統(tǒng)的研究對比具有良好的現(xiàn)實意義。

2 目標與范圍

2.1 評價對象

本研究目的是通過科學的生命周期方法，以柴油貨車為基準，計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合理的決策提供依據(jù)。本文以當下市面上柴油中型貨車（ICEV）、純電動中型貨車（BEV）、插電式混合動力中型貨車（氣電）（PHEV 氣電）、插電式混合動力中型貨車（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象，其詳細規(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、報廢回收階段。由于各種替代能源貨車整個生命周期使用階段占比較大，排放差異也較大，因此本研究重點關注使用階段。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 清單分析與模型構建

本次建模所用平臺為德國斯圖加特大學聚合物測試與科學研究所（Institute for Polymer Testing and Polymer Science，IKP）和PE（PE International）公司共同研發(fā)的生命周期評價專用工具軟件—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、報廢回收階段五個階段進行，分別建立獨立方案，最終串聯(lián)在一起形成貨車的完整生命周期。由于本次研究對象包含車型較多，數(shù)據(jù)眾多、方案復雜，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 評價結果與解釋

4.1 評價結果

本次研究結果僅針對7款不同動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)境影響類型的相對重要性，引用國際上普遍采用的CML2001的影響評價方法，對全球變暖潛值（GWP）、酸化潛值（AP）、水體富營養(yǎng)化潛值（EP）、光化學煙霧潛值（POCP）和臭氧層損耗潛值（ODP）五項影響指標進行分析，通過計算得到其特征化結果。為了更好的對環(huán)境影響進行統(tǒng)一對比分析，運用CML2001方法對前述五種環(huán)境影響類型做歸一化和量化處理。其中，歸一化基準值來源于GaBi數(shù)據(jù)庫，權重來源于參考文獻，具體數(shù)值如表2所示。經(jīng)過一系列計算，最終7款不同動力類型的全生命周期環(huán)境排放歸一化結果計算結果如表3所示。

4.2 對比分析

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

通過圖3可以看出，在七類動力類型的中型貨車從“搖籃”到“墳墓”的整個生命周期過程中，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。這主要是因為，柴油貨車的整個使用過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，燃料電池汽車整個生命周期過程的環(huán)境排放要減少許多，因為氫屬于清潔能源，燃燒過程理論認為只產(chǎn)生水，而無其他污染氣體。由于不同能源的消耗主要集中在貨車的運行使用階段，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 結論

通過柴油貨車、純電動貨車、插電式混合動力汽車（氣電）、插電式混合動力汽車（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行從搖籃到墳墓的生命周期評價結果進行分析，得出如下結論：

（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，未來貨車車隊中，燃料電池貨車應得到重視，逐步推廣應用。

（2）改善我國電能結構。結合純電動貨車和插電式貨車結果來看，電能消耗造成的環(huán)境污染排放不容小覷，著主要因為我國電能結構中的煤電比例較大，源頭上燃燒大量化石能源的根本矛盾未解決化。因此，應優(yōu)化火力發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換效率、大力推進太陽能、風能等清潔能源發(fā)電站的建設，減少電網(wǎng)的負面環(huán)境效益。

參考文獻

[1] Carla Tagliaferri， Sara Evangelisti， Federica Acconcia，Teresa Domen -ech， Paul Ekins， Paola Lettieri. Life cycle assessment of future elec -tric and hybrid vehicles： A cradle-to-grave systems engineering app -roach[J]. Chemical Engineering Research and Design 112 （2016） 298-309.

[2]????? David L. McCleese， Peter T. Using Monte Carlo simulation in life cycle assessment for electric and internal combustion vehicles[J]. Fuel and Energy Abstracts，2003，44（5）.