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电动汽车与天然气车全生命周期环境影响评价研究

2018-12-08李启明师甜

汽车实用技术 2018年22期
关键词:能源消耗环境影响生命周期

李启明,师甜



电动汽车与天然气车全生命周期环境影响评价研究

李启明,师甜

(长安大学汽车学院,陕西 西安 710064)

文章选取纯电动汽车(BEV)、插电式混合动力汽车(PHEV)、混合动力汽车(HEV)和压缩天然气车(CNGV)为研究对象,以传统汽油内燃机车(GICEV)为比较对象,基于我国实际情况,建立了各型汽车的全生命周期评价模型。以每辆车行驶1km为功能单位,充分考虑燃料上下游、车辆生产、运输、使用、维修和报废回收各个阶段,以汽车全生命周期评价软件GREET为工具仿真计算得到电动汽车与天然气车全生命周期的能源消耗、CO2排放、常规污染物排放(VOC、CO、NOX、SO2)和颗粒物排放(PM10、PM2.5)环境清单,在此基础上,运用CML2001评价方法,通过对环境清单的分类和特征化,将能耗排放进一步引申为环境影响潜势,从而实现从环境影响角度对电动汽车与天然气车全生命周期进行全面系统的评价分析,为我国新能源汽车发展布局提供参考。

电动汽车;天然气车;生命周期评价;环境清单;环境影响

前言

近些年随着我国经济的飞速发展,汽车保有量也不断增加。这在带给人们便捷的同时也诱发了能源、环境等方面的一系列问题。电动汽车因其行驶阶段的高效率和低污染成为新能源汽车的代表车型。代用燃料车的代表车型有天然气车、甲醇燃料车、乙醇燃料车等。数据显示当前我国电动轿车保有量约占全球保有量的30%,居全球首位,占据了最大电动汽车市场[1]。在天然气车发展方面,我国也相继出台相关政策规划发展天然气车[2,3,4]。中国汽车工业协会公布的数据显示,到2020年,我国天然气车的保有量可能达到1050万到1100万辆之间[5]。

本文将从汽车全生命周期的视角出发,对电动汽车和天然气车环境影响进行全面系统的评价分析。

1 方法与理论

1.1 生命周期评价理论

从整个生命周期的视角分析某种产品或某项工艺过程直接和间接的环境影响,这是生命周期评价(LCA)的基本定义[6]。

车辆周期和燃料周期共同构成了汽车的全生命周期。车辆周期包括原材料的生产、车辆的制造、运输、使用以及报废处理过程。燃料周期又称作从“油井”到“车轮”的过程。“油井”到“车轮”又划分为“油井”到“油泵”(WTP,Well-to- Pump)和“油泵”到“车轮”(PTW,Pump-to-Wheels)两个阶段。

本研究以汽车全生命周期评价软件GREET2017为工具,根据最新的石油工业和汽车工业生产情况收集的大量的燃料和车辆数据并结合我国实际情况通过仿真计算得到电动汽车与天然气车全生命周期的环境影响清单。

1.2 研究范围

1.2.1 系统边界

本研究的系统主要包括三个阶段:(1)生产阶段(2)使用阶段(3)汽车报废处理阶段。本研究的功能单位为1km(一辆汽车在中国道路上行驶)。

1.2.2 车辆技术范围

结合国内新能源汽车发展现状,本文选取轻型纯电动汽车(BEV)、混合动力汽车(HEV)、插电式混合动力汽车(PHEV)、压缩天然气车(CNGV)为研究对象,将传统汽油内燃机汽车(GICEV)作为对比研究对象,具体车辆参数后文中详细给出。

1.3 评价方法及参数

1.3.1 环境清单评价方法与参数

本研究将汽车全生命周期环境影响评估清单分为四类:(1)能源消耗(2)CO2排放(3)常规污染物排放(VOC、CO、NOX、SO2)(4)颗粒物排放(PM2.5、PM10)。

根据《2017年全国电力工业统计快报》[7],我国的电力能源结构比例为:火电71.60%、水电19.71%、核电3.56%、风电4.02%、太阳能发电1.11%。各种发电方式的排放因子参考ANL数据库中的数据[10]。我国天然气开采效率为96.0%[9],加工效率为97.2%,压缩效率为92.8%[11],国内石油的开采效率为91.0%。

本文研究的电动汽车和天然气车以ANL的车辆周期模型[11]为基础,针对我国实际情况,对相关参数进行了修改和设置,主要参数见表1。

根据以上分析建立了基于GREET的环境清单评价模型。

表1 所研究汽车规格参数

1.3.2 全生命周期环境影响评价

本研究运用CML2001生命周期评价方法进行全生命周期的环境影响评价。根据需要选取其影响类型中的化石能源消耗(ADP)、人类毒性(HTP)、全球变暖(GWP)、酸化(AP)、光化学臭氧合成(POCP)五个环境影响类型,另外为了对雾霾致导因子展开评价,本文还引入了气溶胶潜值(AQP)。

本文以当量模型作为特征化模型,参照物为某一影响类型中的某一影响物,根据一定比例将其他影响物等价转换为该影响物,当量系数就是其转换比例,也称作特征化因子。本研究采用国际通用的特征化因子[12],特征化因子如表2所示。

表2 环境影响特征化因子

2 电动汽车与天然气车全生命周期环境清单分析

2.1 燃料周期环境清单分析

2.1.1 能源消耗

燃料周期(WTW)的能源消耗其评价指标有:总能源、化石燃料和其中的煤、石油、天然气。

图1 WTW能源消耗情况对比

如图1所示,五类技术车型总能源消耗量中BEV的总能源消耗最少,BEV相较于GICEV依次降低45.91%,较CNGV依次降低38.28%,CNGV总能源消耗相较于GICEV降低12.36%;石油消耗量相比GICEV减少98.98%,这四种类型新能源汽车均能降低石油的消耗量。

2.1.2 常规污染物排放

WTW阶段常规污染物排放情况如图2所示,可以看出:CNGV、HEV、PHEV、BEV使 VOC的排放量分别减少33.38%、36.79%、62.56%、91.28%。BEV在PTW阶段的0排放使得其CO排放量相较于GICEV降低98.42%,PHEV的 CO排放量相较于GICEV降低46.86%,HEV、CNGV的CO排放较高。

相较于GICEV,HEV、PHEV、BEV的NOX排放量分别减少23.36%、35.39%、51.60%,CNGV升高7.67%。SO2排放BEV、PHEV相较于GICEV升高486.82%和236.43%。而CNGV相较于GICEV减少27.75%。

图2 WTW常规污染物情况对比

2.1.3 CO2排放

WTW阶段 CO2排放情况如图3所示,这几种车均能降低CO2排放。但由于我国电力能源结构中煤电比例较大,这使得BEV、PHEV的CO2排放消减效果不如化石能源消减效果。

图3 WTW CO2排放情况

2.1.4 颗粒物排放

图4给出了WTW颗粒物排放总的情况以及WTP阶段和PTW阶段占比情况,可以看出BEV、PHEV不能降低颗粒物的排放量, CNGV、HEV相较于GICEV颗粒物排放分别低54.22%、20.44%。

图4 WTP阶段和PTW阶段颗粒物排放情况对比

2.2 车辆周期环境清单分析

车辆周期环境清单包括:车辆主体生产、电池生产、流体生产、整车装配、配送、维修和报废回收7个部分的清单。

2.2.1 能源消耗

车辆周期的能源消耗情况见图5,从总能源消耗情况来看,CNGV消耗最少,相比BEV、PHEV、HEV分别降低了15.68%、23.32%、6.40%。

图5 车辆周期能源消耗情况

2.2.2 常规污染物排放

车辆周期常规污染物排放情况见图6,电动汽车车辆周期常规污染物排放中:SO2>VOC>CO>NOX。而天然气车车辆周期常规污染物排放中:VOC>SO2>CO>NOX,天然气车的SO2排放量明显低于电动汽车,这主要是由于电动汽车电池的生产和报废阶段的高SO2排放所导致的。

图6 车辆周期常规污染物排放

2.2.3 CO2排放

图7 车辆周期CO2排放情况

车辆周期CO2排放情况见图7,可以看出,车辆周期CO2排放情况与总能源消耗情况一致,天然气车相对于电动汽车CO2减排更有优势。综合来看车辆主体生产是CO2排放的最主要来源。

2.2.4 颗粒物排放

车辆周期颗粒物排放情况见图8,车辆周期颗粒物总排放情况与能源消耗情况一致,天然气车相对于电动汽车颗粒物减排更有优势。

图8 车辆周期颗粒物排放情况

2.3 环境影响分析

根据各类车型全生命周期环境清单,计算得到五类技术车型的全生命周期环境影响评价量化结果,如表3所示。

由表3可以看出,在酸化(AP)、人类毒性(HTP)、气溶胶潜值(AQP)三个类型的环境影响方面,CNGV相较于电动汽车表现出明显优势,BEV效益最差;在化石能源消耗(ADP fossil)和光化学臭氧(POCP)两个方面,BEV表现最优,而CNGV与GICEV相当,对于电动汽车,随着电气化程度的降低二类潜势逐渐增加;在全球变暖(GWP)方面,BEV相对其他技术车型效益更好,CNGV相较于BEV全球变暖潜势更高。

表3 环境影响特征化结果

3 结论

(1)从能源消耗角度看,电动汽车能显著降低总能源消耗量和石油消耗量,其中BEV最为显著。

(2)从环境排放角度看,天然气车在PM10、PM2.5和SO2方面减排效果明显。电池的生产和报废过程使得电动汽车车辆周期的环境排放量相较于CNGV和GICEV显著升高。

(3)从环境影响影响潜势看,电动汽车在化石燃料消耗(ADP fossil)、光化学臭氧(POCP)和全球变暖(GWP)方面表现出良好的环境效益,而在酸化(AP)、人类毒性(HTP)和气溶胶(AQP)方面出现负效益,天然气车在气溶胶(AQP)方面表现良好。

[1] International Energy Agency (IEA). Global Electric Vehicle Outlook Report (2017).

[2] 高海静.我国CNG汽车的发展现状及趋势[J].电子制作,2013: 118-119.

[3] 国家发展和改革委员会.天然气利用政策[R].北京:国家发展和改革委员会, 2007.

[4]国务院.国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020 年)[R]. 北京:国务院, 2006.

[5] 中国汽车工业协会,中国汽车技术研究中心,丰田汽车公司.中国汽车工业发展年度报告2016[M].北京:社会科学文献出版社, 2016.

[6] JENSEN A, HOFFMAN L, M LLER B T, et al. Life Cycle Assess -ment (LCA): A guide to approaches [M]. European Environment Agency, 1997.

[7] 中国电力企业联合会. 2017年全国电力工业统计快报[R].北京:中国电力企业联合会, 2017.

[8] 刘姣姣.不同能源类型发电利用状况评价及政策研究[D].华北电力大学(北京),华北电力大学, 2015.

[9] 束庆.公交车能源供应及动力系统生命周期评价[D].上海:同济大学, 2004.

[10] ANL. GREET Model [DB/OL]. http://greet.es.anl.gvo/.

[11] Wang M. GREET 1.5-Well-to-Wheels Analysis of Advanced Fuel/ Vehicle Systems-A North American Study of Energy Use, and Criteria Pollutant Emissions,ANL/ESD-39[J].Argonne National Laboratory, Du Page County, Illinois, 1999.

[12] ISO 14044,Environmental management-Life Cycle AssessmentRe -quirements and guidelines[S].Switzerland, 2006.

Life Cycle Assessment of Environmental Impacts from Electric Vehicles andNatural Gas Vehicles

Li Qiming, Shi Tian

( School of Automobile, Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

This article selects blade electric vehicles (BEVs), plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), hybrid electric vehicles (HEVs) and compressed natural gas vehicles (CNGVs) as research objects, and uses conventional gasoline-powered internal combustion engine vehicles (GICEV) as comparison objects. Based on the actual situation in China, established a full life cycle assessment model for various types of vehicles. Taking 1km per vehicle as the functional unit, giving full consideration to fuel, vehicle production , transportation , use, maintenance and end-of-life recycling stages, GREET is used as a tool to simulate and calculate the life cycle inventory of energy consumption, CO2emissions, conventional pollutant emissions, and particulate matter emissions (PM10, PM2.5) for the entire life cycle of electric vehicles and natural gas vehicles. and finally using the CML2001 evaluation method to characterize the environmental inventory, and then the energy consumption and the emissions are further extended to the potential of environmental impacts, through this method, a comprehensive and syste -matic assessment of the entire life cycle of electric vehicles and natural gas vehicles is carried out from the perspective of environmental impact. This will provide a reference for the development of new energy vehicles in China.

Electric Vehicle;Natural Gas Vehicle;Life Cycle Assessment;Environmental Inventory;Environmental Impact

B

1671-7988(2018)22-138-04

U469.72

B

1671-7988(2018)22-138-04

U469.72

李启明,长安大学在校研究生,研究方向为交通运输工程与交通安全。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.049

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