汽车零部件生命周期评价研究

龙苏华，赵松岭

(1.奇瑞汽车股份有限公司材料工程部，安徽芜湖 241009；2.奇瑞商用车研究院电子电器部，安徽芜湖 241009)

0 引言

随着人们生活水平的不断提高，汽车产品正由“奢侈品”逐步转变为“消费品”。2018年我国汽车产销总量虽比2017年有所下降，但是也分别达到了2 780.92万辆和2 808.06万辆[1]，我国俨然已进入汽车产销大国的行列。由此所导致的资源、能源的消耗以及环境污染等问题也非常严重，如何有效解决这一问题不仅是我国也是世界其他汽车产销大国面临的难题。寻找有效的能源及环境管理工具来量化并客观进行能源及环境管理势在必行，而生命周期评价(Life Cycle Assessment，LCA)正适合于此。LCA是评估产品过程或其活动给环境带来的负担的客观评价方法，其本质是检查、识别和评估某种材料、过程、产品或系统在其整个生命周期中的环境影响[2]。

纵观国际上其他主要汽车企业，都开展了LCA的广泛研究并建立成熟的生命周期评价系统，为企业应对政策法规要求、开发更加优秀的产品提供了有力支撑。

欧盟2013年提出建立“绿色产品统一市场”政策，并提出基于LCA方法的产品环境足迹(PEF)方法，计划将LCA纳入2022年的有害物质法规，2018年提交了最终法案。美国环境保护局(EPA)计划将LCA纳入到2025年的汽车排放法规[3]。我国近年来也陆续颁布并实施了一些政策文件[4],逐渐强化产品全生命周期绿色管理，建立绿色制造体系，设立产品生态(绿色)设计示范企业等。由此可见，开展汽车及其零部件生命周期评估是未来汽车行业的发展趋势，这不仅为汽车企业的低碳研发和绿色设计提供决策支持，也是促进产品绿色营销、提升企业绿色竞争力的有效途径。

1 生命周期评价(LCA)简介

生命周期是指产品系统中前后衔接的一系列不同阶段，从原材料的生产或自然资源的获取，直至最终处置。国际标准化组织将LCA定义为对一个产品系统的生命周期中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价(ISO14040:2006)[5]。如图1所示，ISO14040规定LCA的技术框架为4个阶段：目的和范围的确定、清单分析( Life Cycle Inventory，LCI)、影响评价(Life Cycle Impact Assessment，LCIA)，以及每个阶段都要开展的结果解释。

图1 LCA评估框架

目的和范围的确定是说明开展生命周期评价的目的、研究结果的应用领域和确定研究系统边界。LCI是对所研究系统中输入和输出数据建立清单的过程，包括数据收集、定量计算、研究系统的资源及能源消耗和污染物排放；LCIA是在清单分析的基础上，进一步评价系统与外界物质的能量交换对环境产生的潜在影响。结果解释是基于LCI与LCIA的结果，给出与研究目标及范围相一致的结论与建议。

本文作者以某车型左B柱为研究对象，对其进行生命周期进行评价研究，并对评价结果进行解释，识别左B柱全生命周期的重大环境影响问题。

2 研究方法

按照生命周期评价方法，依据ISO14040和ISO14044等标准的相关规定，采用SimaPro8进行产品系统建模和数据分析，并利用CALCA(Chinese Automobile Life Cycle Assessment system,中国汽车生命周期评价系统)数据库与Ecoinvent3数据库对该车型左B柱生命周期的环境影响进行评价。

2.1 目的和范围的确定

2.1.1 目的

主要研究目的如下：

(1)评估该车型左B柱生命周期不同阶段在GWP(Global Warming Potential)、AP(Acidification Potential)、POCP(Photochemical Oxidation Potential)、EP(Eutrophication Potential)和ODP(Ozone Depletion Potential)等5个方面的环境影响；

(2)分析不同类别环境影响在生命周期各阶段的贡献；

(3)左B柱不同原材料获取阶段对GWP、AP、POCP、EP和ODP等5个方面的环境影响。

2.1.2 功能单位确定

功能单位是用来作为基础单位的量化的产品系统性能。本文作者选定的功能单位为一个左B柱产品，质量为4 kg，涉及主要原材料有冷镦钢、碳钢、热成型钢等材料。

2.1.3 系统边界确定

系统边界的确认对数据收集要求、难度系数、数据质量等影响很大。如图2所示，零部件生命周期系统边界包括原材料的获取阶段、零部件生产阶段等生命周期阶段。边界中考虑了从原材料生产地到生产厂以及生产阶段废弃物到回收处理厂的实际运输方式和距离，考虑了生产阶段的产品及半成品厂内运输方式和距离，不包含现场建筑、机械设备等基础设施的生产制造过程。

图2 左B柱生命周期系统边界

2.2 数据清单建立

依据系统边界收集数据，数据分为基础数据和生产数据：基础数据来自CALCA(中国汽车生命周期评价系统)，主要是原材料生产相关的数据，如矿石开采、运输、炼铁、能源消耗及排放等钢铁材料的生产过程数据；生产数据主要是零部件生产过程所需的原材料、辅助材料、包装物、能源消耗以及三废排放等相关数据，主要内容及要求见表1。左B柱是由一级供应商生产供货，主要由B柱加强板本体及螺母焊接而成，生产过程主要涉及焊接、冲压。另外，由于时间及其他因素的限制，文中研究的零部件生产数据只收集到一级供应商。

表1 数据收集内容及要求

续表1

2.3 影响评价

依据此次评价的目的及范围，在系统边界及数据清单分析的基础上，采用莱顿大学环境科学中心开发的CML2001评价方法对左B柱生命周期各阶段所产生的不同环境影响进行评价，包括GWP、AP、POCP、EP和ODP等5个方面。环境影响见表2。

表2 左B柱环境影响评价结果

由表2可知，左B柱生命周期各阶段对环境影响贡献最大的是GWP，其次是AP，而ODP无影响。

3 结果解释

通过对环境影响评价结果解释，可以识别生命周期各阶段的重大环境问题。图3展示了左B柱生命周期阶段对环境影响的百分比。

图3 B柱生命周期各阶段环境影响百分比

如图3所示：在评价的GWP、AP、EP、POCP这4种类型的环境影响指标中，均是原材料获取阶段的贡献最大，占相应环境影响总量的88.6%～99.98%，对ODP环境影响指标没有贡献；左B柱生产阶段对GWP、AP、EP、POCP的环境影响总量的贡献为0.02%～11.40%，对ODP环境影响指标没有贡献。上述研究已经辨识出左B柱原材料获取阶段是产品生命周期环境影响的最大贡献者，该阶段涉及所有原材料的生产制造及运输引起的环境负荷。

图4 不同材料生产阶段环境影响百分比

生产左B柱所涉及的原材料主要有冷镦钢、碳钢、热成型钢等，这些材料的获取过程包括其生产过程和相关运输过程。由图4可知：热成型钢材料的获取对GWP、AP、EP、POCP这4类环境影响的贡献均最大，占原材料获取阶段该类指标总量的92.54%～99.26%，但对ODP没有贡献；冷墩钢和普通钢材料对GWP、AP、EP、POCP这4类环境影响的贡献均很小，占原材料获取阶段该类指标总量的7%以下，其对ODP也没有贡献；其他辅助生产原料如润滑油等对这4类环境影响的贡献非常小，可以忽略不计，不单独列出来。因此，降低热成型钢材的环境负荷，成为原材料获取阶段的环境热点问题。

通过以上分析，金属零部件生命周期阶段中钢铁原材料的获取阶段对各类环境影响贡献较大。目前，传统汽车中钢铁类金属的使用约占整车质量的60%左右，其他金属约占10%左右，由此可见金属材料在整车中的占比较高，对整车全生命周期中的各类环境影响贡献较大，所以从节能、环保的角度出发，在保证产品安全性能的基础上减少金属的使用是很有必要的。

4 结论

依据生命周期评价方法，对某车型B柱生命周期的环境影响评价结论如下：

(1)B柱生产阶段对不同类型的环境影响最小，占环境影响总量的0.02%～11.50%，对ODP环境影响没有贡献。

(2)B柱生产阶段对环境的影响主要来源于电力、天然气、水等能源的使用带来的间接排放污染，而各种直接污染排放对环境影响非常小。针对这一问题，可以通过优化生产工艺、建立能源管理系统等方法来实现生产阶段的节能减排。

(3)原材料获取阶段是B柱生命周期中环境影响的主要贡献者，对GWP、POCP、AP、EP环境影响的贡献率为88.60%～99.98%，对ODP环境影响没有贡献。可以通过减少钢铁材料的使用、增加其他环保材料的使用等方式降低原材料获取阶段的环境影响。

(4)不同原材料的获取过程对各类环境影响差别很大。冷墩钢和普通钢材料对GWP、AP、EP、POCP这4类环境影响的贡献均很小，占原材料获取阶段该类指标总量的7%以下，其对ODP也没有贡献；热成型钢材料的获取，对GWP、AP、EP、POCP这4类环境影响的贡献均最大，但对ODP没有贡献，所以降低热成型钢材的环境负荷，成为原材料获取阶段的环境热点问题；其他辅助生产原料对这4类环境影响的贡献非常小，完全可以忽略。