各种替代能源中型货车生命周期环境排放分析

方海峰 马金秋 陈轶嵩

摘 要：目前，针对车辆的节能环保绩效越来越受到广泛重视，各类替代能源汽车出现以期缓和化石能源危机与环境污染压力。对于中型货车而言，多种能源技术路线已逐步推广，但哪种技术路线具有最好的环保效益还需要一系列研究来确定。在此背景下，文章应用生命周期评价方法（LCA），选取较为常见的7款不同类别能源中型货车为研究对象，基于Gabi平台建立计算模型，并将最终的输出环境影响结果进行了对比分析。结果表明，综合环境效益最优的为燃料电池中型货车，并提出优化电网结构与制氢方案、加强汽车绿色设计等建议，以期进一步提升中型货车的环保效益。

关键词：中型货车;生命周期评价;Gabi;环境影响;对比分析

中图分类号：U469.7  文献标识码：A  文章编号：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

随着国民经济发展进程不断加快，人们的收入水平稳步增长，汽车产业在良好的市场背景下迅速增长。但是，汽车大量使用带来的排放和导致的环境污染问题已不容忽视。随着新能源汽车概念的兴起，汽车产业已进入了“传统”向“新能源”的改革时期，乘用车的新能源进程如火如荼，货车作为大型汽车所产生的环境排放更加不容忽视。如今，各类新能源货车如雨后春笋般进入了汽车市场，虽然各类替代能源货车的出现将从源头上解决当下严苛的排放法规，但从生命周期范围内分阶段、分角度的对不同能源货车进行环境排放的对比研究更为客观和必须。

生命周期评价是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。中国标准（GB/T24043）对LCA的解释为：“对一个产品系统的整个阶段，包括原材料的采集加工、生产、包装、运输、消费、回收以及最终处理等过程，进行资源和环境影响的分析与评价。”由ISO14040和GB/T24040标准可知，生命周期评价包含四个阶段：目的与范围的确定（确定功能单位）;清单分析（LCI，数据采集和数据建模）;影响评价（计算）;结果解释。这四个阶段互相关联，构成了生命周期评价的框架。

目前，针对汽车领域的LCA评价已较为丰富，尤其是在新能源乘用车的生命周期节能减排绩效，各国专家学者已经开展了一系列研究分析[1-5]。然而，对不同替代能源中型货车的分阶段、多角度对比分析在我国还有很大进步空间。就国内而言，刘振[6]以四款不同厂家生产的轻型载货汽车柴油发动机的实验数据为基础，对四款柴油机进行了使用阶段的生命周期评价，结果确定了柴油发动机对环境危害最大的方面和关键排放物，通過横向的对四款发动机对比，提出了能减少污染物排放的配置和可行的改善建议。马丽萍等人[7]以轻型货车和重型货车作为研究对象，介绍了城市道路交通运输生命周期清单分析的基本计算方法，得到目前我国城市道路两类货车运输的生命周期清单。该清单可以为各类材料与产品的生命周期清单分析或生命周期分析提供定量的数据支持和方法基础。此外，美国环保局（EPA）和美国公路交通安全管理局（NHTSA） [8]联合推出了新一轮中负荷和重负荷车辆标准，将削减碳排放、提高燃料经济性，同时提高能源安全，刺激车辆和燃料生产创新。新法规于2016年8月16日签发，对2021—2027年卡车概念年有效。

綜上所述，目前生命周期方法已经越来越广泛地应用于汽车领域，随着《打赢蓝天保卫战三年行动计划》的发布，货车的相关环保减排工作也得到人们的重视，因此，本文以Gabi软件为依托，针对我国现有的各类柴油和替代能源货车做一次系统的研究对比具有良好的现实意义。

2 目标与范围

2.1 评价对象

本研究目的是通过科学的生命周期方法，以柴油货车为基准，计算各种替代能源货车的生命周期排放大小，以期为政府作出科学合理的决策提供依据。本文以当下市面上柴油中型货车（ICEV）、纯电动中型货车（BEV）、插电式混合动力中型货车（气电）（PHEV 气电）、插电式混合动力中型货车（油电）（PHEV 油电）、增程式中型货车（REV）、燃料电池中型货车（FCV）、天然气中型货车（NGV）等7种不同类型的中型货车为研究对象，其详细规格参数如表1所示。本研究的功能单位为100000km。

2.2 系统边界

系统边界限定为5个生命周期阶段：原材料获取阶段、零部件制造阶段、整车装配阶段、使用阶段、报废回收阶段。由于各种替代能源货车整个生命周期使用阶段占比较大，排放差异也较大，因此本研究重点关注使用阶段。本研究的能源消耗为原油、原煤和天然气，排放物仅研究CO2、CO、NOx、SOx、VOC、CH4、PM10、PM2.5。系统边界如图1 所示。

3 清单分析与模型构建

本次建模所用平台为德国斯图加特大学聚合物测试与科学研究所（Institute for Polymer Testing and Polymer Science，IKP）和PE（PE International）公司共同研发的生命周期评价专用工具软件—Gabi。根据系统边界，清单分析将从原材料获取阶段、零部件制造阶段、整车装配阶段、使用阶段、报废回收阶段五个阶段进行，分别建立独立方案，最终串联在一起形成货车的完整生命周期。由于本次研究对象包含车型较多，数据众多、方案复杂，因此受篇幅所限，本次只展示每种车型最终的全生命周期总Gabi模型，其他详细的子模型不做展示。每种车型最终的GaBi模型图如图2所示。

4 评价结果与解释

4.1 评价结果

本次研究结果仅针对7款不同动力类型类型的中型货车的环境排放，暂不考虑其产生的能耗情况。在排放物中，本次研究考虑主要排放物，为更好解释各种环境影响类型的相对重要性，引用国际上普遍采用的CML2001的影响评价方法，对全球变暖潜值（GWP）、酸化潜值（AP）、水体富营养化潜值（EP）、光化学烟雾潜值（POCP）和臭氧层损耗潜值（ODP）五项影响指标进行分析，通过计算得到其特征化结果。为了更好的对环境影响进行统一对比分析，运用CML2001方法对前述五种环境影响类型做归一化和量化处理。其中，归一化基准值来源于GaBi数据库，权重来源于参考文献，具体数值如表2所示。经过一系列计算，最终7款不同动力类型的全生命周期环境排放归一化结果计算结果如表3所示。

4.2 对比分析

为了更好的对所研究的七种不同能源货车全生命周期排放对比，首先将每一类货车全生命周期内总环境影响综合值进行对比如图3所示。

通过图3可以看出，在七类动力类型的中型货车从“摇篮”到“坟墓”的整个生命周期过程中，柴油货车所产生的环境影响最为显著，其次为天然气货车、影响值最小的是增程式中型货车、其次是燃料电池货车。这主要是因为，柴油货车的整个使用过程消耗了大量的柴油，柴油作为一种化石燃料在燃烧产生大量的温室气体以及碳烟和颗粒物，而相比之下，燃料电池汽车整个生命周期过程的环境排放要减少许多，因为氢属于清洁能源，燃烧过程理论认为只产生水，而无其他污染气体。由于不同能源的消耗主要集中在货车的运行使用阶段，因此本研究给出不同能源中型货车使用阶段环境影响值对比如图4所示。

由图4可以看出，柴油中型货车在使用阶段产生的环境排放依旧是最大的，其次是天然气汽车，增程式、油电式和气电式的中型货车环境影响中等水平，纯电式中型货车的排放相比于前五种类型大大减少，环境效益最优的为燃料电池汽车，仅为柴油车的4%，具有最优的环境排放效益。

5 结论

通过柴油货车、纯电动货车、插电式混合动力汽车（气电）、插电式混合动力汽车（油电）、增程式货车、燃料电池货车、天然气货车七款不同能源货车进行从摇篮到坟墓的生命周期评价结果进行分析，得出如下结论：

（1）推广燃料电池货车。本研究中，除柴油中型货车之外，6款替代能源货车均表现出了优于柴油货车的减排效果，其中，燃料电池中型货车减排程度最佳。因此，未来货车车队中，燃料电池货车应得到重视，逐步推广应用。

（2）改善我国电能结构。结合纯电动货车和插电式货车结果来看，电能消耗造成的环境污染排放不容小觑，着主要因为我国电能结构中的煤电比例较大，源头上燃烧大量化石能源的根本矛盾未解决化。因此，应优化火力发电的能量转换效率、大力推进太阳能、风能等清洁能源发电站的建设，减少电网的负面环境效益。

参考文献

[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）.