電動汽車與天然氣車全生命周期環境影響評價研究

李啟明，師甜

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電動汽車與天然氣車全生命周期環境影響評價研究

李啟明，師甜

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

文章選取純電動汽車（BEV）、插電式混合動力汽車（PHEV）、混合動力汽車（HEV）和壓縮天然氣車（CNGV）為研究對象，以傳統汽油內燃機車（GICEV）為比較對象，基于我國實際情況，建立了各型汽車的全生命周期評價模型。以每輛車行駛1km為功能單位，充分考慮燃料上下游、車輛生產、運輸、使用、維修和報廢回收各個階段，以汽車全生命周期評價軟件GREET為工具仿真計算得到電動汽車與天然氣車全生命周期的能源消耗、CO2排放、常規污染物排放（VOC、CO、NOX、SO2）和顆粒物排放（PM10、PM2.5）環境清單，在此基礎上，運用CML2001評價方法，通過對環境清單的分類和特征化，將能耗排放進一步引申為環境影響潛勢，從而實現從環境影響角度對電動汽車與天然氣車全生命周期進行全面系統的評價分析，為我國新能源汽車發展布局提供參考。

電動汽車；天然氣車；生命周期評價；環境清單；環境影響

前言

近些年隨著我國經濟的飛速發展，汽車保有量也不斷增加。這在帶給人們便捷的同時也誘發了能源、環境等方面的一系列問題。電動汽車因其行駛階段的高效率和低污染成為新能源汽車的代表車型。代用燃料車的代表車型有天然氣車、甲醇燃料車、乙醇燃料車等。數據顯示當前我國電動轎車保有量約占全球保有量的30%，居全球首位，占據了最大電動汽車市場[1]。在天然氣車發展方面，我國也相繼出臺相關政策規劃發展天然氣車[2,3,4]。中國汽車工業協會公布的數據顯示，到2020年，我國天然氣車的保有量可能達到1050萬到1100萬輛之間[5]。

本文將從汽車全生命周期的視角出發，對電動汽車和天然氣車環境影響進行全面系統的評價分析。

1 方法與理論

1.1 生命周期評價理論

從整個生命周期的視角分析某種產品或某項工藝過程直接和間接的環境影響，這是生命周期評價（LCA）的基本定義[6]。

車輛周期和燃料周期共同構成了汽車的全生命周期。車輛周期包括原材料的生產、車輛的制造、運輸、使用以及報廢處理過程。燃料周期又稱作從“油井”到“車輪”的過程?！坝途钡健败囕啞庇謩澐譃椤坝途钡健坝捅谩保╓TP，Well-to- Pump）和“油泵”到“車輪”（PTW，Pump-to-Wheels）兩個階段。

本研究以汽車全生命周期評價軟件GREET2017為工具，根據最新的石油工業和汽車工業生產情況收集的大量的燃料和車輛數據并結合我國實際情況通過仿真計算得到電動汽車與天然氣車全生命周期的環境影響清單。

1.2 研究范圍

1.2.1 系統邊界

本研究的系統主要包括三個階段：（1）生產階段（2）使用階段（3）汽車報廢處理階段。本研究的功能單位為1km（一輛汽車在中國道路上行駛）。

1.2.2 車輛技術范圍

結合國內新能源汽車發展現狀，本文選取輕型純電動汽車（BEV）、混合動力汽車（HEV）、插電式混合動力汽車（PHEV）、壓縮天然氣車（CNGV）為研究對象，將傳統汽油內燃機汽車（GICEV）作為對比研究對象，具體車輛參數后文中詳細給出。

1.3 評價方法及參數

1.3.1 環境清單評價方法與參數

本研究將汽車全生命周期環境影響評估清單分為四類：（1）能源消耗（2）CO2排放（3）常規污染物排放（VOC、CO、NOX、SO2）（4）顆粒物排放（PM2.5、PM10）。

根據《2017年全國電力工業統計快報》[7]，我國的電力能源結構比例為：火電71.60%、水電19.71%、核電3.56%、風電4.02%、太陽能發電1.11%。各種發電方式的排放因子參考ANL數據庫中的數據[10]。我國天然氣開采效率為96.0%[9]，加工效率為97.2%，壓縮效率為92.8%[11]，國內石油的開采效率為91.0%。

本文研究的電動汽車和天然氣車以ANL的車輛周期模型[11]為基礎，針對我國實際情況，對相關參數進行了修改和設置，主要參數見表1。

根據以上分析建立了基于GREET的環境清單評價模型。

表1 所研究汽車規格參數

1.3.2 全生命周期環境影響評價

本研究運用CML2001生命周期評價方法進行全生命周期的環境影響評價。根據需要選取其影響類型中的化石能源消耗（ADP）、人類毒性（HTP）、全球變暖（GWP）、酸化（AP）、光化學臭氧合成（POCP）五個環境影響類型，另外為了對霧霾致導因子展開評價，本文還引入了氣溶膠潛值（AQP）。

本文以當量模型作為特征化模型，參照物為某一影響類型中的某一影響物，根據一定比例將其他影響物等價轉換為該影響物，當量系數就是其轉換比例，也稱作特征化因子。本研究采用國際通用的特征化因子[12]，特征化因子如表2所示。

表2 環境影響特征化因子

2 電動汽車與天然氣車全生命周期環境清單分析

2.1 燃料周期環境清單分析

2.1.1 能源消耗

燃料周期（WTW）的能源消耗其評價指標有：總能源、化石燃料和其中的煤、石油、天然氣。

圖1 WTW能源消耗情況對比

如圖1所示，五類技術車型總能源消耗量中BEV的總能源消耗最少，BEV相較于GICEV依次降低45.91%，較CNGV依次降低38.28%，CNGV總能源消耗相較于GICEV降低12.36%；石油消耗量相比GICEV減少98.98%，這四種類型新能源汽車均能降低石油的消耗量。

2.1.2 常規污染物排放

WTW階段常規污染物排放情況如圖2所示，可以看出：CNGV、HEV、PHEV、BEV使 VOC的排放量分別減少33.38%、36.79%、62.56%、91.28%。BEV在PTW階段的0排放使得其CO排放量相較于GICEV降低98.42%，PHEV的 CO排放量相較于GICEV降低46.86%，HEV、CNGV的CO排放較高。

相較于GICEV，HEV、PHEV、BEV的NOX排放量分別減少23.36%、35.39%、51.60%，CNGV升高7.67%。SO2排放BEV、PHEV相較于GICEV升高486.82%和236.43%。而CNGV相較于GICEV減少27.75%。

圖2 WTW常規污染物情況對比

2.1.3 CO2排放

WTW階段 CO2排放情況如圖3所示，這幾種車均能降低CO2排放。但由于我國電力能源結構中煤電比例較大，這使得BEV、PHEV的CO2排放消減效果不如化石能源消減效果。

圖3 WTW CO2排放情況

2.1.4 顆粒物排放

圖4給出了WTW顆粒物排放總的情況以及WTP階段和PTW階段占比情況，可以看出BEV、PHEV不能降低顆粒物的排放量， CNGV、HEV相較于GICEV顆粒物排放分別低54.22%、20.44%。

圖4 WTP階段和PTW階段顆粒物排放情況對比

2.2 車輛周期環境清單分析

車輛周期環境清單包括：車輛主體生產、電池生產、流體生產、整車裝配、配送、維修和報廢回收7個部分的清單。

2.2.1 能源消耗

車輛周期的能源消耗情況見圖5，從總能源消耗情況來看，CNGV消耗最少，相比BEV、PHEV、HEV分別降低了15.68%、23.32%、6.40%。

圖5 車輛周期能源消耗情況

2.2.2 常規污染物排放

車輛周期常規污染物排放情況見圖6，電動汽車車輛周期常規污染物排放中：SO2>VOC>CO>NOX。而天然氣車車輛周期常規污染物排放中：VOC>SO2>CO>NOX，天然氣車的SO2排放量明顯低于電動汽車，這主要是由于電動汽車電池的生產和報廢階段的高SO2排放所導致的。

圖6 車輛周期常規污染物排放

2.2.3 CO2排放

圖7 車輛周期CO2排放情況

車輛周期CO2排放情況見圖7，可以看出，車輛周期CO2排放情況與總能源消耗情況一致，天然氣車相對于電動汽車CO2減排更有優勢。綜合來看車輛主體生產是CO2排放的最主要來源。

2.2.4 顆粒物排放

車輛周期顆粒物排放情況見圖8，車輛周期顆粒物總排放情況與能源消耗情況一致，天然氣車相對于電動汽車顆粒物減排更有優勢。

圖8 車輛周期顆粒物排放情況

2.3 環境影響分析

根據各類車型全生命周期環境清單，計算得到五類技術車型的全生命周期環境影響評價量化結果，如表3所示。

由表3可以看出，在酸化（AP）、人類毒性（HTP）、氣溶膠潛值（AQP）三個類型的環境影響方面，CNGV相較于電動汽車表現出明顯優勢，BEV效益最差；在化石能源消耗（ADP fossil）和光化學臭氧（POCP）兩個方面，BEV表現最優，而CNGV與GICEV相當，對于電動汽車，隨著電氣化程度的降低二類潛勢逐漸增加；在全球變暖（GWP）方面，BEV相對其他技術車型效益更好，CNGV相較于BEV全球變暖潛勢更高。

表3 環境影響特征化結果

3 結論

（1）從能源消耗角度看，電動汽車能顯著降低總能源消耗量和石油消耗量，其中BEV最為顯著。

（2）從環境排放角度看，天然氣車在PM10、PM2.5和SO2方面減排效果明顯。電池的生產和報廢過程使得電動汽車車輛周期的環境排放量相較于CNGV和GICEV顯著升高。

（3）從環境影響影響潛勢看，電動汽車在化石燃料消耗（ADP fossil）、光化學臭氧（POCP）和全球變暖（GWP）方面表現出良好的環境效益，而在酸化（AP）、人類毒性（HTP）和氣溶膠（AQP）方面出現負效益，天然氣車在氣溶膠（AQP）方面表現良好。

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

[2] 高海靜.我國CNG汽車的發展現狀及趨勢[J].電子制作,2013: 118-119.

[3] 國家發展和改革委員會.天然氣利用政策[R].北京:國家發展和改革委員會, 2007.

[4]國務院.國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020 年）[R]. 北京:國務院, 2006.

[5] 中國汽車工業協會,中國汽車技術研究中心,豐田汽車公司.中國汽車工業發展年度報告2016[M].北京:社會科學文獻出版社, 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] 中國電力企業聯合會. 2017年全國電力工業統計快報[R].北京:中國電力企業聯合會, 2017.

[8] 劉姣姣.不同能源類型發電利用狀況評價及政策研究[D].華北電力大學(北京),華北電力大學, 2015.

[9] 束慶.公交車能源供應及動力系統生命周期評價[D].上海:同濟大學, 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

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1671-7988(2018)22-138-04

U469.72

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1671-7988(2018)22-138-04

U469.72

李啟明，長安大學在校研究生，研究方向為交通運輸工程與交通安全。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.049