中國CNG/汽油兩用燃料汽車全生命周期評價

胡守信，李興虎

（北京航空航天大學 交通科學與工程學院，北京100083）

2017年6月，國家發改委等13部委發布了《加快推進天然氣利用的意見》，明確提出加快天然氣汽車的發展。近年來，壓縮天然氣（CNG）汽車數量快速增長，2017年底，全國CNG汽車保有量已接近600萬輛，其中80%是從傳統汽油車改裝而來，20%為原裝車[1]。CNG/汽油兩用燃料汽車在CNG汽車總量中占比較大，對其進行分析研究顯得尤為必要。

國外學者Lars等[2]運用生命周期評價（LCA）理論研究CNG汽車時發現，與柴油車相比，CNG垃圾收集車對環境影響較小且成本比常規柴油垃圾車更低；Mierlo等[3]將多種車用能源進行對比，發現CNG在化石燃料中碳排放最低，在大氣污染排放方面表現較為優異；國內部分學者針對CNG燃料生命周期建立了生命周期評價模型[4-5]，同時也對CNG汽車生命周期成本進行了分析[6]；亦有大量學者對常見新能源汽車進行生命周期評價[7-10]，探索各種能源下汽車的能耗和排放差異；此外李興福[11]基于GaBi軟件對傳統燃油車回收過程進行了詳細的分析。但尚未有針對CNG/汽油兩用燃料汽車建立包括報廢回收在內的整車全生命周期模型，分析CNG/汽油兩用燃料汽車全生命周期內的能耗和排放，并對燃料應用比例對環境的影響進行定量分析。

本文結合GaBi軟件，收集實際使用條件下的數據，建立了包括車輛生命周期和燃料生命周期在內的全生命周期評價模型。基于該模型分析了世嘉CNG/汽油兩用燃料汽車各階段的能耗和排放情況，對能耗和排放較大的階段進行分析。

1 評價目標與范圍確定

1.1 評價目標

本文選用經典世嘉CNG/汽油兩用燃料汽車作為分析對象，對其從原材料獲取到報廢回收的全生命周期能耗和排放進行分析，探索降低能耗和排放的具體方式。所選車型整備質量為1 390 kg，發動機排量為1.6 L，儲氣罐容積為75 L、壓力為20 MPa，油箱容積為60 L。燃油和燃氣的最大功率分別為78 k W 和68 k W，百公里油耗和氣耗分別為7.3 L和6.6 m3。

1.2 范圍確定

根據車輛用途不同，整車使用總里程有較大差異，同種用途的車輛因個人使用習慣不同，整車使用總里程的差異也較明顯，在此參考文獻[12]，將整車使用總里程最高值定為30萬公里，并采用變里程方式對整車能耗和排放趨勢進行分析。

系統邊界如圖1所示。系統輸入中考慮鐵礦石、銅礦石等礦產資源和3種化石資源，輸出僅考慮CO2、NOx等8種氣體排放。整車制造裝配階段考慮電能和熱能消耗；使用維修階段主要消耗汽油和CNG兩種燃料以及需要更換的輪胎、蓄電池、流體；報廢回收階段消耗電能、熱能、氧氣、乙炔等進行拆解，回收得到各種礦產資源、汽車零部件以及少量電能。

2 模型的建立

本文選用GaBi軟件對CNG/汽油兩用燃料汽車全生命周期進行建模，建模過程盡可能采用符合實際加工工藝的方式進行，以期與實際情況更為接近。在建模時參照GREET模型[13]將汽車分為汽車主體、流體、CNG供氣系統、蓄電池4個部分。

2.1 原材料獲取階段

汽車在生產制造過程中消耗大量材料如鋼、鋁、銅等，各種材料的上游均會消耗大量能源并產生大量污染物。汽車各部分材料組成比例如表1所示。

汽車主體中鋼、鋁、鑄鐵、塑料在原材料比例中占比達到91.1%[10]，在此采用較新的中國本土數據[14-15]，以使模型更符合中國實際情況，銅、玻璃、橡膠等的上游數據來自GaBi數據庫。對于CNG供氣系統主要考慮質量占比較大的氣瓶，其余小部件對總體結果影響很小，忽略不計。氣瓶主要由鋼（30 CrMo）、玻璃纖維和樹脂組成[16]；此外，流體制造過程也在原材料獲取階段進行考慮。

2.2 零部件制造階段

零部件制造階段主要消耗電能和熱能，電力結構不同對整車排放也會有所影響，在此選擇2017年中國電力結構作為參考。零部件制造階段直接環境污染物排放較少，在此忽略不計。各主要部件電能、熱能、潤滑油消耗數據根據文獻[17]設定，其中電能消耗如表2所示。

表2 汽車主要零部件制造階段電能消耗[17]Table 2 Electrical energy consumption of vehicle main components during manufacturing phase[17]

2.3 整車涂裝總裝階段

在組裝過程中主要使用焊接、螺栓連接和膠接3種連接方式，由于螺栓連接和膠接過程中的能耗和排放數據難以獲得且對整體結果影響較小，在此忽略不計。汽車在涂裝總裝過程中主要能源消耗如下[10]：涂裝（2.72 MJ/kg）、采暖通風空調系統與照明（2.18 MJ/kg）、供暖（2.03 MJ/kg）、物料搬運（0.45 MJ/kg）、焊接（0.61 MJ/kg）和車間壓縮空氣（0.9 MJ/kg）。由于噴漆的特殊性，在涂裝過程中會產生大量污染物排放，每涂裝一輛車CO排放量為0.022 4 kg、NOx排放量為0.026 8 kg、PM2.5排放量為0.06 kg、揮發性有機化合物（Volatile Organic Compounds，VOC）排放量為1.6 kg[18]。

2.4 使用維修階段

使用維修階段主要消耗CNG和汽油，在此假設使用CNG和使用汽油的里程比為3∶1。汽油和CNG上游數據選用GaBi數據庫中的中國數據，數據時間對應于2008—2017年。CNG在生產過程中主要包括天然氣開采和壓縮2個過程，天然氣開采過程能耗與排放來自GaBi數據庫；假設壓縮過程均采用電機壓縮方式，每立方米常壓天然氣壓縮至20～25 MPa耗電0.72 MJ[19]。汽車在使用汽油和CNG作為燃料時的污染物排放率 如 表3所 示[20-21]，其 中THC表 示 總 碳 氫 化合物。

表3 兩種燃料的氣體污染物排放率[20-21]Table 3 Exhaust emission ratio using two fuels[20-21]g/km

在使用維修階段，本文僅考慮一些必須周期性更換的流體、蓄電池和輪胎的消耗。通過查閱汽車使用手冊得知各流體更換頻率為：機油（7 500 km/次）、制動液（20000 km/次）、變速箱油（60 000 km/次）、冷卻液（30 000 km/次）。由于雨刷液受人為習慣影響較大，在此設定為12 500 km/次[22]。通過咨詢修理廠和4S店工作人員得知啟動電池大約每3～4年更換一次，輪胎80 000 km更換一次。

2.5 報廢回收階段

汽車經過拆解，對可利用部件進行再利用再制造后，將鋼鐵部件回爐回收，剩余殘渣進行填埋處理。

一輛車在拆解過程中消耗電能66.7 MJ，消耗氧氣6.77 kg，乙炔1.47 kg；再制造一臺發動機與使用原材料制造一臺發動機相比，可以節約16 kg鋁、58.2 kg鋼和406.8 MJ的電能[11]；假設輪胎回收方式為動態脫硫法，回收產品有鐵和再生膠，設定再生膠替代橡膠的替代因子為1∶0.3[23]；鉛酸蓄電池在回收過程中主要消耗電能和煤，輪胎和鉛酸蓄電池在回收過程中的能耗和排放參考文獻[11]進行設定。鋼鐵回爐過程的數據來自Ga-Bi數據庫。

3 影響評價與結果解釋

3.1 各階段能耗和排放結果

整車建模結束后可運用GaBi軟件平衡表功能自動匯總各階段輸入輸出，計算得出表4所示的各階段能耗和排放。可以看出，使用維修階段天然氣和原油消耗最多，占消耗總量的98%和97%；由于在各材料上游的礦石冶煉過程中使用了大量的煤，原材料獲取階段原煤消耗約占總量的48%。主要氣體污染物排放從大到小依次為CO、NOx、NMVOC、SOx。總NOx排放中使用維修階段占比87%，其次為原材料獲取階段；噴涂過程會有較多顆粒物排放，整車涂裝總裝階段顆粒物排放占比也超過20%。報廢回收階段由于避免了大量的材料制備過程而節約了1%的能源消耗。

3.2 特征化與歸一化

本文采用CML2001評價方法進行特征化，主要關注礦產資源消耗（ADP（e））、化石能源消耗（ADP（f））、酸化潛值（AP）、水體富營養化潛值（EP）、全球變暖潛值（GWP）、臭氧層破壞潛值（ODP）和光化學煙霧潛值（POCP）。各階段特征化結果如表5所示，表中Eq表示等同于。

表4 全生命周期各階段能耗和排放Table 4 Energy consumption and emission of each phase in full life cycle

表5 全生命周期各階段特征化結果Table 5 Characterization results of each phase in full life cycle

1）礦產資源消耗

礦產資源消耗如圖2所示，從圖中可以看出，原材料獲取階段礦產資源消耗最多，其次為使用維修階段。這主要是由于在原材料中包含了大量鋼材、鋁材等金屬，在金屬制備上游需要消耗大量礦石資源。報廢回收階段由于回收了大量金屬材料，產生了部分負的礦產資源消耗，即由于回收避免了34%的礦產資源消耗。

2）化石能源消耗

化石能源消耗如圖3所示，從圖中可以看出，使用維修階段消耗化石能源最多，占總化石能源消耗的89%，這主要由于在使用維修階段消耗了大量的汽油和CNG。原材料獲取階段的化石能源消耗主要來自礦石的冶煉過程消耗，其余各階段占比較低。

圖2 全生命周期礦產資源消耗Fig.2 Mineral resource consumption in full life cycle

3）環境影響分析

特征化結果的歸一化結果如表6所示。歸一化基準值來自GaBi數據庫，權重數值參考了文獻[24]確定。由表6和圖4可知，各階段對環境影響從大到小依次為：使用維修階段、原材料獲取階段、整車涂裝總裝階段、零部件制造階段、報廢回收階段。使用維修階段由于燃燒大量的天然氣和汽油產生大量尾氣排放，其中CO2、SO2占比較多；原材料獲取階段污染物排放主要來自材料制備上游，包括礦石開采加工、金屬冶煉等。報廢回收階段環境影響綜合值為負，這是由于回收產生的排放小于各回收產品制備過程的排放，由歸一化結果，由于報廢回收階段全生命周期對環境影響減少了1%。

3.3 敏感性分析

由圖4可知，在CNG/汽油兩用燃料汽車全生命周期內使用維修階段能耗和環境影響綜合值均為最高。為降低整車全生命周期內環境影響綜合值，本文將從使用CNG-汽油的使用里程比、整車總使用里程、電力結構3個角度進行分析。

1）CNG-汽油使用里程比

通過改變使用CNG-汽油的使用里程比來研究整車使用階段對環境影響的變化。不同比例下使用維修階段的環境影響綜合值結果如圖5所示。

當CNG-汽油使用里程比提高時，各環境影響參數均有所下降。與僅使用汽油相比，僅使用CNG所帶來的環境影響綜合值可降低28%左右。但在使用CNG時燃燒溫度較高，且未使用CNG專用的催化轉化器，尾氣中NOx和THC含量較高，并未完全發揮天然氣汽車的優勢。CNG專用汽車較汽油車可減少CO 排放90%，NOx排放58%和THC排放50%，將數據代入模型進行計算所得結果如圖5所示，與僅使用的汽油的兩用燃料汽車相比，CNG專用汽車可降低環境影響綜合值44%。因此，和汽油車相比，CNG兩用燃料汽車在成本較低的情況下可有效降低環境影響，但發展CNG專用汽車則對節能減排更為有利。

圖4 各階段環境影響歸一化結果Fig.4 Environment effect normalization results of each phase

圖5 不同CNG-汽油使用里程比下的環境影響綜合值Fig.5 Comprehensive environmental impact value under different CNG-gasoline mileage ratios

2）整車總使用里程

整車總使用里程根據用途和使用者習慣差別較大，不同總使用里程下的環境影響綜合值和化石能源消耗如圖6所示。從圖中可以看出，環境影響綜合值和化石能源消耗隨著總里程的增加呈線性增長，通過回收會使兩者有所降低。

3）電力結構

在整車制造、使用以及回收過程都會有電力的消耗，電力結構不同所帶來的環境影響差別較大，由國家可再生能源中心最新發布的《美麗中國2050年的能源經濟生態系統》中給出了中國既定政策下所對應的電力結構[25]，如表7所示，表中2017年前為實際統計數據，其余為預測值。計算得出2017—2050年對應的環境影響綜合值如圖7所示。

隨著風電、光電核電比例的增大全生命周期環境影響綜合值顯著下降，與2017年相比，2035年環境影響綜合值下降約7.5%，到2050年可降低約10.6%。因此優化電力結構，促進可再生能源的發展對整車全生命周期環境影響亦有明顯改善作用。

圖6 整車總使用里程對化石能源消耗和環境的影響Fig.6 Impact of total mileage on fossil energy consumption and environment

表7 2014—2050年電力結構[25]Table 7 Electric power structure in 2014—2050[25]%

圖7 2017—2050年電力結構對應的環境影響綜合值Fig.7 Comprehensive environmental impact value corresponding to electric power structure in 2017—2050

4 結 論

1）汽車使用維修階段能源消耗和污染物排放最多，能耗以CNG為主，主要污染物排放為CO、NOx和SO2。

2）原材料獲取階段礦產資源消耗最多，使用維修階段化石能源消耗最多，環境影響綜合值從大到小依次為：使用維修階段、原材料獲取階段、整車涂裝總裝階段、零部件制造階段、報廢回收階段。通過回收可節約超過30%的礦產資源消耗并減少1%的污染物排放。

3）對于CNG/汽油兩用燃料汽車環境影響綜合值，以僅使用汽油作為基準值，僅使用CNG時可降低28% 左右，而 CNG 專用汽車則可降低44%。

4）按照電力結構發展預測結果，與2017年相比，2035年全生命周期環境影響綜合值下降約7.5%，到2050年可降低約10.6%。堅持優化電力結構，促進可再生能源的發展對整車全生命周期環境影響亦有明顯改善作用。