汽車零部件生命周期評價研究

龍蘇華，趙松嶺

(1.奇瑞汽車股份有限公司材料工程部，安徽蕪湖 241009；2.奇瑞商用車研究院電子電器部，安徽蕪湖 241009)

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，汽車產品正由“奢侈品”逐步轉變為“消費品”。2018年我國汽車產銷總量雖比2017年有所下降，但是也分別達到了2 780.92萬輛和2 808.06萬輛[1]，我國儼然已進入汽車產銷大國的行列。由此所導致的資源、能源的消耗以及環境污染等問題也非常嚴重，如何有效解決這一問題不僅是我國也是世界其他汽車產銷大國面臨的難題。尋找有效的能源及環境管理工具來量化并客觀進行能源及環境管理勢在必行，而生命周期評價(Life Cycle Assessment，LCA)正適合于此。LCA是評估產品過程或其活動給環境帶來的負擔的客觀評價方法，其本質是檢查、識別和評估某種材料、過程、產品或系統在其整個生命周期中的環境影響[2]。

縱觀國際上其他主要汽車企業，都開展了LCA的廣泛研究并建立成熟的生命周期評價系統，為企業應對政策法規要求、開發更加優秀的產品提供了有力支撐。

歐盟2013年提出建立“綠色產品統一市場”政策，并提出基于LCA方法的產品環境足跡(PEF)方法，計劃將LCA納入2022年的有害物質法規，2018年提交了最終法案。美國環境保護局(EPA)計劃將LCA納入到2025年的汽車排放法規[3]。我國近年來也陸續頒布并實施了一些政策文件[4],逐漸強化產品全生命周期綠色管理，建立綠色制造體系，設立產品生態(綠色)設計示范企業等。由此可見，開展汽車及其零部件生命周期評估是未來汽車行業的發展趨勢，這不僅為汽車企業的低碳研發和綠色設計提供決策支持，也是促進產品綠色營銷、提升企業綠色競爭力的有效途徑。

1 生命周期評價(LCA)簡介

生命周期是指產品系統中前后銜接的一系列不同階段，從原材料的生產或自然資源的獲取，直至最終處置。國際標準化組織將LCA定義為對一個產品系統的生命周期中輸入、輸出及其潛在環境影響的匯編和評價(ISO14040:2006)[5]。如圖1所示，ISO14040規定LCA的技術框架為4個階段：目的和范圍的確定、清單分析( Life Cycle Inventory，LCI)、影響評價(Life Cycle Impact Assessment，LCIA)，以及每個階段都要開展的結果解釋。

圖1 LCA評估框架

目的和范圍的確定是說明開展生命周期評價的目的、研究結果的應用領域和確定研究系統邊界。LCI是對所研究系統中輸入和輸出數據建立清單的過程，包括數據收集、定量計算、研究系統的資源及能源消耗和污染物排放；LCIA是在清單分析的基礎上，進一步評價系統與外界物質的能量交換對環境產生的潛在影響。結果解釋是基于LCI與LCIA的結果，給出與研究目標及范圍相一致的結論與建議。

本文作者以某車型左B柱為研究對象，對其進行生命周期進行評價研究，并對評價結果進行解釋，識別左B柱全生命周期的重大環境影響問題。

2 研究方法

按照生命周期評價方法，依據ISO14040和ISO14044等標準的相關規定，采用SimaPro8進行產品系統建模和數據分析，并利用CALCA(Chinese Automobile Life Cycle Assessment system,中國汽車生命周期評價系統)數據庫與Ecoinvent3數據庫對該車型左B柱生命周期的環境影響進行評價。

2.1 目的和范圍的確定

2.1.1 目的

主要研究目的如下：

(1)評估該車型左B柱生命周期不同階段在GWP(Global Warming Potential)、AP(Acidification Potential)、POCP(Photochemical Oxidation Potential)、EP(Eutrophication Potential)和ODP(Ozone Depletion Potential)等5個方面的環境影響；

(2)分析不同類別環境影響在生命周期各階段的貢獻；

(3)左B柱不同原材料獲取階段對GWP、AP、POCP、EP和ODP等5個方面的環境影響。

2.1.2 功能單位確定

功能單位是用來作為基礎單位的量化的產品系統性能。本文作者選定的功能單位為一個左B柱產品，質量為4 kg，涉及主要原材料有冷鐓鋼、碳鋼、熱成型鋼等材料。

2.1.3 系統邊界確定

系統邊界的確認對數據收集要求、難度系數、數據質量等影響很大。如圖2所示，零部件生命周期系統邊界包括原材料的獲取階段、零部件生產階段等生命周期階段。邊界中考慮了從原材料生產地到生產廠以及生產階段廢棄物到回收處理廠的實際運輸方式和距離，考慮了生產階段的產品及半成品廠內運輸方式和距離，不包含現場建筑、機械設備等基礎設施的生產制造過程。

圖2 左B柱生命周期系統邊界

2.2 數據清單建立

依據系統邊界收集數據，數據分為基礎數據和生產數據：基礎數據來自CALCA(中國汽車生命周期評價系統)，主要是原材料生產相關的數據，如礦石開采、運輸、煉鐵、能源消耗及排放等鋼鐵材料的生產過程數據；生產數據主要是零部件生產過程所需的原材料、輔助材料、包裝物、能源消耗以及三廢排放等相關數據，主要內容及要求見表1。左B柱是由一級供應商生產供貨，主要由B柱加強板本體及螺母焊接而成，生產過程主要涉及焊接、沖壓。另外，由于時間及其他因素的限制，文中研究的零部件生產數據只收集到一級供應商。

表1 數據收集內容及要求

續表1

2.3 影響評價

依據此次評價的目的及范圍，在系統邊界及數據清單分析的基礎上，采用萊頓大學環境科學中心開發的CML2001評價方法對左B柱生命周期各階段所產生的不同環境影響進行評價，包括GWP、AP、POCP、EP和ODP等5個方面。環境影響見表2。

表2 左B柱環境影響評價結果

由表2可知，左B柱生命周期各階段對環境影響貢獻最大的是GWP，其次是AP，而ODP無影響。

3 結果解釋

通過對環境影響評價結果解釋，可以識別生命周期各階段的重大環境問題。圖3展示了左B柱生命周期階段對環境影響的百分比。

圖3 B柱生命周期各階段環境影響百分比

如圖3所示：在評價的GWP、AP、EP、POCP這4種類型的環境影響指標中，均是原材料獲取階段的貢獻最大，占相應環境影響總量的88.6%～99.98%，對ODP環境影響指標沒有貢獻；左B柱生產階段對GWP、AP、EP、POCP的環境影響總量的貢獻為0.02%～11.40%，對ODP環境影響指標沒有貢獻。上述研究已經辨識出左B柱原材料獲取階段是產品生命周期環境影響的最大貢獻者，該階段涉及所有原材料的生產制造及運輸引起的環境負荷。

圖4 不同材料生產階段環境影響百分比

生產左B柱所涉及的原材料主要有冷鐓鋼、碳鋼、熱成型鋼等，這些材料的獲取過程包括其生產過程和相關運輸過程。由圖4可知：熱成型鋼材料的獲取對GWP、AP、EP、POCP這4類環境影響的貢獻均最大，占原材料獲取階段該類指標總量的92.54%～99.26%，但對ODP沒有貢獻；冷墩鋼和普通鋼材料對GWP、AP、EP、POCP這4類環境影響的貢獻均很小，占原材料獲取階段該類指標總量的7%以下，其對ODP也沒有貢獻；其他輔助生產原料如潤滑油等對這4類環境影響的貢獻非常小，可以忽略不計，不單獨列出來。因此，降低熱成型鋼材的環境負荷，成為原材料獲取階段的環境熱點問題。

通過以上分析，金屬零部件生命周期階段中鋼鐵原材料的獲取階段對各類環境影響貢獻較大。目前，傳統汽車中鋼鐵類金屬的使用約占整車質量的60%左右，其他金屬約占10%左右，由此可見金屬材料在整車中的占比較高，對整車全生命周期中的各類環境影響貢獻較大，所以從節能、環保的角度出發，在保證產品安全性能的基礎上減少金屬的使用是很有必要的。

4 結論

依據生命周期評價方法，對某車型B柱生命周期的環境影響評價結論如下：

(1)B柱生產階段對不同類型的環境影響最小，占環境影響總量的0.02%～11.50%，對ODP環境影響沒有貢獻。

(2)B柱生產階段對環境的影響主要來源于電力、天然氣、水等能源的使用帶來的間接排放污染，而各種直接污染排放對環境影響非常小。針對這一問題，可以通過優化生產工藝、建立能源管理系統等方法來實現生產階段的節能減排。

(3)原材料獲取階段是B柱生命周期中環境影響的主要貢獻者，對GWP、POCP、AP、EP環境影響的貢獻率為88.60%～99.98%，對ODP環境影響沒有貢獻。可以通過減少鋼鐵材料的使用、增加其他環保材料的使用等方式降低原材料獲取階段的環境影響。

(4)不同原材料的獲取過程對各類環境影響差別很大。冷墩鋼和普通鋼材料對GWP、AP、EP、POCP這4類環境影響的貢獻均很小，占原材料獲取階段該類指標總量的7%以下，其對ODP也沒有貢獻；熱成型鋼材料的獲取，對GWP、AP、EP、POCP這4類環境影響的貢獻均最大，但對ODP沒有貢獻，所以降低熱成型鋼材的環境負荷，成為原材料獲取階段的環境熱點問題；其他輔助生產原料對這4類環境影響的貢獻非常小，完全可以忽略。