基于生命周期理論的汽車產(chǎn)品碳排放評價研究及低碳發(fā)展建議*

么麗欣 劉斌 石紅 馬乃鋒

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

主題詞：碳排放 新能源汽車 生命周期評價 能源 材料

縮略語

NEV New Energy Vehicle

LCA Life Cycle Assessment

WTP Well to Pump

PTW Pump to Wheel

ICEV Internal Combustion Engine Vehicle

HEV Hybrid Electric Vehicle

PHEV Plug-in Hybrid Electric Vehicle

BEV Battery Electric Vehicle

FCEV Fuel Cell Electric Vehicle

UF Utilizing Factor

1 研究背景

當前，綠色低碳發(fā)展已經(jīng)成為全球共識和發(fā)展方向。“雙碳”目標的提出是推動我國經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的關鍵之舉，服務好“雙碳”戰(zhàn)略目標是我國經(jīng)濟社會中一項全局性、系統(tǒng)性工程。同時，“雙碳”目標的提出也對汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出新的要求，將帶來一系列廣泛而深刻的系統(tǒng)性變革。

第一，實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型，是產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求和戰(zhàn)略選擇。汽車產(chǎn)業(yè)作為橫跨工業(yè)、交通、能源主要終端能耗部門的產(chǎn)業(yè)，其低碳發(fā)展對我國實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要意義。目前，中國交通運輸碳排放占國內(nèi)碳排放總量的10%左右，其中以汽車為主的道路交通碳排放占全國交通運輸碳排放總量的80%以上，實現(xiàn)“雙碳”目標是汽車行業(yè)的責任，也是實現(xiàn)汽車強國的重要前提。未來汽車碳排放總量還將繼續(xù)攀升，推動汽車產(chǎn)業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型對于緩解國家碳減排壓力具有重要意義。

第二，全球新能源汽車市場逆勢增長，推動汽車電動化轉(zhuǎn)型已成為全球主要國家的共同選擇。在碳中和政策框架下，多個國家加速交通領域零排放或低碳化轉(zhuǎn)型，把新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為綠色低碳發(fā)展和實現(xiàn)經(jīng)濟復蘇的主要驅(qū)動力，并制定積極的支持政策促進新能源汽車市場的快速發(fā)展。同時許多國家也設定了汽車電動化目標，如：美國計劃到2030年，零排放汽車占新車總銷量的50%；歐盟提出2035年實現(xiàn)新注冊乘用車及輕型商用車100%零排放。在政策及行業(yè)的有力推動下，2022年1～9月，我國新能源汽車銷量達到456.7萬輛，同比增長1.1倍，市場占有率達到23.5%，產(chǎn)業(yè)步入了規(guī)模化快速發(fā)展的新階段。

第三，汽車企業(yè)紛紛發(fā)布碳中和計劃和電動化目標，并加快低碳技術研發(fā)進程。寶馬、戴姆勒、大眾等多家跨國車企先后公布了各自碳中和時間表或減碳計劃，如寶馬提出到2025年，在中國銷售的汽車25%是純電動車型。同時，中國車企也紛紛提出應對“雙碳目標”的計劃，東風汽車、長城汽車、比亞迪等汽車企業(yè)先后制定了碳中和計劃和電動化目標。比如，長城汽車制定了“2025年80%是新能源汽車”的電動化目標，2045年實現(xiàn)碳中和；2022年4月，比亞迪官方宣布，自2022年3月起停止燃油汽車生產(chǎn)，未來專注于純電動和插電式混合動力汽車業(yè)務。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外研究成果[1-2]表明，生命周期評價法（Life Cycle Assessment，LCA）是一種從整個生命周期的視角分析某種產(chǎn)品或某項工藝過程直接和間接環(huán)境影響的評價方法。生命周期評價又稱從“搖籃（Cradle）”到“墳墓（Grave）”的分析方法[3]?！皳u籃”是指產(chǎn)品生命開始時從自然界得到所需原材料的過程，“墳墓”是指產(chǎn)品生命終結后的報廢處理和回收利用過程。生命周期研究過程從原材料獲取開始，經(jīng)過生產(chǎn)加工、運輸、使用環(huán)節(jié)，直到最后產(chǎn)品生命末端的報廢與回收，追蹤每個階段的能源消耗和環(huán)境排放，進而分析整個生命周期的環(huán)境影響。

國內(nèi)許多研究人員利用生命周期評價法對傳統(tǒng)汽車和新能源汽車的碳排放水平進行比較分析，比如，劉江鵬[4]采用車用燃料生命周期分析法，在綜合考慮我國電力構成的基礎上，對純電動汽車、混合動力汽車、傳統(tǒng)燃油汽車的碳減排進行量化分析；陳思敏[5]構建輕型汽油車和電動車車輛周期的能耗和環(huán)境排放分析模型，并根據(jù)一定假設條件和政策前提建立分析情景；陳理[6]對混合動力汽車比亞迪宋DM、純電動汽車比亞迪宋EV400、傳統(tǒng)燃油車比亞迪宋燃油版進行全生命周期能耗及主要大氣污染物排放情況進行分析。

可見，生命周期評價法在汽車領域的應用很多，但是仍存在以下3個問題：

（1）汽車產(chǎn)品燃料周期的研究成果較多，全面覆蓋燃料周期和車輛周期的研究成果較少；

（2）大多研究成果僅針對兩到三種動力類型產(chǎn)品進行碳排放評價；

（3）不同技術路線汽車產(chǎn)品的減碳重點有待明確。

綜上，需要構建以汽車產(chǎn)品整個生命周期作為研究對象，對直接和間接的碳排放情況進行全面評價，避免出現(xiàn)環(huán)境負擔轉(zhuǎn)移。本文將選取不同技術路線下的可比車型對其全生命周期的碳排放情況進行建模分析，進而識別不同技術路線車型的碳減排關鍵環(huán)節(jié)。

3 建模評價

3.1 研究方法

本文基于LCA理論，圍繞汽車產(chǎn)品全生命周期的每個階段，開展產(chǎn)品層面的碳足跡核算。汽車產(chǎn)品生命周期包括燃料周期和車輛周期，其中車輛周期包括原材料開采、材料冶煉、零部件生產(chǎn)制造、整車生產(chǎn)制造、車輛行駛、報廢回收階段，燃料周期包括燃料生產(chǎn)（Well to Pump，WTP）和燃料使用（Pump to Wheel，PTW）階段，見圖1。

考慮輸入數(shù)據(jù)的可獲取程度，本文車型層面的碳排放量計算模型只考慮燃料生產(chǎn)（WTP）、燃料使用（PTW）、原材料獲取、整車生產(chǎn)制造4個階段，其它階段在后續(xù)研究中再擴充，相關計算公式詳見文獻[7]。

3.2 研究對象

本文綜合考慮汽車市場發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢，重點研究汽油車（Internal Combustion Engine Vehicle，ICEV）、普通混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）、插電式混合動力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）、純電動汽車（Battery Electric Vehicle，BEV）、燃料電池汽車（Fuel Cell Electric Vehicle，F(xiàn)CEV）這5種技術路線產(chǎn)品的碳排放量對比。兼顧車型腳印面積相近、技術水平先進、車系盡量統(tǒng)一的原則選取乘用車市場2組代表車型作為研究對象，車型參數(shù)詳見表1、表2。

表1 第1組代表車型主要參數(shù)

表2 第2組代表車型主要參數(shù)

3.3 碳排放評價

各技術路線產(chǎn)品生命周期總體碳排放量表現(xiàn)為ICEV＞HEV＞PHEV＞BEV。如圖2所示，針對第1組車型的評價結果顯示，ICEV碳排放量最高，CO2達到186 g/km；由于油耗水平更低，HEV碳排放量比ICEV降低了23%，CO2達到143 g/km；PHEV燃料周期的碳排放量略低于HEV，動力電池帶來一定的碳排放量增加，總CO2排放量為131 g/km；BEV的CO2排放量僅為112 g/km，比ICEV降低了40%，可見當前乃至未來，BEV都是汽車低碳發(fā)展最重要的技術路線之一。

（1）ICEV和HEV：汽油燃燒引起的碳排放較大

ICEV和HEV在燃料使用階段的CO2排放量分別為133 g/km和97 g/km，占整個生命周期的70%左右；如圖3所示，隨著車型電動化程度的增加，燃料生命周期碳排放量逐漸減小，PHEV燃料使用階段碳排放降低至47 g/km，燃料周期總體碳排放量低于ICEV和HEV；BEV在運行階段碳排放實現(xiàn)零排放，在全國平均電力水平下，BEV已經(jīng)呈現(xiàn)出明顯的減碳優(yōu)勢，燃料生命周期碳排放量比ICEV低60%，未來在電網(wǎng)清潔化的作用下，BEV減碳優(yōu)勢還將逐漸擴大。

（2）PHEV：碳排放量與用戶使用特征密切相關

考慮PHEV典型使用特征，在全國平均電網(wǎng)結構的作用下，PHEV的碳排放量略低于HEV，減排效果不明顯。然而在充電設施較為普及的區(qū)域，用戶充電頻率增加，純電利用系數(shù)（UF）將提升，PHEV的減碳優(yōu)勢將逐漸擴大。具體來看，UF每提升10%，PHEV生命周期CO2排放量將減少4 g/km，當UF達到90%時，PHEV的CO2排放量僅為116 g/km（圖4），比HEV降低19%，幾乎與同級別BEV相當?？梢?，PHEV總體碳排放量與用戶的實際使用特征密切相關。

（3）BEV：動力電池原材料獲取階段碳排放貢獻大

不同技術路線車型在傳統(tǒng)部件原材料獲取階段、整車生產(chǎn)制造階段的碳排放量相差并不大，然而由于動力電池中鎳、鈷、錳、鋰等金屬元素的開采、提取等工序的資源消耗較高、對環(huán)境帶來的影響較大，所以會直接導致BEV車輛生命周期的碳排放量增加[8]。經(jīng)測算，BEV動力電池原材料獲取階段碳排放量在BEV車輛生命周期占比高達49%，占BEV生命周期周期總體碳排放量的20%左右，如圖5所示。

（4）FCEV：制氫方式?jīng)Q定生命周期是否低碳

目前，我國氫能市場還處于導入期，氫氣的制取主要有3種技術路線[9]：一是以煤炭、天然氣為代表的化石能源重整制氫，二是以焦爐煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業(yè)副產(chǎn)氣制氫，三是可再生能源制氫。氫燃料電池汽車能夠在運行階段實現(xiàn)零排放、無污染，在制氫環(huán)節(jié)產(chǎn)生的間接碳排放量是氫燃料電池汽車生命周期碳減排的重要工作。在不同制氫方式下，氫燃料電池汽車生命周期碳排放量差異較大。針對第2組車型的評價結果顯示，在當前電網(wǎng)結構下，采用電網(wǎng)制氫的FCEV生命周期總體碳排放量比同車系ICEV產(chǎn)品增加40%；采用氯堿副產(chǎn)氫的FCEV總體碳排放量比同車系ICEV產(chǎn)品降低25%；而采用綠電制氫的FCEV總體碳排放量僅為59 g/km，燃料周期碳排放量降至0，如圖6所示。

4 發(fā)展建議

在雙碳戰(zhàn)略的推動下，汽車產(chǎn)品技術路線進入多元化發(fā)展時代，而技術創(chuàng)新是汽車產(chǎn)品實現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型的重要基石。本文基于對不同技術路線產(chǎn)品生命周期碳排放水平的分析，從技術創(chuàng)新角度對汽車產(chǎn)品生命周期減碳提出5點建議。

（1）加快發(fā)展傳統(tǒng)能源汽車節(jié)能技術，不斷提升燃料經(jīng)濟性水平

傳統(tǒng)能源汽車在未來相當長的一段時間內(nèi)仍將是市場主流，發(fā)展傳統(tǒng)車節(jié)能技術對汽車產(chǎn)業(yè)整體節(jié)能減排有重要意義。建議以動力總成優(yōu)化升級為重點，加速推進高效燃燒、先進控制余熱回收等技術研發(fā)應用；開發(fā)基于內(nèi)燃機、電機、電池混合動力裝置系統(tǒng)智能控制、能量分配和管理技術，突破關鍵零部件技術，開發(fā)智能燃料噴射系統(tǒng)、高效增壓和電動增壓及關鍵傳感器[10]。以汽油機作為輕型車用混合動力為例，未來通過稀燃、壓燃等節(jié)能技術，有效熱效率仍有20%～30%的提升空間[11]。

（2）加快推進動力電池材料、工藝、生產(chǎn)、回收各環(huán)節(jié)低碳化，減少對環(huán)境帶來的影響

動力電池是影響純電動汽車碳排放的關鍵部件，涉及上游鋰礦石、正負極材料、電池包、模組等環(huán)節(jié)碳排放。建議加快無鈷動力電池和固液混合電池等共性關鍵技術的研發(fā)，布局新體系動力電池、全固態(tài)金屬鋰電池等前沿技術，開展正負極、電解液、隔膜等動力電池材料關鍵核心技術研究。通過改進鋰電池正負極材料、電池結構、生產(chǎn)制造工藝，優(yōu)化提升電池的功率密度和能量密度，實現(xiàn)動力電池綠色水平的提高和耗材的減少，進而減少純電動汽車生命周期碳排放。此外，選擇合適的工廠地理位置，加大生產(chǎn)環(huán)節(jié)清潔能源供給，完善電池回收利用體系，對廢舊電池進行材料回收和梯次利用，也是助力動力電池減碳、脫碳的重要舉措。

（3）擴大車用清潔能源使用比例，加快低碳燃料、零碳燃料研發(fā)和應用

從整個生命周期來看，電網(wǎng)清潔程度是純電動汽車碳排放的關鍵影響因素，車用氫能制取方式是燃料電池汽車碳排放的關鍵影響因素。建議加快水電、風電、太陽能、生物質(zhì)等可再生能源發(fā)電的開發(fā)和利用，推動我國電力生產(chǎn)結構清潔化轉(zhuǎn)型。加快氫能“制、儲、輸、用”技術的進步，推動氫氣生產(chǎn)結構將從傳統(tǒng)化石能源為主向以可再生能源為主轉(zhuǎn)變，加快構建水電解制氫、光伏制氫、風電制氫、核能制氫等清潔氫能供應體系。同時，加快替代燃料、生物質(zhì)燃料、可再生合成燃料的燃燒、供給、后處理等技術研究和推廣應用[10]。

（4）提升車用材料綠色化水平，推動車用材料再生資源循環(huán)利用

車用材料低碳化不僅能促進材料工業(yè)碳排放降低，還可以在材料與汽車行業(yè)協(xié)同降碳中發(fā)揮一定作用，進而減少汽車產(chǎn)品生命周期碳排放。通過選用低碳環(huán)保原材料、提高可再生資源和清潔能源使用比例、改進生產(chǎn)設備以及流程降碳、工藝降碳，不斷提升車用材料綠色化水平。同時加快構建汽車綠色供應鏈體系構建完備，提升汽車可回收利用率和重點部件的再生原料利用比例，推動車用材料再生資源循環(huán)利用。國內(nèi)研究文獻[12-13]顯示，廢鋼作為鐵礦石的替代原料，每使用1 t廢鋼可節(jié)約標準煤0.35 t，減少CO2排放1.6 t；每回收利用1 kg廢塑料，相當于減少使用2～3 kg原油，可使煉制乙烯環(huán)節(jié)CO2排放量減少50%。

（5）開發(fā)先進工藝及節(jié)能技術，加快生產(chǎn)制造綠色低碳轉(zhuǎn)型

在汽車產(chǎn)品整個生命周期中，整車和零部件生產(chǎn)制造階段的碳排放量占比并不高，不過減少生產(chǎn)制造碳排放是汽車企業(yè)實現(xiàn)碳中和的重要路徑。應提高可再生能源應用比重，深入實施綠色制造工程，完善綠色制造體系，建設綠色工廠和綠色工業(yè)園區(qū)[14]。從近期來看，建議汽車企業(yè)以綠色工廠為目標，通過提高產(chǎn)能利用率、改進生產(chǎn)工藝、采用清潔能源替代等路徑減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的碳排放；從遠期來看[15]，通過推動低碳技術的研發(fā)、加強產(chǎn)業(yè)供應鏈管理、提升智能制造水平等路徑實現(xiàn)汽車產(chǎn)品低碳發(fā)展。