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電動(dòng)汽車全生命周期節(jié)能減排效益分析及環(huán)境影響評(píng)價(jià)

2021-09-14 09:42:42·  來源：汽車碳中和技術(shù)  
　
為探究電動(dòng)汽車在全生命周期是否仍具有良好的節(jié)能減排效益，論文以插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)和純電動(dòng)汽車(BEV)為研究對(duì)象，采用生命周期評(píng)價(jià)方法和GREET模型，對(duì)
為探究電動(dòng)汽車在全生命周期是否仍具有良好的節(jié)能減排效益，論文以插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)和純電動(dòng)汽車(BEV)為研究對(duì)象，采用生命周期評(píng)價(jià)方法和GREET模型，對(duì)能源消耗及污染排放情況進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)比傳統(tǒng)汽車(GICEV),以評(píng)價(jià)其環(huán)境效益。研究得出以下結(jié)論：
1)兩種電動(dòng)汽車全生命周期總能耗均低于傳統(tǒng)汽車，PHEV和BEV相對(duì)于GICEV分別減少18.94%和24.27%,在車輛行駛階段體現(xiàn)出明顯的節(jié)能優(yōu)勢；
2)相比于GICEV,兩種電動(dòng)汽車對(duì)CO2、NOx、CO和VOC的排放量均有不同程度的下降，其中BEV對(duì)CO和VOC的減排效果最好，分別減少了90.34%和44.39%,但SOx的排放量增至GICEV的2.57倍，綜合來看，PHEV和BEV的環(huán)境影響負(fù)荷分別比GICEV下降了24.25%和40.72%;
3)考慮負(fù)外部性時(shí)，電動(dòng)汽車的純經(jīng)濟(jì)成本更接近于真實(shí)成本，有利于減排；
4)在未來我國能源結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化的前提下，推廣電動(dòng)汽車的效益會(huì)更加可觀。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;生命周期評(píng)價(jià);GREET模型;環(huán)境影響負(fù)荷;節(jié)能減排

在汽車領(lǐng)域，節(jié)能減排一直是一個(gè)熱度不減的話題。以我國為例，民用汽車擁有量由2010年的7 801.83萬輛激增至2018年的2.32億輛(國家統(tǒng)計(jì)局，2019a),汽車，尤其是傳統(tǒng)燃油汽車，擁有量日益增加，與之俱來的能源問題和環(huán)境問題也日趨嚴(yán)峻。傳統(tǒng)汽車尾氣污染物排放所造成的環(huán)境污染則成為新時(shí)代我國環(huán)保事業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)。在此背景下，大力推廣以清潔能源為燃料的環(huán)境友好型新能源汽車，逐漸成為我國解決上述問題的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略舉措。
近年來，我國一直將新能源汽車作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。為促進(jìn)新能源汽車的需求，2009年以來，中央和地方相繼出臺(tái)新能源汽車購置補(bǔ)貼和免征購置稅等相關(guān)政策。2020年年初，面對(duì)新能源汽車行業(yè)下行壓力及新冠疫情的雙重打擊，為進(jìn)一步提振新能源汽車產(chǎn)業(yè)，國務(wù)院于2020年3月31日決定，將原定于年底失效的上述政策延期兩年，并提出將充電樁納入“新基建”(人民網(wǎng)，2020)。此舉在促進(jìn)傳統(tǒng)汽車向新能源汽車的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型道路上邁出了重要一步。電動(dòng)汽車作為新能源汽車的一種，一直被人們廣泛認(rèn)可。目前，混合動(dòng)力汽車(HEV)、插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)和純電動(dòng)汽車(BEV)是我國主要的電動(dòng)汽車發(fā)展方向。然而，電動(dòng)汽車節(jié)能減排的優(yōu)勢僅僅是針對(duì)汽車行駛階段而言的，如果從全生命周期角度來看，電動(dòng)汽車是否還具備這種優(yōu)勢，節(jié)能減排的環(huán)境效益是多少，均有待進(jìn)一步研究。
在電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)汽車能耗、污染物排放以及環(huán)境影響方面，國內(nèi)外學(xué)者均展開了相關(guān)研究，這對(duì)其健康發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用：Ribau等(2014)通過單目標(biāo)和多目標(biāo)遺傳算法，將燃料混合動(dòng)力汽車(FC-HEV)和插電式混合動(dòng)力汽車(FC-PHEV)與傳統(tǒng)汽車進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化生命周期二氧化碳排放與控制成本相互矛盾，同時(shí)證明插電式混合動(dòng)力汽車具有更高的運(yùn)行效率，而燃料混合動(dòng)力汽車成本和環(huán)境影響更低；Huo等(2015)選取中國與美國各3個(gè)地區(qū)對(duì)電動(dòng)汽車溫室氣體和其他空氣污染物排放展開研究，預(yù)測到2025年由于發(fā)電廠排放得到有效控制，電動(dòng)汽車的使用將更大程度上減少溫室氣體和其他空氣污染物排放；施曉清等(2013)通過燃料生命周期理論，以北京市電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，對(duì)多組減排情景進(jìn)行模擬分析，為電動(dòng)汽車的推廣與改進(jìn)提出了優(yōu)化建議。在具體方法上，隨著研究的不斷深入，全生命周期方法被越來越多地應(yīng)用于各種研究：Simons等(2015)通過全生命周期評(píng)價(jià)法發(fā)現(xiàn)使用氫氣燃料比化石燃料能更大程度減少溫室氣體對(duì)環(huán)境的影響；劉宏等(2007)則從節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，對(duì)不同車型全生命周期進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)純電動(dòng)汽車能創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)與社會(huì)效應(yīng)；楊峰等(2009)通過對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車(RAVA4)與純電動(dòng)汽車(RAVA4 EV)進(jìn)行全生命周期成本分析與比較，得出純電動(dòng)汽車運(yùn)行成本低于燃油汽車，但總成本高于燃油汽車的結(jié)論；王恩慈等(2017)基于WTW體系與GREET模型，選擇4個(gè)能源結(jié)構(gòu)差異明顯的國家，從能耗與排放兩個(gè)方面對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)新能源為主的國家比以化石能源為主的國家更適合于發(fā)展純電動(dòng)汽車；孔德洋等(2018)從電解水制氫工藝出發(fā)，深入討論在不同發(fā)電方式下，燃料電池汽車全生命周期能耗、排放與環(huán)境效益的具體情況，得出風(fēng)能發(fā)電更占優(yōu)勢的結(jié)論。
綜上所述，目前汽車生命周期環(huán)境影響的研究領(lǐng)域相對(duì)成熟，但較為缺乏各種電動(dòng)汽車間的橫向比較。本文試圖通過生命周期評(píng)價(jià)方法，并結(jié)合GREET模型，選取市場上典型的插電式混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車為電動(dòng)汽車的代表車型，從能耗、污染排放、環(huán)境影響負(fù)荷及環(huán)境成本等角度全面對(duì)比傳統(tǒng)汽車進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，以判斷電動(dòng)汽車是否仍然具有良好的節(jié)能減排效益。
1 研究方法和數(shù)據(jù)
1.1 研究方法
1.1.1 GREET模型
GREET模型是由美國阿貢實(shí)驗(yàn)室(Argonne national laboratory, ANL)開發(fā)的研究車輛燃料周期能量消耗和氣體排放的評(píng)價(jià)模型。該模型被廣泛應(yīng)用于汽車生命周期評(píng)價(jià)領(lǐng)域：通用汽車公司曾以美國為背景，應(yīng)用GREET模型對(duì)不同車輛技術(shù)和燃料路線進(jìn)行能耗及溫室氣體排放進(jìn)行分析評(píng)價(jià)；Han等(2015)基于GREET模型得出輕型汽車和低碳燃料對(duì)溫室氣體減排效益可觀的結(jié)論。
模型的計(jì)算邏輯為，對(duì)于燃料周期上游階段，每單位產(chǎn)品輸出所需要消耗的能量可由該過程的能量效率(η)計(jì)算得到。當(dāng)所有原料均在生產(chǎn)燃料的過程中通過燃燒被消耗時(shí)，總能耗(Ein)的計(jì)算公式為
 
絕大多數(shù)情況下，原料可以同時(shí)充當(dāng)生產(chǎn)燃料的原料和工藝燃料，此時(shí)的總能耗由原料能量和工藝燃料能量兩部分組成，即部分原料能源作為原料轉(zhuǎn)化為燃料，其余原料能源作為工藝燃料參與燃燒以提供熱量。因此需要區(qū)分出工藝燃料的消耗量(Ep),公式為
燃料周期上游階段的排放大部分來源于工藝燃料的燃燒，少量來源于非燃燒過程，如蒸發(fā)或泄漏。每種排放量與對(duì)應(yīng)的工藝燃料種類、消耗量與設(shè)備有關(guān)。對(duì)于工藝燃料燃燒過程產(chǎn)生的第i種排放物的計(jì)算公式為
式中：Muc, i為非燃燒過程排放的第i種排放物；Fi,j,k為第k種設(shè)備使用第j種工藝燃料的排放因子；Ep, j,k為第k種設(shè)備使用第j種工藝燃料的消耗量，計(jì)算公式為
其中，Ein為能源總消耗量，由公式(1)和公式(2)計(jì)算得出，αj為工藝燃料總消耗量中第j種工藝燃料所占的比例，βk,j為在所有使用第j種工藝燃料的設(shè)備中第k種設(shè)備所占的比例。
需要注意的是，燃料周期上游的總能耗和總排放除了來源于燃燒消耗，還應(yīng)將工藝燃料的生命周期上游階段納入考慮范圍，因?yàn)楣に嚾剂献鳛橐环N燃料，也經(jīng)歷了一系列同樣的生產(chǎn)方式。綜上，燃料周期上游的總能耗(Etotal)和總排放(Mtotal, i)的計(jì)算公式為
式中：Eup, in, j為第j種工藝燃料自身上游階段的能耗；Mup, i,j為第j種工藝燃料自身上游階段排放物i的量；Ep, j為第j種工藝燃料的消耗量。
本文數(shù)據(jù)以GREET 模型中的內(nèi)置數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)參考我國實(shí)際情況做出調(diào)整，詳見1.2節(jié)。
1.1.2 生命周期評(píng)價(jià)法(LCA模型)
生命周期評(píng)價(jià)(life cycle assessment, LCA)是對(duì)一個(gè)產(chǎn)品或工藝過程全生命周期內(nèi)有關(guān)的輸入、輸出及其直接和間接環(huán)境影響進(jìn)行匯編和評(píng)估的方法，也稱作從“搖籃”到“墳?zāi)?rdquo;的分析。根據(jù)ISO14040標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，LCA包括4個(gè)階段：目的與范圍的確定，環(huán)境清單分析，環(huán)境影響評(píng)價(jià)以及評(píng)價(jià)結(jié)果解釋(ISO,2006)。
基于我國現(xiàn)狀，本文以電動(dòng)汽車推廣使用的能源與環(huán)境效益分析為目標(biāo)，引入傳統(tǒng)汽車作為對(duì)照，全面評(píng)價(jià)車輛和燃料生產(chǎn)、使用和車輛報(bào)廢處理階段的能量消耗與污染物排放情況。為了便于與GREET模型結(jié)果銜接，本文將評(píng)價(jià)范圍整合為燃料周期和車輛周期。根據(jù)生命周期的概念，針對(duì)車輛燃料，美國ANL提出了“從井到輪”(well-to-wheel, WTW)評(píng)價(jià)體系。該體系以燃料系統(tǒng)為研究對(duì)象，分為從油井到油泵(well-to-pump, WTP)和從油泵到車輪(pump-to-wheel, PTW)2個(gè)階段：WTP為燃料周期的上游階段，主要包括原料的開采、運(yùn)輸和儲(chǔ)存，燃料的生產(chǎn)、運(yùn)輸和配送；PTW為燃料周期的下游階段，以車輛行駛過程對(duì)燃料的消耗為主體。燃料周期的環(huán)境影響主要由上游的生產(chǎn)運(yùn)輸和下游的燃料消耗造成。車輛周期包括車用原材料生產(chǎn)、車輛制造(主體、電池和流體)、整車裝配、車輛配送以及維修和報(bào)廢階段。汽車全生命周期的環(huán)境影響是燃料周期和車輛周期所有環(huán)境影響的總和。本文研究的環(huán)境影響僅限于與車輛和燃料系統(tǒng)直接相關(guān)的影響，諸如廠房建設(shè)和設(shè)備制造等間接影響則不納入考慮范圍。
本文以每輛汽車行駛25萬km為功能單位，利用燃料經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，即“能耗信息”(L/hkm),使以“每輸出1 MJ車用燃料”為單位的WTP階段和以“每行駛100 km”為單位的PTW階段建立聯(lián)系，對(duì)各類汽車進(jìn)行全生命周期能耗分析和環(huán)境影響評(píng)價(jià)，涉及的主要排放物包括CO2、CH4、SOx、NOx、粉塵、CO和VOC等7種，其中粉塵包括PM2.5和PM10。汽車全生命周期主要架構(gòu)如圖1所示，主要包括汽車生產(chǎn)階段、汽車行駛階段和汽車報(bào)廢回收階段。
圖1 汽車全生命周期主要架構(gòu)
環(huán)境影響評(píng)價(jià)是將清單分析得到的環(huán)境負(fù)荷量通過分類、特征化、標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)轉(zhuǎn)化成不同類型的環(huán)境影響，以便從不同角度審查研究系統(tǒng)，進(jìn)而為下一階段的評(píng)價(jià)結(jié)果解釋提供信息。環(huán)境影響評(píng)價(jià)主要考慮7種排放物對(duì)環(huán)境的影響，包括全球變暖、酸化、光化學(xué)臭氧合成和煙塵及灰塵5個(gè)方面(Hertwich等，2001)。
1)特征化環(huán)境影響潛值是指全生命周期環(huán)境排放影響的總和，計(jì)算公式為
式中：EP(j)為第j種環(huán)境影響潛值，即系統(tǒng)對(duì)第j種潛在環(huán)境影響類型的貢獻(xiàn)；Q(j)i為第i種物質(zhì)的排放量；EF(j)i為第i種排放物質(zhì)對(duì)第j種潛在環(huán)境影響的當(dāng)量因子，本文考慮影響尺度為100 a。
2)標(biāo)準(zhǔn)化的第一個(gè)目的是使以絕對(duì)數(shù)表示的影響值轉(zhuǎn)化為相對(duì)值，從而具有數(shù)值可比性；第二個(gè)目的是為進(jìn)一步評(píng)估提供依據(jù)。本文以1990 年作為參考年，建立標(biāo)準(zhǔn)人當(dāng)量，即每年每人平均造成的環(huán)境影響潛值。標(biāo)準(zhǔn)化后的環(huán)境影響潛值可表述為
式中：NEP(j)為標(biāo)準(zhǔn)化后的環(huán)境影響潛值；ER(j)90為1990年全球(地區(qū))第j種環(huán)境影響人均潛值。標(biāo)準(zhǔn)化后的單位記為“標(biāo)準(zhǔn)人當(dāng)量”。
3)加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化后的環(huán)境影響潛值僅反映各種影響類型的相對(duì)大小，并沒有反映出該影響的相對(duì)重要性，這說明即便兩種不同的環(huán)境影響潛值標(biāo)準(zhǔn)化后結(jié)果相同，也不能代表二者的影響同樣嚴(yán)重。因此需要對(duì)影響的重要性進(jìn)行排序，重要性即權(quán)重，加權(quán)后的第j種環(huán)境影響潛值WP(j)為
式中WF(j)為權(quán)重因子。本文采用2000年我國政府的削減目標(biāo)確定權(quán)重，可以反映在1990年的基準(zhǔn)上要削減多少才能達(dá)到2000年的目標(biāo)。權(quán)重越大，削減越快，權(quán)重大于1說明2000年的總量排放會(huì)低于基年，小于1說明目標(biāo)是降低排放的增長速度而并非削減總量(楊建新，2002)。
4)環(huán)境影響負(fù)荷。通過將加權(quán)后的環(huán)境影響潛值進(jìn)行加和，構(gòu)建環(huán)境影響負(fù)荷指標(biāo)EIL,用于反映所研究系統(tǒng)的整體全生命周期內(nèi)對(duì)環(huán)境的壓力大小。
1.2 數(shù)據(jù)和材料
1.2.1 研究對(duì)象的選取
根據(jù)當(dāng)前新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和政府的發(fā)展規(guī)劃，混合動(dòng)力汽車(HEV)、插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)和純電動(dòng)汽車(BEV)是主要的電動(dòng)汽車發(fā)展方向。因此本文選取插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)、純電動(dòng)汽車(BEV)進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)。在選取各類型代表車型時(shí)，考慮典型性和市場占有率等因素。丁舟波等(2017)在電動(dòng)汽車全生命周期評(píng)價(jià)中，基于美國ANL車輛周期模型，選擇豐田普銳斯PHEV和日產(chǎn)聆風(fēng)分別作為插電式混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車的代表。普銳斯是世界上最早實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的混合動(dòng)力汽車，截至2017年1月底，全球累計(jì)銷量已突破1 000萬輛(豐田中國，2017),故本文選取普銳斯PHEV作為插電式混合動(dòng)力車的典型。截至2019年5月，日產(chǎn)聆風(fēng)全球累計(jì)銷量達(dá)41.5萬輛，成為全球累計(jì)銷量最高的純電動(dòng)車型(汽車之家，2019),故本文選擇日產(chǎn)聆風(fēng)作為純電動(dòng)汽車的代表。此外，為了便于分析電動(dòng)汽車的節(jié)能減排效益，本文還選取了2019年國內(nèi)銷量最高的傳統(tǒng)汽油車大眾朗逸(GICEV)作為對(duì)照車型。3種車型的主要參數(shù)見表1。
表1 車型主要參數(shù)
1.2.2 燃料周期的能耗與污染物排放
1)燃料關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置。本文涉及的汽車燃料為電能和汽油。根據(jù)《2019年國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》和《2019年全國電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)快報(bào)》,我國2019年發(fā)電量組成為：火力發(fā)電占69.57%,水力發(fā)電占17.38%,核電占4.64%,線路損失率為5.9%(國家統(tǒng)計(jì)局，2020;中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)，2020)。由于我國發(fā)電主體是煤炭發(fā)電，所以對(duì)煤炭發(fā)電路徑依照我國實(shí)情調(diào)整參數(shù)，其余使用軟件默認(rèn)數(shù)據(jù)。此路徑包括：煤炭開采和洗選、煤炭運(yùn)輸、煤炭發(fā)電，其中，煤炭開采洗選過程的能源轉(zhuǎn)化效率為97.5%,消耗煤炭占比80%,電力占比16%,柴油占比2%,各種燃料均對(duì)應(yīng)一種或多種燃燒技術(shù)。參考張茜(2012)的研究，為各技術(shù)分別設(shè)置使用比例。煤炭運(yùn)輸方式設(shè)置如下：鐵路640 km, 占比70.6%;水路1 255 km, 占比19.1%;公路179 km, 占比10.3%。煤炭發(fā)電主要利用氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(IGCC)和內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，二者分別占比1%和99%。
汽油的燃料路徑包括：原油的開采和運(yùn)輸、汽油的精煉、成品油的運(yùn)輸及儲(chǔ)存。對(duì)WTP階段能耗影響最大的是原油的開采效率和汽油的煉制效率。國內(nèi)原油開采效率為93%,開采階段消耗能源的占比情況為：電力37%、天然氣23%、原油20%、煤炭10%、柴油8%,參考張茜(2012)的研究，為各種燃料對(duì)應(yīng)的燃燒技術(shù)分別設(shè)置比例。原油運(yùn)輸方式設(shè)置如下：鐵路917 km, 占比14.7%;水路1 806 km, 占比51.9%;管道428 km, 占比33.4%。對(duì)于進(jìn)口原油，則采用GREET內(nèi)部默認(rèn)的美國原油開采效率。2019年，我國原油進(jìn)口量為5.01億t, 對(duì)外依存度72.5%(石油商報(bào)，2020),平均運(yùn)輸距離11 000 km, 90%為遠(yuǎn)洋運(yùn)輸(Shen等，2012)。汽油精煉時(shí)的能源轉(zhuǎn)化效率為90.6%,消耗能源的占比情況為：煤48.9%,電力33.8%,燃料油11.9%。汽油運(yùn)輸方式設(shè)置如下：鐵路913 km, 占比65%;公路80 km, 占比100%;水路1 806 km, 占比24%;管道300 km, 占比11%(Shen等，2012)。各運(yùn)輸?shù)哪茉磸?qiáng)度使用軟件內(nèi)置數(shù)據(jù)。
2)能耗與污染物排放結(jié)果。為了使燃料周期與車輛周期的研究結(jié)果相關(guān)聯(lián)且具有可比性，應(yīng)為3種汽車設(shè)置相同的壽命里程，以往研究一般將此指標(biāo)設(shè)定于1.5萬～30萬km(Hawkins等，2013;Zamel等，2006;Weiss等，2003)。本文取值25萬km, 基于此功能單位，結(jié)合車型參數(shù)，利用GREET 模型計(jì)算燃料周期的能耗和排放，結(jié)果如表2所示。由此可以看出，純電動(dòng)汽車的全生命周期能耗最小，但燃料上游階段耗能最高。
1.2.3 車輛周期的能耗與污染物排放
1)車輛主體。汽車的整備質(zhì)量是汽車在正常條件準(zhǔn)備行駛時(shí)的重量(油箱裝有90%的燃油),并包括隨車附件(備胎、隨車工具等)。本文假設(shè)GICEV和PHEV的整備質(zhì)量中含有30 kg的汽油，將汽油、流體、電池和輪胎質(zhì)量一并扣除，得出GICVE、PHEV和BEV的剩余質(zhì)量(主體質(zhì)量)分別為：1 136 kg、1 495 kg和1 491 kg。
計(jì)算車輛制造過程的能耗和排放需要材料組分和材料能耗數(shù)據(jù)。如附表1所示，共8種主要材料，假設(shè)均為原生材料；材料能耗及排放情況如附表2所示。
表2 燃料周期能耗及污染物排放
計(jì)算得主體制造階段的能耗及排放結(jié)果，如表3所示。由此可以看出，總能耗和主體質(zhì)量呈正相關(guān)。與傳統(tǒng)汽車相比，其余二者因質(zhì)量更大產(chǎn)生了更多能耗和污染排放。因此，相比傳統(tǒng)汽車，電動(dòng)汽車更需要實(shí)現(xiàn)車身輕量化，從而在此階段實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，例如，增加碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在原材料中的占比，不僅可以有效減重，還能通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高材料利用率。
2)電池和流體。電池的完整生產(chǎn)流程包括生產(chǎn)和裝配兩個(gè)過程。生產(chǎn)過程采用GREET內(nèi)置數(shù)據(jù)。由于各類電池裝配流程基本一致，本文假設(shè)裝配過程的能耗強(qiáng)度均為2.67 MJ/kg(Dunn等，2014)。流體環(huán)境清單包括生產(chǎn)、使用和廢棄物處理3個(gè)階段。加和電池系統(tǒng)和流體系統(tǒng)環(huán)境清單的計(jì)算結(jié)果如表4所示。隨著動(dòng)力系統(tǒng)電氣化程度的提升，電池質(zhì)量增加，制造過程的能耗和污染排放逐漸增加。同時(shí)，流體質(zhì)量也隨電氣化程度提升而減小，制造階段的能耗和污染排放逐漸降低。最終，由于電池系統(tǒng)質(zhì)量較大，BEV總能耗最高。
表3 車輛主體系統(tǒng)制造階段的能耗及排放
表4 電池系統(tǒng)和流體系統(tǒng)能耗及排放
3)裝配，運(yùn)送和報(bào)廢。汽車裝配階段包括7個(gè)步驟：油漆生產(chǎn)、涂裝、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)(HVAC)和照明、供暖、物料搬運(yùn)、焊接以及車間壓縮空氣。本文采用GREET內(nèi)置數(shù)據(jù)庫計(jì)算結(jié)果。配送階段模擬重型卡車運(yùn)輸，取平均運(yùn)輸距離1 600 km(Schuckert等，1996;Li等，2012)。報(bào)廢回收階段分為汽車主體粉碎和電池報(bào)廢處理兩個(gè)過程，假設(shè)二者的比能耗分別為0.37 MJ/kg和31 MJ/kg(Aguirre等，2012),僅使用電能。計(jì)算結(jié)果如表5所示。
表5 裝配運(yùn)送和報(bào)廢階段能耗及排放
2 結(jié)果與分析
2.1 汽車全生命周期能耗分析
GICEV、PHEV和BEV在整個(gè)燃料周期的能耗分別為：803 GJ、575 GJ和510 GJ。由圖2可知，相對(duì)于GICEV,PHEV和BEV兩種新電動(dòng)汽車的能耗均有不同程度地降低：PHEV降低了28.35%;BEV節(jié)能效果最顯著，降低了36.45%。WTP階段，相對(duì)于傳統(tǒng)汽車，PHEV和EBV兩種電動(dòng)汽車更加耗能，其中BEV能耗最高，比GICEV高出64.94%,這主要是由于電能的生產(chǎn)需要消耗大量的一次能源，我國以燃煤發(fā)電為主，而煤電的效率僅有40%左右，轉(zhuǎn)化時(shí)損失了大部分能量。PTW階段，PHEV和BEV能耗分別為GICEV的56.15%和31.56%,體現(xiàn)出明顯的節(jié)能優(yōu)勢。這是由于行駛過程中汽油燃燒的能量損耗非常嚴(yán)重，而電能的燃料經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于汽油，能量轉(zhuǎn)化效率較高。因此，在車輛行駛階段使用電動(dòng)汽車有利于節(jié)能環(huán)保。
圖2 燃料周期各階段耗能情況
GICEV、PHEV和BEV在整個(gè)車輛周期的能耗分別為：113 GJ、167 GJ和183 GJ。由圖3可知，汽車主體能耗最大，其次是電池和流體，在車輛周期各部分能耗隨質(zhì)量增加而增加。同時(shí)，電池生產(chǎn)及報(bào)廢處理階段的能耗隨汽車電氣化程度的提高而明顯增加。
圖3 車輛周期各部分能耗情況
汽車全生命周期總能耗為燃料周期和車輛周期能耗之和，GICEV、PHEV和BEV總能耗分別為916 GJ、742 GJ和693 GJ。由圖4可知，PHEV和BEV總能耗均低于GICEV,分別降低了18.94%和24.27%,這表明電動(dòng)汽車可以在一定程度上降低能源消耗。無論哪種汽車，燃料周期占全生命周期能耗的比例均達(dá)到70%以上。由此可知，限制傳統(tǒng)汽車進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸是汽油的低轉(zhuǎn)化效率，而要更好地發(fā)揮電動(dòng)汽車的節(jié)能優(yōu)勢，提高原始能源發(fā)電的轉(zhuǎn)化效率則至關(guān)重要。
圖4 汽車全生命周期能耗情況
2.2 汽車全生命周期污染物排放分析
由圖5可以看出：對(duì)于BEV,PHEV的CO和VOC減排效果更為明顯，分別減少了90.34%和44.39%,CO2和NOx排放量分別下降了19.17%和25.67%,但SOx排放量明顯增加至GICEV的2.57倍，粉塵排放量也增加了43.92%。由此可知，隨著汽車電氣化程度的增加，主要來源于不完全燃燒和燃料揮發(fā)的CO和VOC排放量降低。同時(shí)，SOx的排放量隨電能使用的增加而增加，目前我國燃煤基數(shù)較為龐大，即使采用了脫硫技術(shù)仍會(huì)產(chǎn)生大量硫氧化物。由于電能是清潔能源，BEV在PTW階段實(shí)現(xiàn)的零排放是促使其全生命周期CO2和NOx減排的關(guān)鍵因素。這也說明BEV的溫室氣體排放(主要是CO2)向WTP階段(電能的生產(chǎn)階段)集中，這不僅有利于燃煤電廠對(duì)排放進(jìn)行集中處理，還有利于減輕城市的熱島效應(yīng)，提升當(dāng)?shù)鼐用竦纳钯|(zhì)量。在粉塵排放方面，兩種電動(dòng)汽車排放量均大于傳統(tǒng)汽車，并無優(yōu)勢可言，這主要是煤炭開采運(yùn)輸過程產(chǎn)生的揚(yáng)塵所致。
圖5 兩種電動(dòng)汽車相對(duì)于傳統(tǒng)汽車的 污染物排放變化情況
2.3 汽車全生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)
涉及的5種環(huán)境影響及對(duì)應(yīng)污染物分別為：全球變暖(CO2和CH4)、酸化(SOx和NOx)、光化學(xué)臭氧合成(VOC、CO和CH4)和煙塵及灰塵(粉塵)?；诃h(huán)境清單分類，以當(dāng)量模型作為特征化模型，選取國際通用的特征化因子計(jì)算5種環(huán)境影響潛值，再依次進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)處理，所得結(jié)果即為環(huán)境影響負(fù)荷水平(EIL)。由此計(jì)算出GICEV、PHEV和BEV的環(huán)境影響負(fù)荷，結(jié)果如表6所示。
GICEV的環(huán)境影響負(fù)荷為58.40人當(dāng)量，即一輛傳統(tǒng)汽車全生命周期的環(huán)境影響為1990年人均綜合環(huán)境影響潛值的58.40倍，同理，PHEV的環(huán)境影響負(fù)荷為44.24人當(dāng)量，BEV的環(huán)境影響負(fù)荷為34.62人當(dāng)量。對(duì)于GICEV,以造成光化學(xué)臭氧合成的影響最大，占比79.81%;其次是全球變暖、酸化和富營養(yǎng)化，分別占12.35%、4.95%和1.63%;造成粉塵的影響最小，僅占1.27%。這主要是因?yàn)槠腿紵a(chǎn)生大量揮發(fā)性有機(jī)物參與光化學(xué)反應(yīng)造成光化學(xué)煙霧，同時(shí)排放大量溫室氣體使氣溫升高，導(dǎo)致全球變暖。隨著電氣化程度的提升，造成酸化的影響越來越大。對(duì)于BEV,酸化占比16.96%,僅次于光化學(xué)臭氧合成，這表明電氣化程度高的汽車在生產(chǎn)燃料和制造車輛時(shí)，涉及電能使用的過程多，因而產(chǎn)生大量硫氮氧化物，進(jìn)而造成酸化。
表6 GICEV、PHEV與BEV的環(huán)境影響負(fù)荷
2.4 汽車全生命周期環(huán)境成本評(píng)價(jià)
考慮負(fù)外部性時(shí)，汽車的環(huán)境成本越低，其經(jīng)濟(jì)成本越接近于真實(shí)成本，越有利于減排。利用各排放物的單位成本和排放量，參考孟先春(2007)的方法，稍作調(diào)整得到的公式為
式中：C為我國污染物的總環(huán)境成本；Ci'為2000年美國第i種污染物的單位排放成本中間值(孟先春，2007);Qi為第i種污染物的排放量。2018年我國CPI為102.1,2000年CPI為100.4,2018年美元兌人民幣平均匯率r為6.617 4(國家統(tǒng)計(jì)局，2019b)。
計(jì)算得3種汽車全生命周期環(huán)境成本分別為：GICEV約為2.27萬元，PHEV約為1.81萬元，BEV約為1.56萬元。由此可見，兩種電動(dòng)汽車均能減少環(huán)境成本，其中BEV全生命周期環(huán)境成本最低，是最值得推廣的汽車。
3 結(jié)論
通過計(jì)算兩種電動(dòng)汽車的能源消耗及污染排放，并進(jìn)一步分析其環(huán)境影響和環(huán)境成本，得出以下結(jié)論：
1)在相同能源結(jié)構(gòu)背景下，電動(dòng)汽車全生命周期總能耗均低于傳統(tǒng)汽車。相對(duì)于GICEV,PHEV和BEV全生命周期總能耗分別減少了18.94%和24.27%,這主要得益于電能在行駛階段的高效轉(zhuǎn)化，若單獨(dú)考慮燃料周期上游，火力發(fā)電則導(dǎo)致BEV耗能非常嚴(yán)重，比GICEV高出64.94%。
2)電動(dòng)汽車對(duì)主要來源于不完全燃燒和燃料揮發(fā)的CO和VOC減排效果最好，其次是CO2。但由于電力使用的大幅提升，SOx排放量顯著增加。從污染物排放造成的綜合環(huán)境影響來看，PHEV和BEV的環(huán)境影響負(fù)荷分別比GICEV的環(huán)境影響負(fù)荷下降了24.25%和40.72%。
3)相比于傳統(tǒng)汽車，兩種電動(dòng)汽車均能在一定程度上降低環(huán)境成本，其中BEV最低，相對(duì)于GICEV減少了31.28%的污染成本。推廣電動(dòng)汽車有利于減排。
綜上，電動(dòng)汽車在整個(gè)生命周期均具備節(jié)能優(yōu)勢，只因上游發(fā)電時(shí)能量損失較大，整體效果有所削減，如未來清潔能源得到大力發(fā)展而取代煤炭發(fā)電，電動(dòng)汽車的節(jié)能潛力將得到進(jìn)一步釋放，屆時(shí)硫氧化物也將得到有效減排，推廣電動(dòng)汽車的環(huán)境效益將會(huì)非?？捎^。
來源：施羽,張華,于智涵.電動(dòng)汽車全生命周期節(jié)能減排效益分析及環(huán)境影響評(píng)價(jià)[J].資源與產(chǎn)業(yè),2021,23(02):100-109. 
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