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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-08-25 12:10
摘要：
碳達(dá)峰、碳中和是國家實施的重要戰(zhàn)略決策,而發(fā)展電動汽車是實現(xiàn)低碳的舉措之一。針對現(xiàn)有電動汽車碳排放評估片面和不準(zhǔn)確,以及未對碳排放數(shù)據(jù)的共性進(jìn)行歸納分類問題,提出一種基于全生命周期的電動汽車碳排放核算模型和碳排放數(shù)據(jù)分類方法,并以理想L8為案例計算了其生命周期各階段的碳排放量。研究結(jié)果表明,在電動汽車的生命周期的四個階段中,汽車使用階段的碳排放量占比最大,約為60.51%,其次是制造階段、原材料獲取階段和報廢回收階段。該模型可以細(xì)化碳排放分析,提高降碳方案的精確性,且在實際案例分析中具有重要作用,有助于汽車行業(yè)開展碳足跡核算研究。
關(guān)鍵詞：碳中和;全生命周期;電動汽車;數(shù)據(jù)分類;碳排放分析
引 言
全球氣候變暖是人類面臨的重要挑戰(zhàn)之一,對全人類共同命運產(chǎn)生了直接影響。為了應(yīng)對這一問題,我國提出“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”等目標(biāo)承諾[1-2]。然而,由于中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,導(dǎo)致我國的碳排放總量約為106.68億噸,明顯高于其他國家[3]。此外,我國交通領(lǐng)域碳排放占我國總碳排放11%,其中的道路交通占比高達(dá)86%[4],成為交通碳排放的重要來源之一。因此,有必要研究電動汽車的生命周期碳排放,以促進(jìn)交通領(lǐng)域的協(xié)同降碳。
目前對于電動汽車全生命周期的碳排放研究已取得相應(yīng)成果。田佩寧等[5]采用改進(jìn)的自下而上方法,研究私家車的碳減排策略和達(dá)峰路徑,并提出建議措施。黎宇科等[6]預(yù)測,2014到2024年我國動力電池累計報廢量約為100萬噸,其中2024年的年報廢量將達(dá)到34萬噸。侯兵[7]預(yù)測,2012到2025年我國電動汽車動力電池的報廢量可達(dá)113.20萬噸。殷仁述等[8]對三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池在2016到2025年的報廢量進(jìn)行了預(yù)測,預(yù)計報廢量可達(dá)到30～40 GWh。申威等[9]使用全生命周期評價方法來評價車用替代燃料,發(fā)現(xiàn)在降低碳排放方面,壓縮天然氣相較于甲醇和天然氣合成油等傳統(tǒng)燃料更具優(yōu)勢。劉凱輝[10]運用GaBi對比亞迪E6進(jìn)行了全生命周期評價,將其生命周期劃分了五個階段,并對比亞迪E6全生命周期中的能耗和對環(huán)境產(chǎn)生的影響做出評價,結(jié)果表明使用階段對環(huán)境產(chǎn)生的影響最大,其次是原材料獲取階段和制造階段。陳軼嵩等[11]基于Gabi軟件計算了純電動汽車動力系統(tǒng)分部件、分階段的資源消耗和環(huán)境影響,結(jié)果表明純電動汽車在回收階段產(chǎn)生對環(huán)境可以產(chǎn)生正向效益,是純電動汽車減碳的有效手段。
目前國內(nèi)的碳排放計算研究存在以下問題,無論是自上而下還是自下而上的方法都無法很好地反映各數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系,而且缺乏對碳排放數(shù)據(jù)的共性進(jìn)行歸納分類。由此導(dǎo)致難以對碳排放進(jìn)行全面細(xì)致的評估,并且不方便制定針對性的減碳方案。為解決這些問題,本文基于全生命周期評價方法,提出了電動汽車碳排放核算模型和新的碳排放數(shù)據(jù)分類方法,并以理想L8為研究對象對碳排放模型進(jìn)行案例驗證,從不同角度分析了電動汽車的碳排放情況。研究結(jié)果證明該模型可以細(xì)化碳排放分析,提高降碳方案精確性,在實際案例分析中具有重要的作用,對于今后汽車行業(yè)開展碳排放核算研究具有積極的意義。
1、 研究方法與數(shù)據(jù)來源
1.1 研究對象與數(shù)據(jù)來源
本文綜合考慮了車輛的代表性及參考價值,選擇了帶有發(fā)電機和發(fā)動機的增程式電動車作為研究對象。在此基礎(chǔ)上,從造車新勢力“蔚、小、理”三家中選取了理想L8 Pro作為碳排放核算案例。
電力碳排放因子來源于《2019年度減排項目中國區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子》;化石能源碳排放因子來源于中國生態(tài)環(huán)境部、IPCC等機構(gòu),或通過平均低位發(fā)熱量計算得出;車用材料碳排放因子源于世界鋼鐵協(xié)會;其他數(shù)據(jù)參考已有文獻(xiàn)。
1.2 電動汽車生命周期評估方法
1.2.1 系統(tǒng)邊界
對于電動汽車生命周期的階段劃分,各位學(xué)者給出的方法各有不同,最少的劃分為三個階段,最多的則劃分為五個階段。為了對電動汽車全生命周期過程中碳排放產(chǎn)生的來源進(jìn)行詳細(xì)且合理的分析,本研究綜合分析了國內(nèi)外文獻(xiàn),針對汽車碳排放的階段劃分依據(jù)進(jìn)行了研究和歸類,最終確定對電動汽車全生命周期碳排放影響較大的有原材料獲取、制造與裝配、使用和回收四個階段,系統(tǒng)邊界如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)邊界
1.2.2 理論與方法
本研究基于全生命周期理論提出了一種新的碳排放分類方案。根據(jù)該方案,碳排放可以分為基礎(chǔ)碳源(S)、碳耗(C)和碳匯(I)?；A(chǔ)碳源指的是自然界中向大氣排放碳的基礎(chǔ)物質(zhì),比如石油和天然氣等。碳耗(C)可根據(jù)碳排放過程中的不同排放方式分為過程碳耗(CP)、運輸碳耗(CT)和材料碳耗(CM)。過程碳耗(CP)是指某一過程中產(chǎn)出物本身發(fā)生明顯變化所導(dǎo)致的碳排放,例如在生膠通過塑煉等加工過程變成輪胎的過程中產(chǎn)生的碳排放。運輸碳耗(CT)是指在電動汽車生命周期內(nèi)對各種原材料、汽車成品等進(jìn)行運輸時消耗汽油、柴油等能源而產(chǎn)生的碳排放。材料碳耗(CM)指用于制造器件、機器、構(gòu)件或其他產(chǎn)品的物質(zhì)以及器械設(shè)備的損耗。例如輪胎的中間材料生膠、纖維材料棉、麻、毛等,還包括加工制造過程中的機器設(shè)備耗損和運輸過程中交通工具的磨損。碳匯(I)是指自然界中存儲碳的體系,如樹林等。碳匯的主要作用是直接抵消碳排放(ID)。另外,還有一些間接通過材料回收等活動對碳排放進(jìn)行抵消的方式(Ⅱ)。在此基礎(chǔ)上,基于電動汽車全生命周期理論,全生命周期總量和各階段分量碳排放計算公式如下:
W=Wo+Wm+Wu+Wr (1)
式中,Wo表示原材料獲取階段碳排放,Wm表示汽車制造階段碳排放,Wu表示汽車使用階段碳排放,Wr表示汽車回收階段碳排放。
(1)原材料獲取階段的碳排放歸納為材料碳耗CM,電動汽車在其原材料獲取階段主要有兩方面能耗:一方面是通過一級能源加工、冶煉生產(chǎn)的車用原材料,另一方面包含了制造階段的材料損耗和原材料被加工成各零部件所需材料的過程。需要注意的是,該階段實際上還存在機械損耗,這在傳統(tǒng)的碳排放計算方式中通常未被考慮。因此,根據(jù)該方案在原材料生產(chǎn)階段所計算得出的碳排放總量會低于實際所產(chǎn)生的碳排放。為此,本研究在生命周期模型計算中會將開采和運輸車輛等的損耗進(jìn)行相應(yīng)的換算,以將其納入碳排放計算范疇。原材料獲取階段所產(chǎn)生的碳排放計算公式如下:
Wo=So+CPo+CMo+CTo (2)
式中,So表示基礎(chǔ)碳源產(chǎn)生的碳排放,CPo表示工藝過程碳排放,CMo表示所用物料及工具損耗產(chǎn)生的碳排放,CTo表示物料運輸產(chǎn)生的碳排放。
式(2)中各分項計算公式如下:
(3)
式中,mi表示第i種碳源的消耗量,EFi表示第i種碳源的碳排放因子。
(4)
式中,qi表示第i項工藝使用的次數(shù),EFi表示第i項工藝全程所產(chǎn)生的碳排放。
(5)
式中,mi表示第i項材料所使用的總量,EFi表示第i項材料的碳排放因子。
(6)
式中,mi表示運輸機械所耗燃料的質(zhì)量,EFi表示燃料的碳排放因子。
(2)制造與裝配階段涵蓋了照明、機械運行等能耗產(chǎn)生的碳排放,以及制造場地中機器損耗、更換等所產(chǎn)生的碳排放。此外,分銷階段的物流運輸也被歸類為制造與裝配階段。該階段碳排放具體計算方式則根據(jù)項目中實際數(shù)據(jù)或文件數(shù)據(jù)進(jìn)行計算,公式如下:
Wm=Sm+CPm+CMm+CTm (7)
(3)使用階段的碳排放主要有兩部分的能源消耗。一方面是汽車在使用階段的電能、汽油等直接能耗,這部分屬于基礎(chǔ)碳源S。另一部分是指在使用階段對汽車的保養(yǎng)維護(hù)求,更換零部件等活動帶來的間接能耗,這部分對應(yīng)材料碳耗CM。計算公式如下:
Wu=Su+CPu+CMu(8)
(4)回收階段碳排放分為兩部分計算。一部分是回收時消耗能源產(chǎn)生的碳排放,這部分屬于基礎(chǔ)碳源S。另一部分是回收后材料帶來的正向抵消作用,這部分屬于碳匯I。計算公式如下:
Wr=Sr+CPr+Ir (9)
材料回收階段實際上是一個通過再利用舊材料來間接抵消碳排放的過程,因此將其歸為碳匯即Ir。故式中Ir的代表材料回收所抵消的碳排放,計算公式如下:
(10)
式中,mi表示第i種回收材料的質(zhì)量,ηi表示第i種回收材料的回收系數(shù),EFri表示第i種回收材料的碳排放因子(負(fù)數(shù))。在計算回收材料所產(chǎn)生的對碳排放的抵消作用時,采用回收系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)折算。
2、碳排放計算與結(jié)果分析
2.1 電動汽車生命周期碳排放分析
2.1.1 原材料獲取階段碳排放
在車輛原材料獲取階段中,增程器(發(fā)動機和發(fā)電機)、驅(qū)動電機、電控系統(tǒng)、減速器、車身和底座各部件組成材料及其碳排放數(shù)據(jù)見表1。電池(動力電池和啟動電池)組成材料及其碳排放數(shù)據(jù)見表2。流圖組成材料及其碳排放數(shù)據(jù)見表3。通過其碳排放系數(shù)與重量計算得出碳排放量。
表1 增程器、驅(qū)動電機等部件原材料獲取階段材料清單[12-15]
表2 電池原材料獲取階段材料清單[15,16]
表3 流圖原材料獲取階段材料清單[17]
2.1.2 制造與裝配階段碳排放
制造階段主要產(chǎn)出物發(fā)生變化,因此制造裝配階段對應(yīng)為過程碳耗CP,該階段主要包括原材料到零件和整車裝配兩個過程。主要能源消耗活動有涂裝、空調(diào)運轉(zhuǎn)、照明、供暖、物料搬運、車間壓縮空氣。在制造裝配過程中,主要考慮各部件加工過程中的電能消耗,如表4所示。根據(jù)各零部件在制造過程中的各能耗和總裝階段的能耗清單,如表5所示,可計算出該階段總能耗與總碳排放量。
表4 各模塊制造與裝配階段能耗清單[12-14,17-21]
表5 總裝制造階段能耗清單
在車輛裝配過程中,汽車分銷配送的能耗主要指汽車從廠家到經(jīng)銷店的運輸過程,查閱文獻(xiàn)得知運輸采用柴油卡車完成,平均距離取1 600 km,單位能耗取1.5 MJ/(t·km)[13],一般從汽車制造商到分銷機構(gòu)需要長距離運輸,該過程共消耗柴油19.8 kg,由于該數(shù)據(jù)包含了用戶到回收站的短距離運輸,因此在分銷階段給予0.8的系數(shù)修正,即柴油消耗為15.8 kg,碳排放量為49 kgCO2eq。
2.1.3 使用階段碳排放
理想L8的工信部純電續(xù)航里程175 km,增程續(xù)航925 km,WLTC工況下綜合行駛里程約1 100 km。車輛單次純電行駛里程占總里程的15.9%,而增程續(xù)航里程占比達(dá)到了84.1%。借助150 000 km的功能單位,可以計算得出全生命周期中純電行駛里程約23 850 km,而純增程行駛里程則為約126 150 km。使用階段的純電消耗公式如下:
(11)
式中,wud指的使用階段的直接能耗,L為研究對象的純電生命周期設(shè)定行程23 850 km,ec為百公里耗電量17 kW·h/km,η1為充電效率95%,η2為放電效率90%。根據(jù)該公式可計算出電動汽車在使用階段的能耗為4 742.1 kW·h。經(jīng)官方網(wǎng)站和測試機構(gòu)給出的實際數(shù)值,油耗為8 L/100 km,據(jù)此計算得出整個使用階段油耗約為10 092 L,該階段直接碳排放總量達(dá)到33 315.2 kgCO2eq。
間接碳排放主要體現(xiàn)在汽車日常維護(hù)保養(yǎng),維修階段主要活動主要是更換零部件。汽車在使用階段需要定期更換的零部件有輪胎、流體及電池等。查閱文獻(xiàn)可知各部件在全生命周期中更換次數(shù)分別為:輪胎12次,潤滑油24次,制動液3次,冷卻液3次,雨刷液12次,結(jié)合碳排放因子數(shù)據(jù)[15]可得運行階段間接總能耗為6 372.3 kgCO2eq,其各部分占比如圖2所示。
圖2 運行階段間接能耗圖
2.1.4 回收階段碳排放
車輛報廢回收階段主要回收對象為車身主要金屬材料以及動力電池。電池回收主要以正極材料和電池外殼材料回收為主,正極回收方法以化學(xué)法中的濕法冶金回收為主。從整車角度出發(fā)統(tǒng)計各金屬材料占整備質(zhì)量比為:鋼66.5%,鐵5.3%,鋁4.6%,銅4.3%,結(jié)合參考文獻(xiàn)得知鋼的回收率為90%,鐵回收率為80%,銅回收率為95%,鋁回收率為92%,鎳、鈷、錳回收率分別為98%、97%、96%,結(jié)合98%的質(zhì)量修正系數(shù)。對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,可以得到回收階段各材料抵消碳排放量圖(圖3)和回收階段能耗清單(表6)。
表6 回收階段能耗清單
圖3 回收階段各材料抵消碳排放量圖
2.2 電動汽車碳排放結(jié)果分析
本研究選取理想L8為案例,并提出碳排放生命周期模型,劃分為原材料獲取、制造、使用、回收四大階段,對其整個生命周期中的碳排放進(jìn)行分析。在原材料獲取階段的碳排放總量為10 118.5 kgCO2eq;制造階段的碳排放量為19 087.4 kgCO2eq;使用階段的碳排放為39 687.5 kgCO2eq;回收階段碳排放為-3 305.7 kgCO2eq。將理想L8生命周期各階段碳排放量經(jīng)匯總?cè)鐖D4所示。
圖4 生命周期各階段碳排放量直方圖
根據(jù)結(jié)果,可以得出生命周期四個階段中碳排放占比由大到小為:使用階段、制造與裝配階段、原材料獲取階段、報廢回收階段。使用階段占比約為60.51%,是占比最大的階段,主要是因為增程式電動汽車L8在該階段消耗大量電和汽油。制造階段占比約29.10%,該階段主要能耗為電能和熱能,直接能源消耗較多。原材料獲取階段占比15.43%,其碳排放基本來自于材料本身開采過程?；厥针A段占比為-5.04%,也就是說這一階段對碳排放起到了減弱的作用,這說明對汽車零部件進(jìn)行再制造可以減少碳排放,對環(huán)境產(chǎn)生積極的效果。基于以上研究結(jié)果,向政策制定者和汽車制造商提出以下建議:一,推動電力行業(yè)的清潔能源轉(zhuǎn)型。這將提高電動汽車使用過程中能源的清潔程度,減少使用過程中的碳排放。二,優(yōu)化企業(yè)降碳工藝。汽車制造企業(yè)應(yīng)采用更清潔、低碳的生產(chǎn)工藝,例如使用可再生能源替代傳統(tǒng)能源,從而減少生產(chǎn)過程中的碳排放。三,使用新型環(huán)保材料。汽車制造商可以加大對新型環(huán)保材料的研發(fā)和應(yīng)用力度,例如使用可降解材料、可再生材料等,降低原材料獲取階段碳排放。
本研究的結(jié)果存在一定的不確定性。在討論研究結(jié)果時,應(yīng)該提到本研究只對增程式電動汽車L8進(jìn)行了案例分析,未覆蓋到其他類型的電動汽車。鑒于資料來源的限制和所需數(shù)據(jù)的詳盡性要求,本研究使用的部分材料、工藝等碳排放數(shù)據(jù)通過文獻(xiàn)查閱和國際收集獲得,并采用了多種數(shù)據(jù)庫。因此,本研究計算結(jié)果可能與僅采用單一數(shù)據(jù)庫的結(jié)果存在差異。這種差異可能會對研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性產(chǎn)生一定的影響。
3、 結(jié)束語
本研究選取理想L8作為驗證案例,將其全生命周期劃分四個階段進(jìn)行分析和評價,并建立了每個階段碳排放量的計算模型。此外,還將碳排放數(shù)據(jù)分為基礎(chǔ)碳源(S)、過程碳耗(CP)、運輸碳耗(CT)、材料碳耗(CM)和碳匯(I)五類。通過模型,可以準(zhǔn)確地計算出每個階段的碳排放量,對電動汽車的全生命周期評估提供了較為可靠的依據(jù)。全國碳排放交易市場現(xiàn)已啟動,本研究對電動汽車的碳排放研究可以為新能源汽車碳排放核算提供借鑒參考,具有一定的經(jīng)濟(jì)價值。然而,由于目前國內(nèi)市場交易機制發(fā)展尚未成熟,因此在碳交易方面沒有進(jìn)行深入研究,希望在后續(xù)研究中能將碳排放核算與全國碳排放交易結(jié)合起來,更大地發(fā)揮其核算作用。
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來源：期刊-《杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)》 2024年第3期；作者：金理軍， 王關(guān)晴， 鄭光華， 李春波， 丁寧；單位：杭州電子科技大學(xué)理學(xué)院
來源：Internet
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