不同类型新能源车辆全生命周期节能减排绩效评价

Performance evaluation of different types of green energy vehicles in energy saving and emission reduction in product life cycle

摘要

随着汽车数量不断增加，汽车对环保的影响也日益显著，为研究不同类型的新能源物流车辆全生命周期节能减排绩效，根据市场需求、减排效果和能耗程度，以装配三元锂电池的轩德E9整车为研究对象，以国家政策为指导，采用全生命周期评价方法，基于GaBi平台建立等效模型，以原材料获取、生产制造、车辆装配、车辆运行使用四个阶段为全生命周期，对纯电动汽车、插电式混合动力汽车、燃料电池汽车进行纵向不同动力系统整车的对比研究，进行生命周期节能减排比较与预测分析。从目前环境排放和2020—2035年环境排放预测分别对比三种不同动力系统汽车的环境影响，比较哪种动力汽车更具有可持续发展前景，结果可为新能源汽车企业、物流企业相关研究机构提供数据支持，可为三种车型汽车的发展和推广提供参考依据。

Abstract

As the number of cars increases, the impact of cars on environmental protection has become a significant problem. In order to study the energy-saving and emission-reduction performance of different types of new energy logistics vehicles throughout their life cycle, according to market demand, emission reduction effects, and energy consumption levels, the Xuan De E9 vehicle equipped with a ternary lithium battery is taken as the research object. Guided by national policies, the full life cycle assessment (LCA) method is used, and an equivalent model is established based on the GaBi platform. The four stages of raw material acquisition, production and manufacturing, vehicle assembly, and vehicle operation and use are taken as the whole life cycle. A comparative study of BEV, PHEV, and FCV with different longitudinal power systems is conducted, and a comparison and prediction analysis of energy saving and emission reduction in the life cycle is carried out. The environmental impact of three different power system cars is compared from the current environmental emissions and the environmental emissions forecast from 2020 to 2035, respectively, to discover which type of power car has a more sustainable development prospect. The results can provide data support for new energy automobile enterprises, logistics enterprises, and related research institutions, and can provide a reference for the development and popularization of "three vertical" car models.

Graphical abstract

关键词

新能源物流车辆 / 全生命周期评价 / GaBi平台 / 节能减排绩效

Key words

new energy logistics vehicles / Life cycle assessment (LCA) / GaBi platform / performance evaluation of energy-saving and emission-reduction

新能源汽车的研发是实现我国汽车大国、解决全球气候变化、推动绿色发展的重要途径，国务院颁布的《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》（以下简称“规划”）文件中提出的纯电动汽车(Battery electric vehicle，BEV)、插电式混合动力汽车(Plug-in hybrid electric vehicle，PHEV)、燃料电池汽车(Fuel cell vehicle，FCV)为“三纵研发布局”，该方案为我国今后十五年内的汽车工业发展指明了方向，并将“三纵”三种车型作为重点发展对象。由于中国车辆保有量的持续增长，而车辆技术对环保方面的影响也越来越突出，为了更好地实施国家新能源汽车的发展策略以及新能源的可持续发展战略，对三种汽车技术的研发不应只限制在科技层面上，也要重视发展过程中的环境友好性，对新能源汽车节能减排绩效的研究非常必要。

生命周期评价(Life cycle assessment, LCA)是一种评价产品、工艺或服务从原材料采集，到产品生产、运输、使用及最终处置整个生命周期阶段的能源消耗及环境影响的方法^[1-2]，学者们将其公认为最具价值的可持续发展管理的重要工具，很多学者使用该方法对电动汽车进行全生命周期评价研究^[3]。陈轶嵩等^[1-2]采用全生命周期评价方法，在GaBi平台将建立纯电动汽车的动力系统的全生命周期环境影响评价模型和氢燃料电池汽车燃料循环，以及四种制氢方案的全生命周期评价数学模型，通过生命周期阶段的节能减排绩效评价。Tagliaferri等^[4]对纯电动和传统汽车进行对比和关键部件分析，对燃料电池汽车进行了生命周期评估。涂小岳等^[5]、徐建全等^[6]、Shi等^[7]也采用生命周期评价理论建立环境排放差异评价模型，系统地评价了液化天然气重型商用车全生命周期的环境排放差异，构建了产品全生命周期综合环境效益评价模型。杨洋等^[8]、Xiong等^[9]研究中重点考虑回收利用过程，构建产品全生命周期综合环境效益评价模型，对纯电动汽车与传统汽车进行计算和结果分析。马骊溟等^[10]、余亚东等^[11]针对目前主要的制氢及发电技术，按照不同的工艺组合，分别设计了17条氢燃料路线，并利用GREET软件对其进行了生命周期环境影响的核算，提出FCV在氢燃料路径发展方面的相关建议。Yuan等^[12]、王海峰等^[13]、赵福全等^[14]采用生命周期评价方法建立私人电动汽车碳减排核算技术方法。赵子贤等^[15]采用生命周期评价方法构建碳减排量和碳减排率的私人电动汽车碳减排核算技术方法，分析碳减排潜力及关键影响因素。陈轶嵩等^[16]根据车辆类型变化，分别研究车辆排放特性，进行环境影响评价，建立相关模型评估多种情景下的减排效果。胡守信等^[17]、李兴福^[18]利用GaBi软件建立压缩天然气/汽油两用燃料汽车全生命周期评价模型，基于能耗和排放对两用燃料汽车从原材料获取到报废回收各阶段进行分析，并提出有效降低全生命周期的能耗和排放的具体措施。

针对某汽车节能减排绩效研究方面，学者们通常采用全生命周期评价和相关理论对其节能降耗性能进行研究^[19-20]，但针对BEV、FCV和PHEV三种车型进行纵向的生命周期节能减排的比较与预测分析研究很少。

本文研究内容以国家政策为指导，通过对能量耗能和环保的综合评价进行分析。三元锂电池在整个寿命周期内具有最佳的节能减排效果，同时具有较大的能耗优势^[21]，并且每年的市场装机量都在增长，综合市场需求、减排效果、能耗等因素，以三元锂电池纯电动车为代表，对BEV、FCV和PHEV三种车型进行纵向不同动力系统整车的对比研究，进行生命周期的节能减排对比和预测，并将其结果进行分析，以确定哪种动力汽车更具可持续发展的潜力，哪种动力系统更适合物流产业的发展。结果可为新能源汽车企业、物流汽车和相关研究机构提供数据支持，还可为“三纵”三种车型汽车的发展和推广提供参考依据。

1 研究对象与系统边界

本次全生命周期评价对象为装配三元锂电池的轩德E9整车，参考插电式混合动力乘用车与燃料电池乘用车等效转化为同级别轩德E9商用车，生命周期评估包括原材料采购、车辆制造、车辆装配和车辆运营四个方面。

我国现有的各类新能源汽车报废回收的政策与制度尚不健全，各类新能源汽车的再生利用情况各异，特别是刚进入市场的燃料电池回收技术还不够成熟，在回收过程中草率地建立模型，会导致整个产品寿命周期的环境排放误差^[22]。为保证试验的可比性和准确性，本研究将不包含回收阶段。

2 清单分析与模型建立

车辆生命周期评价研究中很重要的一步是生命周期清单分析，主要对车辆全寿命周期内排放、能源消耗等方面进行了量化，过去的研究资料都是参考现有文献、数据库及实际调研资料。本研究数据参考装配三元锂电池的轩德E9整车的相关参数，生命周期评价的范围分为原材料获取、车辆制造、车辆装配、车辆运行使用四个阶段。

对PHEV原材料获取清单按照主要部件、流体、启动电池、驱动电池四个部分进行收集。对FCV原材料获取清单按照主要部件、氢气罐、储能电池、电动机、燃料电池等进行收集。在建模时建立了四个阶段能耗与环境排放的模型，生命周期能耗和排放计算如下：

P_{DS}=P_{DM}+P_{DP}+P_{DU}+P_{DR}(1)

E_{DS}=E_{DM}+E_{DP}+E_{DU}+E_{DR}(2)

式中：P_{DS}表示整个生命周期的环境排放；E_{DS}表示整个生命周期总能源消耗；P_{DM}、P_{DP}、P_{DU}、P_{DR}分别表示原材料获取、车辆制造、车辆装配、车辆运行使用四个阶段的环境排放；E_{DM}、E_{DP}、E_{DU}、E_{DR}分别表示四个阶段的能源消耗。

1）原材料获取阶段，构建任意两种车型质量矩阵模型：

M_A={\left(m_{aij}\right)}_{k\times n}(3)

M_B={\left(m_{bij}\right)}_{m\times s}(4)

式中：m_{ij}表示第i种零部件所需的第j种原材料质量；k、n分别为两种车辆的零部件种类；n、s分别为消耗材料的种类数。

任意两种车辆原始材料消耗质量差异矩阵、能源消耗差异矩阵和环境排放差异矩阵分别为：

M_{MD\mathrm{1}}=M_{DAB}\cdot {\eta }_o^{-\mathrm{1}}\cdot {\eta }_b^{-\mathrm{1}}(5)

E_{DM}=M_{MD\mathrm{1}}\cdot E_M\cdot E_O(6)

P_{DM}=M_{MD\mathrm{1}}\cdot E_M\cdot E_O\cdot P_O^E(7)

式中：M_{DAB}表示质量差异矩阵^[13]；{\eta }_o表示原始材料利用率；{\eta }_b表示基础材料利用率；E_O表示能源生产矩阵；P_O^E表示污染物排放强度。

2）车辆制造阶段，构建车辆能源消耗强度矩阵E_{zp}={\left(e_{zpij}\right)}_{r\times p}，e_{zpij}表示第i种零部件所消耗的第j种能源量，任意车辆的能源消耗差异矩阵排放差异矩阵为：

E_{DP}=M_{DAB}\cdot E_{ZP}\cdot E_O(8)

P_{DP}=M_{DAB}\cdot E_{ZP}\cdot E_O\cdot P_O^E(9)

3）车辆装配阶段，构建车辆能源消耗强度矩阵E_{zu}={\left(e_{zuij}\right)}_{r\times p}，e_{zuij}表示第i种零部件所消耗的第j种能源量，任意车辆的能源消耗差异矩阵排放差异矩阵为：

E_{DU}=M_{DAB}\cdot E_{ZU}\cdot E_O(10)

P_{DU}=M_{DAB}\cdot E_{ZU}\cdot E_O\cdot P_O^E(11)

4）车辆运行阶段，行驶里程为L，Q为单位行驶里程消耗，构建生产汽油、柴油、氢气、电的能源消耗矩阵：E_{gas}={\left(e_{gasj}\right)}_{\mathrm{1}\times p}，E_{die}={\left(e_{diej}\right)}_{\mathrm{1}\times p}，E_{hyd}={\left(e_{hydj}\right)}_{\mathrm{1}\times p}，E_{ele}={\left(e_{elej}\right)}_{\mathrm{1}\times p}，e_{ij}表示第i种所消耗的第j种能源消耗量，任意车辆的能源消耗差异矩阵排放差异矩阵为：

E_{DR}=\left(\mathrm{\Delta }{Q}_{gas}\cdot E_{gas}+\mathrm{\Delta }{Q}_{die}\cdot E_{die}+\mathrm{\Delta }{Q}_{hyd}\cdot E_{hyd}+\mathrm{\Delta }{Q}_{ele}\cdot E_{ele}\right)L(12)

P_{DR}=\left(\mathrm{\Delta }{Q}_{gas}\cdot E_{gas}+\mathrm{\Delta }{Q}_{die}\cdot E_{die}+\mathrm{\Delta }{Q}_{hyd}\cdot E_{hyd}+\mathrm{\Delta }{Q}_{ele}\cdot E_{ele}\right)L{E}_O{P}_O^E(13)

3 环境影响对比分析

在GaBi平台上，建立了BEV、FCV、PHEV三种车型的全生命周期模型，并结合中国的国情，对其进行了全生命周期分析，将其分为五大类，分别为：GWP（全球变暖潜势）、AP（酸化潜势）、POCP（光化学臭氧合成）、EP（水体富营养化）、ODP（臭氧损耗），将原材料获取阶段的原始数据结果采用归一化处理方法，结果如表1所示^[1]。

在不同的动力来源中，新能源车的最终环境排放量如图1所示。

图1展示了三元锂电池(BEV)不同的环境效应。从研究发现，在四个阶段中，排在第一位的是使用阶段(82%)，然后是原料获取阶段(12%)；GWP的环境排放量在每个阶段都较大，相对来说AP和POCP的影响也较大；由于BEV的直接排放量是0，中国主要是以化石燃料发电来产生电能，且上游排放对环境的间接影响比较大，因此，在这四个阶段，使用阶段GWP的排放量最大。

图2的结果表明了不同阶段环境影响占比。其中BEV在使用阶段的环境影响是最大的，比其他阶段都高，但ODP除外，因为ODP影响最大的是在材料获取阶段。AP主要由上游发电过程中化石燃料产生的SO₂引起，POCP来自大量氮氧化物的排放，GWP主要由废气排放中的大量CO₂引起。

可以看到，在BEV所研究的四个不同阶段中，运行使用阶段GWP、AP和EP的排放量都在50%以上，这主要是由于中国的非清洁能源发电造成的间接污染。在生产和获得原料的过程中也会消耗很多的电力。中国电力结构根本原因决定了在原料获取和生产阶段中产生的碳排放量很大。

从插电式混合动力汽车不同环境类型的影响效果和各阶段的影响比显示（图3），PHEV的效果与BEV基本一致，其中83%的综合效应来自于使用阶段，原材料阶段的综合效应相比BEV有所下降，因为纯电动汽车的零件越来越复杂，对原材料和种类的要求也越来越高，同时由于动力电池中含有大量的金属物质，一旦获得，将会对环境造成严重的污染。尽管PHEV也包含了动力电池，但是PHEV是一种轻型的混合动力汽车，并且它的电池容量小、很轻，只是用来作辅助驱动，这样就可以减少原料的消耗，减少对环境的影响。

如图4所示，在使用阶段由于PHEV主要靠发动机驱动，传统燃料会产生大量的氮氧化物，造成大量的POCP。所以除ODP外，其他环境因素均超过50%，POCP在使用阶段的影响超过60%。

如图5所示，从阶段性上讲，由于燃料电池车有很多新的精密且复杂的零件，与其他两种型号相比，FCV在使用阶段整体环境影响有所降低，制造与装配阶段有小幅增加，但原料获取阶段大体相似。目前，燃料电池汽车的产量不多，对零件的加工和组装精度有很高的要求，因此会造成能源消耗的轻微增长，从而增加环境排放。图6所示，FCV是最有前景的车辆，它在使用阶段没有直接排放。使用阶段的环境影响比例从生命角度来看仍高达81%。由于氢的来源，使用阶段的GWP排放量不低于PHEV。中国目前主要依靠化石燃料制氢，这种方法生产氢气耗费巨大，转换的效果也是参差不齐，并且会很大程度地影响周围的环境。虽然电解水制氢工艺过程简单、产量高，但是电解水耗电量以火力发电为主并且成本较高，对环境有很大的影响，不宜推广。

图7比较了三种车辆在每个阶段的综合环境效应，以便清楚地了解目前三种不同动力车辆的综合环境影响。研究发现，目前使用阶段和原材料获取阶段对PHEV的影响最小，FCV次之，BEV对PHEV的影响最弱；中国目前还处于电力系统的主要使用阶段，因此产生了大量排放。在全生命周期中，PHEV是当前最绿色的，比其他两种车型在所有阶段对环境的影响更好，适合于本阶段大规模推广发展；当技术在不断完善的过程中，最具有前途的两种车型将分别是纯电动汽车以及燃料电池车。

4 基于技术路线图2.0的预测结果

《节能与新能源汽车技术路线图2.0》（下文简称“路线图2.0”）于2020年10月末正式公布。路线图2.0与工业发展计划相互补充，主要针对某些车型的发展提出了特定的、详尽的时点和参数预测。本文以2.0技术路线图为基础，预测了BEV、PHEV、FCV 2020—2035年对环境的影响。在预测研究前，假定了一个模型前提，即假定车辆始终存在并使用，控制驱动和智能网络的水平没有改变，并且根据计划和时间的改变以及电力结构改变来预测环境排放。依据技术路线图2.0，结合发展规划，对各种动力汽车未来变量进行预测与假设：

1) BEV

根据计划中所建议的2025年时间节点，建立BEV预测模型的参数，得到百公里BEV能耗将下降到12.0 kWh。在今后15年中，随着技术的不断发展，BEV百公里电耗将会大幅度降低。当发电比例在清洁能源中逐步提高时，纯电动汽车在减少环境污染的同时，将会变得更绿色。

纯电动汽车BEV的环境排放模型为：

P_{BEV}=BE{V}_D\cdot BE{V}_{elec}\cdot E_{elec}\cdot E_O\cdot P_O^E(14)

式中：BE{V}_D、BE{V}_{elec}分别表示纯电动汽车的行驶总里程和百公里电耗；E_{elec}是对角阵，表示产生单位电能消耗的能源的量。

2) PHEV

从路线图2.0中所提供的时间节点参数可知，2025年新能源汽车的综合油耗下降到4.6 L/100 km，2030年下降到3.2 L/100 km，2035年将下降到2.0 L/100 km。PHEV是我国汽车工业发展的重要方向，对温室气体排放特性进行研究是必要的，假设其每100 k的综合燃料消耗量与技术路线图一致。

插电式混动汽车PHEV的环境排放模型为：

\begin{array}{c}{P}_{PHEV}=PHE{V}_D\cdot \left[\left(\mathrm{1}-\beta \right)\cdot PHE{V}_{fuel}\cdot F_{fuel}\cdot E_O\cdot P_O^E\right.\\ +\left.\beta \cdot \left(PHE{V}_{elec}\cdot E_{elec}\cdot E_O\cdot P_O^E\right)\right]\end{array}(15)

式中：PHE{V}_D表示行驶总里程；PHE{V}_{fuel}、PHE{V}_{elec}分别表示百公里燃油消耗和电耗；\left(\mathrm{1}-\beta \right)表示燃油驱动的比例；F_{fuel}是对角阵，表示产生单位燃油消耗的能源的量。

3) FCV

根据IRENA的数据，目前主要的制氢方法有48%的天然气制氢、30%的石油气化和18%的煤气化三种方式。电解水生产氢气的比例仅为4%，而中国以电解水产生氢气的比例仅为3%。在此项研究中假设，到2020年电解水不变，制氢方式将会因制氢技术的改进而发生重大变化。到2025年，电解水生产氢气的比重将达到70%，这是根据中国氢能联盟的预测所得，电解制氢比例在2020年到2050年间有望稳定增长。

燃料电池汽车FCV的环境排放模型为：

P_{FCV}=FC{V}_D\cdot \left[\left(\mathrm{1}-\eta \right)\cdot \left({\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^{\mathrm{3}}}\left(FC{V}_{fossil,j}\cdot F_{fuel}\cdot E_O\cdot P_O^E+\left.FC{V}_{fossil,j,elec}\cdot F_{elec}\cdot E_O\cdot P_O^E\right)\right.\right.+\left.\eta \cdot \left(FC{V}_{PEM,elec}\cdot E_{elec}\cdot E_O\cdot P_O^E\right)\right)\right](16)

式中：FC{V}_D表示行驶总里程；FC{V}_{fossil,fuel}、FC{V}_{PEM,elec}分别表示单位化石燃料和电解水产生的能源消耗；\left(\mathrm{1}-\eta \right)表示化石燃料制氢的比例；FC{V}_{fossil,j}表示生产单位质量氢气所需的第j种化石燃料的量，j=1、2、3分别表示甲醇、天然气和煤。

模型建立在规划和技术路线图2.0以及一些参数假定的基础上。由于BEV的控制技术及电池性能得到了改善，到2030年，该节点能耗将达到10 kWh/100 km，2035年将达到9 kWh/100 km，可再生能源发电比例将随着100 km耗电量的降低而提高；基于技术路线图2.0，建立了PHEV的模型，对插电式混合动力车进行了特定的时间节点假设；FCV模型建立时的重点是假定氢气生产过程中所占的比重。电解水生产氢气的比例在2035年将达到40%，且这个过程中的电能将以潜在的能源发电为主，这样一来就降低了FCV对环境的影响。

图8((a)~(f))是一些新能源汽车不同类型环境影响的曲线，都呈降低趋势。在数量级别上AP、GWP和POCP对它们的影响最大。对于ODP曲线来说，纯电动汽车要比其他两种模型大的多，但与其他的环境量化相比来说，是微不足道的。BEV和FCV的AP、EP、POCP三种曲线的变化趋势基本一致，均迅速降低；到2035年，燃料电池车将会减少所有对环境的污染，并且是多种类型中最环保的。

关于GWP排放，BEV近似线性降低，如图8(c)所示。FCV的GWP排放速率先慢后快，PHEV的降幅与另外两个降幅比较相对较小。到2033年左右，BEV和PHEV使用阶段的GWP排放量将保持一致，FCV的GWP排放量将与PHEV的GWP排放量保持一致，但是与纯电动汽车的变化曲线不一样，它们之间存在着两个交点。在2025—2026年左右产生第一个交点，出现第一个交点的原因是纯电动汽车的百公里电耗降低速度很快，但是FCV的节能制氢方式还没有得到普及；在2033年左右出现第二个交点，就纯电动汽车和PHEV的GWP排放量而言，与2020年相比大幅度减少，电解水制氢已成为主要制氢方法，极大地减少FCV的环境影响，因此产生新的交点。

从整体的环境效果来看，PHEV相比于其他几种车型，对环境的影响是不显著的。本文所考虑的是以传统化石燃料为主要驱动的混合动力，属于轻度混合，虽然总体燃油消耗降低的速度比较快，但是总体环境影响降低的程度比较低。BEV综合环境影响曲线由于百公里能耗与可再生能源发电量呈线性关系，也呈现出直线下降的趋势。FCV的总体排放量降低速度很快，到2025年左右将与PHEV环境排放达到一致，2025年之后，将会是三种车型中最环保的，其BEV的排放量将会在2034年与PHEV相提并论，并将是继FCV之后，最具可持续性发展的重要车型。

5 结论

本文以生命周期评价理论为基础，以不同类型的新能源物流车辆为研究主体，对三种动力系统车辆的环境效应进行了对比研究。首先根据节能减排的优良性选择了锂电池整车为研究对象，它的节能减排效果相对来说是最好的，接着选取了PHEV和FCV，选取它们的依据是根据最新政策“规划”与“技术路线图2.0”，最后建立了BEV、FCV、PHEV的差异评级模型，并且进行环境排放对比，得到的结果是BEV>FCV>PHEV。通过借助技术路线图2.0中时间节点参数建立的环境排放预测模型对2020—2035年的环境排放进行了对比分析，得出FCV的综合环境影响在2025年前后将小于PHEV，在2034年将与PHEV达到统一，但是相比FCV仍然是较高的。

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基金资助

陕西省创新能力支撑计划项目(2021TD-28)

陕西省重点研发计划项目(2019ZDLGY15-07)

青海民族大学校级理工科青年项目(2022GH22)