摘要：

 

碳达峰、碳中和是国家实施的重要战略决策,而发展电动汽车是实现低碳的举措之一。针对现有电动汽车碳排放评估片面和不准确,以及未对碳排放数据的共性进行归纳分类问题,提出一种基于全生命周期的电动汽车碳排放核算模型和碳排放数据分类方法,并以理想L8为案例计算了其生命周期各阶段的碳排放量。研究结果表明,在电动汽车的生命周期的四个阶段中,汽车使用阶段的碳排放量占比最大,约为60.51%,其次是制造阶段、原材料获取阶段和报废回收阶段。该模型可以细化碳排放分析,提高降碳方案的精确性,且在实际案例分析中具有重要作用,有助于汽车行业开展碳足迹核算研究。

 

关键词：碳中和;全生命周期;电动汽车;数据分类;碳排放分析

 

引 言

 

全球气候变暖是人类面临的重要挑战之一,对全人类共同命运产生了直接影响。为了应对这一问题,我国提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”等目标承诺[1-2]。然而,由于中国经济的快速发展,导致我国的碳排放总量约为106.68亿吨,明显高于其他国家[3]。此外,我国交通领域碳排放占我国总碳排放11%,其中的道路交通占比高达86%[4],成为交通碳排放的重要来源之一。因此,有必要研究电动汽车的生命周期碳排放,以促进交通领域的协同降碳。

目前对于电动汽车全生命周期的碳排放研究已取得相应成果。田佩宁等[5]采用改进的自下而上方法,研究私家车的碳减排策略和达峰路径,并提出建议措施。黎宇科等[6]预测,2014到2024年我国动力电池累计报废量约为100万吨,其中2024年的年报废量将达到34万吨。侯兵[7]预测,2012到2025年我国电动汽车动力电池的报废量可达113.20万吨。殷仁述等[8]对三元锂电池和磷酸铁锂电池在2016到2025年的报废量进行了预测,预计报废量可达到30～40 GWh。申威等[9]使用全生命周期评价方法来评价车用替代燃料,发现在降低碳排放方面,压缩天然气相较于甲醇和天然气合成油等传统燃料更具优势。刘凯辉[10]运用GaBi对比亚迪E6进行了全生命周期评价,将其生命周期划分了五个阶段,并对比亚迪E6全生命周期中的能耗和对环境产生的影响做出评价,结果表明使用阶段对环境产生的影响最大,其次是原材料获取阶段和制造阶段。陈轶嵩等[11]基于Gabi软件计算了纯电动汽车动力系统分部件、分阶段的资源消耗和环境影响,结果表明纯电动汽车在回收阶段产生对环境可以产生正向效益,是纯电动汽车减碳的有效手段。

目前国内的碳排放计算研究存在以下问题,无论是自上而下还是自下而上的方法都无法很好地反映各数据之间的联系,而且缺乏对碳排放数据的共性进行归纳分类。由此导致难以对碳排放进行全面细致的评估,并且不方便制定针对性的减碳方案。为解决这些问题,本文基于全生命周期评价方法,提出了电动汽车碳排放核算模型和新的碳排放数据分类方法,并以理想L8为研究对象对碳排放模型进行案例验证,从不同角度分析了电动汽车的碳排放情况。研究结果证明该模型可以细化碳排放分析,提高降碳方案精确性,在实际案例分析中具有重要的作用,对于今后汽车行业开展碳排放核算研究具有积极的意义。

 

1、 研究方法与数据来源

 

1.1 研究对象与数据来源

本文综合考虑了车辆的代表性及参考价值,选择了带有发电机和发动机的增程式电动车作为研究对象。在此基础上,从造车新势力“蔚、小、理”三家中选取了理想L8 Pro作为碳排放核算案例。

电力碳排放因子来源于《2019年度减排项目中国区域电网基准线排放因子》;化石能源碳排放因子来源于中国生态环境部、IPCC等机构,或通过平均低位发热量计算得出;车用材料碳排放因子源于世界钢铁协会;其他数据参考已有文献。

1.2 电动汽车生命周期评估方法

1.2.1 系统边界

对于电动汽车生命周期的阶段划分,各位学者给出的方法各有不同,最少的划分为三个阶段,最多的则划分为五个阶段。为了对电动汽车全生命周期过程中碳排放产生的来源进行详细且合理的分析,本研究综合分析了国内外文献,针对汽车碳排放的阶段划分依据进行了研究和归类,最终确定对电动汽车全生命周期碳排放影响较大的有原材料获取、制造与装配、使用和回收四个阶段,系统边界如图1所示。

图1 系统边界

1.2.2 理论与方法

本研究基于全生命周期理论提出了一种新的碳排放分类方案。根据该方案,碳排放可以分为基础碳源(S)、碳耗(C)和碳汇(I)。基础碳源指的是自然界中向大气排放碳的基础物质,比如石油和天然气等。碳耗(C)可根据碳排放过程中的不同排放方式分为过程碳耗(CP)、运输碳耗(CT)和材料碳耗(CM)。过程碳耗(CP)是指某一过程中产出物本身发生明显变化所导致的碳排放,例如在生胶通过塑炼等加工过程变成轮胎的过程中产生的碳排放。运输碳耗(CT)是指在电动汽车生命周期内对各种原材料、汽车成品等进行运输时消耗汽油、柴油等能源而产生的碳排放。材料碳耗(CM)指用于制造器件、机器、构件或其他产品的物质以及器械设备的损耗。例如轮胎的中间材料生胶、纤维材料棉、麻、毛等,还包括加工制造过程中的机器设备耗损和运输过程中交通工具的磨损。碳汇(I)是指自然界中存储碳的体系,如树林等。碳汇的主要作用是直接抵消碳排放(ID)。另外,还有一些间接通过材料回收等活动对碳排放进行抵消的方式(Ⅱ)。在此基础上,基于电动汽车全生命周期理论,全生命周期总量和各阶段分量碳排放计算公式如下:

W=Wo+Wm+Wu+Wr (1)

式中,Wo表示原材料获取阶段碳排放,Wm表示汽车制造阶段碳排放,Wu表示汽车使用阶段碳排放,Wr表示汽车回收阶段碳排放。

(1)原材料获取阶段的碳排放归纳为材料碳耗CM,电动汽车在其原材料获取阶段主要有两方面能耗:一方面是通过一级能源加工、冶炼生产的车用原材料,另一方面包含了制造阶段的材料损耗和原材料被加工成各零部件所需材料的过程。需要注意的是,该阶段实际上还存在机械损耗,这在传统的碳排放计算方式中通常未被考虑。因此,根据该方案在原材料生产阶段所计算得出的碳排放总量会低于实际所产生的碳排放。为此,本研究在生命周期模型计算中会将开采和运输车辆等的损耗进行相应的换算,以将其纳入碳排放计算范畴。原材料获取阶段所产生的碳排放计算公式如下:

Wo=So+CPo+CMo+CTo (2)

式中,So表示基础碳源产生的碳排放,CPo表示工艺过程碳排放,CMo表示所用物料及工具损耗产生的碳排放,CTo表示物料运输产生的碳排放。

式(2)中各分项计算公式如下:

(3)

式中,mi表示第i种碳源的消耗量,EFi表示第i种碳源的碳排放因子。

(4)

式中,qi表示第i项工艺使用的次数,EFi表示第i项工艺全程所产生的碳排放。

(5)

式中,mi表示第i项材料所使用的总量,EFi表示第i项材料的碳排放因子。

(6)

式中,mi表示运输机械所耗燃料的质量,EFi表示燃料的碳排放因子。

(2)制造与装配阶段涵盖了照明、机械运行等能耗产生的碳排放,以及制造场地中机器损耗、更换等所产生的碳排放。此外,分销阶段的物流运输也被归类为制造与装配阶段。该阶段碳排放具体计算方式则根据项目中实际数据或文件数据进行计算,公式如下:

Wm=Sm+CPm+CMm+CTm (7)

(3)使用阶段的碳排放主要有两部分的能源消耗。一方面是汽车在使用阶段的电能、汽油等直接能耗,这部分属于基础碳源S。另一部分是指在使用阶段对汽车的保养维护求,更换零部件等活动带来的间接能耗,这部分对应材料碳耗CM。计算公式如下:

Wu=Su+CPu+CMu(8)

(4)回收阶段碳排放分为两部分计算。一部分是回收时消耗能源产生的碳排放,这部分属于基础碳源S。另一部分是回收后材料带来的正向抵消作用,这部分属于碳汇I。计算公式如下:

Wr=Sr+CPr+Ir (9)

材料回收阶段实际上是一个通过再利用旧材料来间接抵消碳排放的过程,因此将其归为碳汇即Ir。故式中Ir的代表材料回收所抵消的碳排放,计算公式如下:

(10)

式中,mi表示第i种回收材料的质量,ηi表示第i种回收材料的回收系数,EFri表示第i种回收材料的碳排放因子(负数)。在计算回收材料所产生的对碳排放的抵消作用时,采用回收系数进行相应折算。

 

2、碳排放计算与结果分析

 

2.1 电动汽车生命周期碳排放分析

2.1.1 原材料获取阶段碳排放

在车辆原材料获取阶段中,增程器(发动机和发电机)、驱动电机、电控系统、减速器、车身和底座各部件组成材料及其碳排放数据见表1。电池(动力电池和启动电池)组成材料及其碳排放数据见表2。流图组成材料及其碳排放数据见表3。通过其碳排放系数与重量计算得出碳排放量。

表1 增程器、驱动电机等部件原材料获取阶段材料清单[12-15]

表2 电池原材料获取阶段材料清单[15,16]

表3 流图原材料获取阶段材料清单[17]

2.1.2 制造与装配阶段碳排放

制造阶段主要产出物发生变化,因此制造装配阶段对应为过程碳耗CP,该阶段主要包括原材料到零件和整车装配两个过程。主要能源消耗活动有涂装、空调运转、照明、供暖、物料搬运、车间压缩空气。在制造装配过程中,主要考虑各部件加工过程中的电能消耗,如表4所示。根据各零部件在制造过程中的各能耗和总装阶段的能耗清单,如表5所示,可计算出该阶段总能耗与总碳排放量。

表4 各模块制造与装配阶段能耗清单[12-14,17-21]

表5 总装制造阶段能耗清单

在车辆装配过程中,汽车分销配送的能耗主要指汽车从厂家到经销店的运输过程,查阅文献得知运输采用柴油卡车完成,平均距离取1 600 km,单位能耗取1.5 MJ/(t·km)[13],一般从汽车制造商到分销机构需要长距离运输,该过程共消耗柴油19.8 kg,由于该数据包含了用户到回收站的短距离运输,因此在分销阶段给予0.8的系数修正,即柴油消耗为15.8 kg,碳排放量为49 kgCO2eq。

2.1.3 使用阶段碳排放

理想L8的工信部纯电续航里程175 km,增程续航925 km,WLTC工况下综合行驶里程约1 100 km。车辆单次纯电行驶里程占总里程的15.9%,而增程续航里程占比达到了84.1%。借助150 000 km的功能单位,可以计算得出全生命周期中纯电行驶里程约23 850 km,而纯增程行驶里程则为约126 150 km。使用阶段的纯电消耗公式如下:

(11)

式中,wud指的使用阶段的直接能耗,L为研究对象的纯电生命周期设定行程23 850 km,ec为百公里耗电量17 kW·h/km,η1为充电效率95%,η2为放电效率90%。根据该公式可计算出电动汽车在使用阶段的能耗为4 742.1 kW·h。经官方网站和测试机构给出的实际数值,油耗为8 L/100 km,据此计算得出整个使用阶段油耗约为10 092 L,该阶段直接碳排放总量达到33 315.2 kgCO2eq。

间接碳排放主要体现在汽车日常维护保养,维修阶段主要活动主要是更换零部件。汽车在使用阶段需要定期更换的零部件有轮胎、流体及电池等。查阅文献可知各部件在全生命周期中更换次数分别为:轮胎12次,润滑油24次,制动液3次,冷却液3次,雨刷液12次,结合碳排放因子数据[15]可得运行阶段间接总能耗为6 372.3 kgCO2eq,其各部分占比如图2所示。

图2 运行阶段间接能耗图

2.1.4 回收阶段碳排放

车辆报废回收阶段主要回收对象为车身主要金属材料以及动力电池。电池回收主要以正极材料和电池外壳材料回收为主,正极回收方法以化学法中的湿法冶金回收为主。从整车角度出发统计各金属材料占整备质量比为:钢66.5%,铁5.3%,铝4.6%,铜4.3%,结合参考文献得知钢的回收率为90%,铁回收率为80%,铜回收率为95%,铝回收率为92%,镍、钴、锰回收率分别为98%、97%、96%,结合98%的质量修正系数。对以上数据进行整合,可以得到回收阶段各材料抵消碳排放量图(图3)和回收阶段能耗清单(表6)。

表6 回收阶段能耗清单

 

 

图3 回收阶段各材料抵消碳排放量图

 

2.2 电动汽车碳排放结果分析

本研究选取理想L8为案例,并提出碳排放生命周期模型,划分为原材料获取、制造、使用、回收四大阶段,对其整个生命周期中的碳排放进行分析。在原材料获取阶段的碳排放总量为10 118.5 kgCO2eq;制造阶段的碳排放量为19 087.4 kgCO2eq;使用阶段的碳排放为39 687.5 kgCO2eq;回收阶段碳排放为-3 305.7 kgCO2eq。将理想L8生命周期各阶段碳排放量经汇总如图4所示。

图4 生命周期各阶段碳排放量直方图

根据结果,可以得出生命周期四个阶段中碳排放占比由大到小为:使用阶段、制造与装配阶段、原材料获取阶段、报废回收阶段。使用阶段占比约为60.51%,是占比最大的阶段,主要是因为增程式电动汽车L8在该阶段消耗大量电和汽油。制造阶段占比约29.10%,该阶段主要能耗为电能和热能,直接能源消耗较多。原材料获取阶段占比15.43%,其碳排放基本来自于材料本身开采过程。回收阶段占比为-5.04%,也就是说这一阶段对碳排放起到了减弱的作用,这说明对汽车零部件进行再制造可以减少碳排放,对环境产生积极的效果。基于以上研究结果,向政策制定者和汽车制造商提出以下建议:一,推动电力行业的清洁能源转型。这将提高电动汽车使用过程中能源的清洁程度,减少使用过程中的碳排放。二,优化企业降碳工艺。汽车制造企业应采用更清洁、低碳的生产工艺,例如使用可再生能源替代传统能源,从而减少生产过程中的碳排放。三,使用新型环保材料。汽车制造商可以加大对新型环保材料的研发和应用力度,例如使用可降解材料、可再生材料等,降低原材料获取阶段碳排放。

本研究的结果存在一定的不确定性。在讨论研究结果时,应该提到本研究只对增程式电动汽车L8进行了案例分析,未覆盖到其他类型的电动汽车。鉴于资料来源的限制和所需数据的详尽性要求,本研究使用的部分材料、工艺等碳排放数据通过文献查阅和国际收集获得,并采用了多种数据库。因此,本研究计算结果可能与仅采用单一数据库的结果存在差异。这种差异可能会对研究结果的准确性和可靠性产生一定的影响。

 

3、 结束语

 

本研究选取理想L8作为验证案例,将其全生命周期划分四个阶段进行分析和评价,并建立了每个阶段碳排放量的计算模型。此外,还将碳排放数据分为基础碳源(S)、过程碳耗(CP)、运输碳耗(CT)、材料碳耗(CM)和碳汇(I)五类。通过模型,可以准确地计算出每个阶段的碳排放量,对电动汽车的全生命周期评估提供了较为可靠的依据。全国碳排放交易市场现已启动,本研究对电动汽车的碳排放研究可以为新能源汽车碳排放核算提供借鉴参考,具有一定的经济价值。然而,由于目前国内市场交易机制发展尚未成熟,因此在碳交易方面没有进行深入研究,希望在后续研究中能将碳排放核算与全国碳排放交易结合起来,更大地发挥其核算作用。

 

参考文献

 

[1]余碧莹,赵光普,安润颖,等.碳中和目标下中国碳排放路径研究[J].北京理工大学学报(社会科学版),2021,23(2):17-24.

 

[2]胡鞍钢.中国实现2030年前碳达峰目标及主要途径[J].北京工业大学学报(社会科学版),2021,21(3):1-15.

 

[3]HUO T, LI X, CAI W, et al. Exploring the impact of urbanization on urban building carbon emissions in China: evidence from a provincial panel data model[J]. Sustainable Cities and Society, 2020,56:102068.

 

[4]王震坡,詹炜鹏,孙逢春,等.新能源汽车碳减排潜力分析[J].北京理工大学学报,2024,44(2):111-122.

 

[5]田佩宁,陈硕,毛保华,等.新能源汽车对中国私家车碳排放的影响[J].长安大学学报(自然科学版),2023,43(05):88-98.

 

[6]黎宇科,郭淼,严傲.车用动力电池回收利用经济性研究[J].汽车与配件,2014(24):48-51.

 

[7]侯兵.电动汽车动力电池回收模式研究[D].重庆:重庆理工大学,2015.

 

[8]殷仁述,杨沿平,谢林明,等.新能源汽车动力电池对有色金属资源需求预测[J].资源与产业,2016,18(5):85-91.

 

[9]申威,张阿玲,韩为建.车用替代燃料能源消费和温室气体排放对比研究[J].天然气工业,2006,26(11):148-152.

 

[10]刘凯辉.比亚迪E6纯电动汽车全生命周期评价[D].福州:福建农林大学,2016.

 

[11]陈轶嵩,马金秋,丁振森,等.纯电动汽车动力系统全生命周期节能减排绩效评价研究[J].机械与电子,2018,36(11):20-23.

 

[12]许海波.增程式电动汽车全生命周期评价研究[D].西安:长安大学,2021.

 

[13]李娟.纯电动汽车与燃油汽车动力系统生命周期评价与分析[D].长沙:湖南大学,2015.

 

[14]马金秋.匹配不同动力电池的纯电动汽车全生命周期评价研究[D].西安:长安大学,2019.

 

[15]BURNHAM A, WANG M, WU Y. Development and Applications of GREET 2.7-The Transportation Vehicle-Cycle Model [R].Argonne, IL United States:Argonne National Lab, 2006.

 

[16]卢强电动汽车动力电池全生命周期分析与评价[D].长春:吉林大学,2014.

 

[17]李书华.电动汽车全生命周期分析及环境效益评价[D].长春:吉林大学,2014.

 

[18]张磊.基于GaBi4的电动汽车生命周期评价研究:[D].合肥:合肥工业大学,2011.

 

[19]刘凯辉.比亚迪E6纯电动汽车全生命周期评价[D].福州:福建农林大学,2016.

 

[20]HU W, YIN D Y, CHEN X C. Life cycle cost estimation of large freight cars based on BP neural network integration[J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019,563(5):052065.

 

[21]SULLIVAN J L, BURNHAM, WANG M. Energy-Consumption and Carbon-Emission Analysis of Vehicle and Component Manufacturing[R]. Illinois: Argonne National Laboratory, 2010.

 

来源：期刊-《杭州电子科技大学学报(自然科学版)》 2024年第3期；作者：金理军， 王关晴， 郑光华， 李春波， 丁宁；单位：杭州电子科技大学理学院