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在汽車領域，節(jié)能減排一直是一個熱度不減的話題。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)略性新興產業(yè)。為促進新能源汽車的需求，2009年以來，中央和地方相繼出臺新能源汽車購置補貼和免征購置稅等相關政策。2020年年初，面對新能源汽車行業(yè)下行壓力及新冠疫情的雙重打擊，為進一步提振新能源汽車產業(yè)，國務院于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)。此舉在促進傳統(tǒng)汽車向新能源汽車的戰(zhàn)略轉型道路上邁出了重要一步。電動汽車作為新能源汽車的一種，一直被人們廣泛認可。目前，混合動力汽車(HEV)、插電式混合動力汽車(PHEV)和純電動汽車(BEV)是我國主要的電動汽車發(fā)展方向。然而，電動汽車節(jié)能減排的優(yōu)勢僅僅是針對汽車行駛階段而言的，如果從全生命周期角度來看，電動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，均有待進一步研究。

在電動汽車和傳統(tǒng)汽車能耗、污染物排放以及環(huán)境影響方面，國內外學者均展開了相關研究，這對其健康發(fā)展起到重要的推動作用：Ribau等(2014)通過單目標和多目標遺傳算法，將燃料混合動力汽車(FC-HEV)和插電式混合動力汽車(FC-PHEV)與傳統(tǒng)汽車進行對比發(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，同時證明插電式混合動力汽車具有更高的運行效率，而燃料混合動力汽車成本和環(huán)境影響更低；Huo等(2015)選取中國與美國各3個地區(qū)對電動汽車溫室氣體和其他空氣污染物排放展開研究，預測到2025年由于發(fā)電廠排放得到有效控制，電動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，以北京市電動汽車為研究對象，對多組減排情景進行模擬分析，為電動汽車的推廣與改進提出了優(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用于各種研究：Simons等(2015)通過全生命周期評價法發(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環(huán)境的影響；劉宏等(2007)則從節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟角度出發(fā)，對不同車型全生命周期進行評估，發(fā)現(xiàn)純電動汽車能創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效應與社會效應；楊峰等(2009)通過對傳統(tǒng)燃油汽車(RAVA4)與純電動汽車(RAVA4 EV)進行全生命周期成本分析與比較，得出純電動汽車運行成本低于燃油汽車，但總成本高于燃油汽車的結論；王恩慈等(2017)基于WTW體系與GREET模型，選擇4個能源結構差異明顯的國家，從能耗與排放兩個方面對電動汽車進行分析，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，得出風能發(fā)電更占優(yōu)勢的結論。

綜上所述，目前汽車生命周期環(huán)境影響的研究領域相對成熟，但較為缺乏各種電動汽車間的橫向比較。本文試圖通過生命周期評價方法，并結合GREET模型，選取市場上典型的插電式混合動力汽車和純電動汽車為電動汽車的代表車型，從能耗、污染排放、環(huán)境影響負荷及環(huán)境成本等角度全面對比傳統(tǒng)汽車進行分析評價，以判斷電動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驗室(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價模型。該模型被廣泛應用于汽車生命周期評價領域：通用汽車公司曾以美國為背景，應用GREET模型對不同車輛技術和燃料路線進行能耗及溫室氣體排放進行分析評價；Han等(2015)基于GREET模型得出輕型汽車和低碳燃料對溫室氣體減排效益可觀的結論。模型的計算邏輯為，對于燃料周期上游階段，每單位產品輸出所需要消耗的能量可由該過程的能量效率(η)計算得到。當所有原料均在生產燃料的過程中通過燃燒被消耗時，總能耗(E_in)的計算公式為

絕大多數(shù)情況下，原料可以同時充當生產燃料的原料和工藝燃料，此時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(E_p),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。每種排放量與對應的工藝燃料種類、消耗量與設備有關。對于工藝燃料燃燒過程產生的第i種排放物的計算公式為

式中：Muc,i為非燃燒過程排放的第i種排放物；F_i,j,k為第k種設備使用第j種工藝燃料的排放因子；E_p,j,k為第k種設備使用第j種工藝燃料的消耗量，計算公式為

其中，E_in為能源總消耗量，由公式(1)和公式(2)計算得出，α_j為工藝燃料總消耗量中第j種工藝燃料所占的比例，β_k,j為在所有使用第j種工藝燃料的設備中第k種設備所占的比例。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，還應將工藝燃料的生命周期上游階段納入考慮范圍，因為工藝燃料作為一種燃料，也經(jīng)歷了一系列同樣的生產方式。綜上，燃料周期上游的總能耗(E_total)和總排放(M_total,i)的計算公式為

式中：E_up,in,j為第j種工藝燃料自身上游階段的能耗；M_up,i,j為第j種工藝燃料自身上游階段排放物i的量；E_p,j為第j種工藝燃料的消耗量。本文數(shù)據(jù)以GREET 模型中的內置數(shù)據(jù)為基準，對部分數(shù)據(jù)參考我國實際情況做出調整，詳見1.2節(jié)。

1.1.2 生命周期評價法(LCA模型)

生命周期評價(life cycle assessment, LCA)是對一個產品或工藝過程全生命周期內有關的輸入、輸出及其直接和間接環(huán)境影響進行匯編和評估的方法，也稱作從“搖籃”到“墳墓”的分析。根據(jù)ISO14040標準規(guī)定，LCA包括4個階段：目的與范圍的確定，環(huán)境清單分析，環(huán)境影響評價以及評價結果解釋(ISO,2006)?；谖覈F(xiàn)狀，本文以電動汽車推廣使用的能源與環(huán)境效益分析為目標，引入傳統(tǒng)汽車作為對照，全面評價車輛和燃料生產、使用和車輛報廢處理階段的能量消耗與污染物排放情況。為了便于與GREET模型結果銜接，本文將評價范圍整合為燃料周期和車輛周期。根據(jù)生命周期的概念，針對車輛燃料，美國ANL提出了“從井到輪”(well-to-wheel, WTW)評價體系。該體系以燃料系統(tǒng)為研究對象，分為從油井到油泵(well-to-pump, WTP)和從油泵到車輪(pump-to-wheel, PTW)2個階段：WTP為燃料周期的上游階段，主要包括原料的開采、運輸和儲存，燃料的生產、運輸和配送；PTW為燃料周期的下游階段，以車輛行駛過程對燃料的消耗為主體。燃料周期的環(huán)境影響主要由上游的生產運輸和下游的燃料消耗造成。車輛周期包括車用原材料生產、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)直接相關的影響，諸如廠房建設和設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)濟性指標，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，對各類汽車進行全生命周期能耗分析和環(huán)境影響評價，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如圖1所示，主要包括汽車生產階段、汽車行駛階段和汽車報廢回收階段。

圖1 汽車全生命周期主要架構

環(huán)境影響評價是將清單分析得到的環(huán)境負荷量通過分類、特征化、標準化和加權轉化成不同類型的環(huán)境影響，以便從不同角度審查研究系統(tǒng)，進而為下一階段的評價結果解釋提供信息。環(huán)境影響評價主要考慮7種排放物對環(huán)境的影響，包括全球變暖、酸化、光化學臭氧合成和煙塵及灰塵5個方面(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，計算公式為

式中：EP(j)為第j種環(huán)境影響潛值，即系統(tǒng)對第j種潛在環(huán)境影響類型的貢獻；Q(j)_i為第i種物質的排放量；EF(j)_i為第i種排放物質對第j種潛在環(huán)境影響的當量因子，本文考慮影響尺度為100 a。2)標準化的第一個目的是使以絕對數(shù)表示的影響值轉化為相對值，從而具有數(shù)值可比性；第二個目的是為進一步評估提供依據(jù)。本文以1990 年作為參考年，建立標準人當量，即每年每人平均造成的環(huán)境影響潛值。標準化后的環(huán)境影響潛值可表述為

式中：NEP(j)為標準化后的環(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。標準化后的單位記為“標準人當量”。3)加權標準化后的環(huán)境影響潛值僅反映各種影響類型的相對大小，并沒有反映出該影響的相對重要性，這說明即便兩種不同的環(huán)境影響潛值標準化后結果相同，也不能代表二者的影響同樣嚴重。因此需要對影響的重要性進行排序，重要性即權重，加權后的第j種環(huán)境影響潛值WP(j)為

式中WF(j)為權重因子。本文采用2000年我國政府的削減目標確定權重，可以反映在1990年的基準上要削減多少才能達到2000年的目標。權重越大，削減越快，權重大于1說明2000年的總量排放會低于基年，小于1說明目標是降低排放的增長速度而并非削減總量(楊建新，2002)。4)環(huán)境影響負荷。通過將加權后的環(huán)境影響潛值進行加和，構建環(huán)境影響負荷指標EIL,用于反映所研究系統(tǒng)的整體全生命周期內對環(huán)境的壓力大小。

?1.2? 數(shù)據(jù)和材料

1.1.1. 研究對象的選取

根據(jù)當前新能源產業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和政府的發(fā)展規(guī)劃，混合動力汽車(HEV)、插電式混合動力汽車(PHEV)和純電動汽車(BEV)是主要的電動汽車發(fā)展方向。因此本文選取插電式混合動力汽車(PHEV)、純電動汽車(BEV)進行生命周期評價。在選取各類型代表車型時，考慮典型性和市場占有率等因素。丁舟波等(2017)在電動汽車全生命周期評價中，基于美國ANL車輛周期模型，選擇豐田普銳斯PHEV和日產聆風分別作為插電式混合動力汽車和純電動汽車的代表。普銳斯是世界上最早實現(xiàn)批量生產的混合動力汽車，截至2017年1月底，全球累計銷量已突破1 000萬輛(豐田中國，2017),故本文選取普銳斯PHEV作為插電式混合動力車的典型。截至2019年5月，日產聆風全球累計銷量達41.5萬輛，成為全球累計銷量最高的純電動車型(汽車之家，2019),故本文選擇日產聆風作為純電動汽車的代表。此外，為了便于分析電動汽車的節(jié)能減排效益，本文還選取了2019年國內銷量最高的傳統(tǒng)汽油車大眾朗逸(GICEV)作為對照車型。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)燃料關鍵參數(shù)設置。本文涉及的汽車燃料為電能和汽油。根據(jù)《2019年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》和《2019年全國電力工業(yè)統(tǒng)計快報》,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)計局，2020;中國電力企業(yè)聯(lián)合會，2020)。由于我國發(fā)電主體是煤炭發(fā)電，所以對煤炭發(fā)電路徑依照我國實情調整參數(shù)，其余使用軟件默認數(shù)據(jù)。此路徑包括：煤炭開采和洗選、煤炭運輸、煤炭發(fā)電，其中，煤炭開采洗選過程的能源轉化效率為97.5%,消耗煤炭占比80%,電力占比16%,柴油占比2%,各種燃料均對應一種或多種燃燒技術。參考張茜(2012)的研究，為各技術分別設置使用比例。煤炭運輸方式設置如下：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)和內燃機發(fā)電系統(tǒng)，二者分別占比1%和99%。汽油的燃料路徑包括：原油的開采和運輸、汽油的精煉、成品油的運輸及儲存。對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，為各種燃料對應的燃燒技術分別設置比例。原油運輸方式設置如下：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%。對于進口原油，則采用GREET內部默認的美國原油開采效率。2019年，我國原油進口量為5.01億t, 對外依存度72.5%(石油商報，2020),平均運輸距離11 000 km, 90%為遠洋運輸(Shen等，2012)。汽油精煉時的能源轉化效率為90.6%,消耗能源的占比情況為：煤48.9%,電力33.8%,燃料油11.9%。汽油運輸方式設置如下：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)。各運輸?shù)哪茉磸姸仁褂密浖戎脭?shù)據(jù)。2)能耗與污染物排放結果。為了使燃料周期與車輛周期的研究結果相關聯(lián)且具有可比性，應為3種汽車設置相同的壽命里程，以往研究一般將此指標設定于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，結合車型參數(shù)，利用GREET 模型計算燃料周期的能耗和排放，結果如表2所示。由此可以看出，純電動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。汽車的整備質量是汽車在正常條件準備行駛時的重量(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GICEV和PHEV的整備質量中含有30 kg的汽油，將汽油、流體、電池和輪胎質量一并扣除，得出GICVE、PHEV和BEV的剩余質量(主體質量)分別為：1 136 kg、1 495 kg和1 491 kg。計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

計算得主體制造階段的能耗及排放結果，如表3所示。由此可以看出，總能耗和主體質量呈正相關。與傳統(tǒng)汽車相比，其余二者因質量更大產生了更多能耗和污染排放。因此，相比傳統(tǒng)汽車，電動汽車更需要實現(xiàn)車身輕量化，從而在此階段實現(xiàn)節(jié)能減排，例如，增加碳纖維增強復合材料在原材料中的占比，不僅可以有效減重，還能通過結構優(yōu)化提高材料利用率。2)電池和流體。電池的完整生產流程包括生產和裝配兩個過程。生產過程采用GREET內置數(shù)據(jù)。由于各類電池裝配流程基本一致，本文假設裝配過程的能耗強度均為2.67 MJ/kg(Dunn等，2014)。流體環(huán)境清單包括生產、使用和廢棄物處理3個階段。加和電池系統(tǒng)和流體系統(tǒng)環(huán)境清單的計算結果如表4所示。隨著動力系統(tǒng)電氣化程度的提升，電池質量增加，制造過程的能耗和污染排放逐漸增加。同時，流體質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，運送和報廢。汽車裝配階段包括7個步驟：油漆生產、涂裝、空氣調節(jié)系統(tǒng)(HVAC)和照明、供暖、物料搬運、焊接以及車間壓縮空氣。本文采用GREET內置數(shù)據(jù)庫計算結果。配送階段模擬重型卡車運輸，取平均運輸距離1 600 km(Schuckert等，1996;Li等，2012)。報廢回收階段分為汽車主體粉碎和電池報廢處理兩個過程，假設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。計算結果如表5所示。

表5 裝配運送和報廢階段能耗及排放

2 結果與分析

2.1 汽車全生命周期能耗分析

GICEV、PHEV和BEV在整個燃料周期的能耗分別為：803 GJ、575 GJ和510 GJ。由圖2可知，相對于GICEV,PHEV和BEV兩種新電動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，相對于傳統(tǒng)汽車，PHEV和EBV兩種電動汽車更加耗能，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，轉化時損失了大部分能量。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重，而電能的燃料經(jīng)濟性優(yōu)于汽油，能量轉化效率較高。因此，在車輛行駛階段使用電動汽車有利于節(jié)能保。

圖2 燃料周期各階段耗能情況

GICEV、PHEV和BEV在整個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量增加而增加。同時，電池生產及報廢處理階段的能耗隨汽車電氣化程度的提高而明顯增加。