从“摇篮”到“坟墓”——汽车生命周期分析
2020-03-24

        1886年,Karl Friedrich Benz将一台单缸汽油发动机安置在三轮车上,历史上第一台汽车诞生,汽车产业就此拉开帷幕。在接下来的一个世纪中,内燃机的轰鸣声几乎成为了汽车产业的主旋律。然而,在全球工业迅若惊雷的推进势头下,一把达摩克里斯之剑悄然降临。

        20世纪70年代,能源危机爆发,工业污染以前所未有的速度侵蚀着生态环境。汽车产业也不得不降缓步伐,思考应对之策。1967年,日本成立电动汽车协会,同时制定了《电动汽车开发计划》、《第三届电动汽车普及计划》;1976年,美国国会通过《电动汽车和复合汽车的研究开发和样车试用法令》,推动电动汽车发展。在针对传统内燃机排放方面,欧洲经济委员会和欧共体于1992年协同制定了排放法令及法规,排放标准的不断升级为内燃机的设计、生产带来了巨大挑战。由于纯电动汽车仍存在包括续航里程在内的诸多技术难题,混合动力汽车则成为了一种折衷的选择,也为汽车产品的更迭提供了纽带作用。

        与此同时,一种新型的动力装置引起了汽车工业界的注意——燃料电池。其特殊的电化学工作方式直接将化学能转化为电能,实现真正意义上的零排放。1973年,日本成立“氢能源协会”,将氢能技术作为大学研究人员的研发重点。1981年,日本通产省在“节能技术长期研究计划”中,启动燃料电池的开发。至2014年世界第一代量产车型的发布,氢燃料电池车已经成为汽车产业未来发展方向之一。在百余年的发展历程中,汽车产业第一次面临如此巨大的外界阻力,究竟哪条道路才是“答案”,至今仍然是业界的最大困惑。本文将从生命周期的角度出发,希望能为解决这道难题提供一点思路。


什么是生命周期


        所谓生命周期,即是一辆汽车从“摇篮”到“坟墓”的全部过程。从汽车零部件的生产、车辆的组装,到交付使用,在完成漫长的行驶历程后,一辆汽车的生命将终止于废弃与回收。对于汽车这并不复杂的一生,我们可将其分为五个阶段:阶段一,车辆原材料的生产;阶段二,车辆的装配;阶段三,车辆的运输分配;阶段四,车辆的使用;阶段五,车辆的回收处置。在这里,我们将阶段一、二、三、五统称为车辆生命周期,阶段四称为燃料生命周期。其中燃料生命周期用于形容使用者消耗燃料引起能量消耗及温室气体排放,和车辆的行驶里程成正比,至于能量消耗和温室气体排放则是本文评价车辆的重要指标。


1.jpg

图1 生命周期

 

车辆生命周期

 

        车辆生命周期分为材料生产、车辆装配、车辆分配和车辆处置四个部分。这四个部分与车辆的材料构比、总体重量密切相关。内燃机汽车、电动汽车及燃料电池汽车的车辆生命周期结果如图2所示。

2.png 

图2 内燃机汽车(ICEV)、电动汽车(EV)和燃料电池汽车(FCV)的车辆生命周期

 

        可以发现,电动汽车的能耗和温室气体排放最高,内燃机汽车最低,燃料电池汽车居中。电动汽车的能源消耗和温室气体排放分别是燃料电池汽车的1.4倍和1.2倍左右。对这一结果,我们展开了进一步剖析,结果如图3所示。

 3.png

图3 三类汽车在车辆生命周期不同阶段的能耗和温室气体排放:(a) 内燃机汽车 (b) 电动汽车 (c) 燃料电池汽车的能耗;(d) 内燃机汽车 (e) 电动汽车 (f) 燃料电池汽车的温室气体排放。材料生产被分为两个部分,分别为动力系统的生产和其他部分的生产。

 

        可以发现,电池生产占电动汽车的车辆生命周期能耗和温室气体排放的30%,而发动机生产仅占内燃机汽车的车辆生命周期的5%。在燃料电池汽车的车辆生命周期中,燃料电池堆和储氢罐的生产分别占10%和20%的能源消耗和温室气体排放。

        由于三种车型在整车装配、分配和处置过程中能耗和温室气体排放相似,所以电池是电动汽车能耗、排放高的主要原因

 

燃料生命周期

 

        本研究列举了三种车辆使用不同能源的多种情况,假定车辆的寿命为15万公里,燃料生命周期结果如图4所示。

 4.png

图4 燃料生命周期:(1)汽油车,(2)柴油车,(3)电动汽车,(4)天然气重整制氢的燃料电池汽车,(5)焦炉煤气制氢的燃料电池汽车,(6)废弃水能电解制氢的燃料电池车,(7)正常水能电解制氢的燃料电池汽车,(8)国家电网电解制氢的燃料电池汽车,(9)热化学水分解制氢的燃料电池汽车。


        可以发现,国家电网电解制氢的燃料电池汽车能耗和温室气体排放最高,其原因在于国家电网的发电与电解制氢效率较低。而废弃水能电解制氢的燃料电池汽车的能耗和温室气体排放量最低。

        在燃料生命周期中,电动汽车和天然气重整制氢的燃料电池汽车的能耗几乎相同,但使用天然气重整制氢的燃料电池汽车的温室气体排放要少得多。

        在燃料生命周期中,内燃机汽车在比电动汽车和大多数的燃料电池汽车差,这与车辆生命周期的结果恰恰相反。

 

全生命周期

 

        将车辆生命周期和燃料寿命周期所得的数据相加便得到了全生命周期的数据,结果如图5所示。

 5.png

图5 全生命周期:(1)汽油车,(2)柴油车,(3)电动汽车,(4)天然气重整制氢的燃料电池汽车,(5)焦炉煤气制氢的燃料电池汽车,(6)废弃水能电解制氢的燃料电池车,(7)正常水能电解制氢的燃料电池汽车,(8)国家电网电解制氢的燃料电池汽车,(9)热化学水分解制氢的燃料电池汽车。

     

        经过计算,可知内燃机汽车、电动汽车和燃料电池汽车的燃料生命周期能耗分别占总生命周期的78% ~ 82%、61% ~ 67%和66% ~ 85%左右。内燃机汽车和电动汽车燃料生命周期的温室气体排放量分别占总生命周期的81% ~ 84%和66% ~ 72%

        可以发现,利用废弃水能电解制氢的燃料电池汽车在整个生命周期中是最节能环保的,因为它的制氢效率最高,且无温室气体排放。使用焦炉煤气制氢的燃料电池汽车则紧随其后,而柴油车排名第三。

        总的来说,电动汽车并没有表现出太多的优势,主要原因在于电池生产过程中存在超高的能耗和温室气体排放。另一方面,由于中国电力结构中火力发电的比例较高,总体发电效率不高,对于电动汽车的推广使用并不友好。

 

行驶里程的影响

 

        在计算燃料寿命周期时,我们将车辆的寿命假定为15万公里,但事实上不同种类车辆的行驶里程可能会对其生命周期产生影响。为了讨论行驶里程的影响,我们假设总行驶里程为0 ~ 20万公里,对全生命周期中能耗及温室气体排放进行了讨论,结果如图6所示。

 6.png

图6 (a)不同车辆全生命周期能耗与行驶里程关系,(b)不同车辆全生命周期能耗与温室气体排放关系:(1)汽油车,(2)柴油车,(3)电动汽车,(4)天然气重整制氢的燃料电池汽车,(5)焦炉煤气制氢的燃料电池汽车,(6)废弃水能电解制氢的燃料电池车,(7)正常水能电解制氢的燃料电池汽车,(8)国家电网电解制氢的燃料电池汽车,(9)热化学水分解制氢的燃料电池汽车。

 

        随着行驶里程的增加,汽油车首先表现出了最低的能耗和温室气体排放量,但当行驶里程达到10~15万公里时,其能耗和温室气体排放量将超过大部分的其他车辆,柴油车趋势相似。如果汽车总里程预计超过15万公里,使用汽油车并不是实现环保的最佳选择。

        当行驶里程超过7.5万公里时,废弃水能电解制氢和焦炉煤气制氢的燃料电池汽车的能耗和温室气体排放均将低于其他车辆。因此,如果汽车总里程预计将超过7.5万公里,那么使用废弃水能电解制氢和焦炉煤气制氢的燃料电池汽车是最高效清洁的选择

        天然气重整制氢的燃料电池汽车在行驶里程低于15万公里时的能耗低于电动汽车,当行驶里程在15~20万公里时两者的能耗相近,但天然气重整制氢的燃料电池汽车的温室气体排放量总是小于电动汽车。

        虽然电动汽车在燃料生命周期中的能耗和温室气体排放低于大多数其他车辆,但电动汽车的车辆生命周期抵消了这一优势。电动汽车的优势只有在行驶里程达到17.5万公里左右时才会显现出来,但此时电池的寿命将会变成另一个的问题。从以上结果可以得出结论,不同类型车辆的能耗和排放的排名并不是固定不变的。它们的生命周期结果在很大程度上取决于行驶里程。

 

总结

 

        在本研究中,我们基于中国汽车行业现状,对燃料电池汽车、内燃机汽车和电动汽车进行了全面的生命周期评估,以比较这三种车辆的可持续性影响。在全寿命周期评估中充分考虑了六种主流制氢方法和行驶里程的影响。

        在车辆生命周期中,电动汽车的能耗和温室气体排放量最高,分别是燃料电池汽车的1.4倍和1.2倍,而内燃机汽车的能耗和温室气体排放量最低。电池生产是导致高能耗和高温室气体排放的主要原因。这直接抵消了电动汽车在使用阶段的优势。

        在燃料生命周期,电动汽车和大多数燃料的情况下的燃料电池汽车要优于内燃机汽车。当行驶里程为15万公里时,三种车辆的燃料生命周期的能耗占全生命周期的大部分。

        国家电网电解制氢的燃料电池汽车对可持续性没有积极影响。如果车辆总里程预计将超过15万公里,那么使用汽油车就不是一个节能环保的选择。由于废弃水能电解制氢和焦炉煤气制氢的燃料电池汽车在燃料生命周期中的能耗和温室气体排放最低,所以随着行驶里程的增加,两者的优势将更加明显。对于最常见的制氢方法,天然气重整制氢的燃料电池汽车在行驶里程低于15万公里时,其能耗和温室气体排放量也低于电动汽车。

        综上所述,不同类型的车辆在全生命周期中的能耗和温室气体排放在很大程度上取决于行驶里程。为了达到良好的可持续效果,需要根据车辆行驶里程选择合适的车辆和燃料方案。

 

如果想要了解更加详细的研究过程和分析结果,请查看下述文章。

Yang Z, Wang B, Jiao K. Life cycle assessment of fuel cell, electric and internal combustion engine vehicles under different fuel scenarios and driving mileages in China[J]. Energy, 2020: 117365.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

相关链接: 天津大学 | 天津大学机械工程学院 | 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室