生命周期评价在汽车产品生态设计中的应用

作者：中国汽车技术研究中心 张鹏 杨洁

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 生态设计是解决汽车产品环境问题的重要途径，而生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）已经成为汽车生态设计中的重要工具。本文简要介绍了汽车产品的生态设计及生命周期评价的研究现状，按照LCA的技术框架重点介绍了汽车产品生命周期评价的目标与范围定义、清单分析、影响评价和结果解释，旨在为汽车的生态设计提供量化的评价方法，促进汽车生态设计的实施。 目前，中国已成为全球汽车市场增长最快的地区之一，也已经成为全球最大的汽车生产国和消费国。而汽车产品的生产与消费活动造成大量的资源、能源消耗及环境排放问题，这些问题是发生在从资源开采、原材料与能源生产、产品生产、使用维护直到废弃再生的全生命周期过程中的。在这种大背景下，将“前端治理”的生态设计引入汽车行业已成必然趋势。 1.汽车产品的生态设计 汽车产品的生态设计是在产品设计阶段综合考虑汽车产品在全生命周期各阶段对环境的影响，设计出既对环境友好又满足人们使用需求的汽车产品。生态设计的一个很重要的目的是降低汽车产品全生命周期的资源能源消耗和环境排放，汽车产品的生态设计主要体现在以下几个方面： 1.1材料选择 选择环保材料是实现汽车产品生态设计的关键。汽车产品的原材料选用处于产品全生命周期的前端，是实现汽车产品全生命周期生态设计的基础，不仅影响汽车的制造，而且会影响汽车的销售、使用维修、回收处理等环节。因此在材料选择上就要尽可能选择那些环境性能好的材料。环保材料不仅应具备制造过程低能耗、易于降解、少污染等优点，还应便于回收和再循环利用。 1.2回收设计 汽车的生态设计中，回收处理再利用是很重要的一个方面。基于回收的绿色设计就是在进行汽车产品的设计时，就充分考虑产品零部件及材料的回收可能性、回收价值、处理方法及处理工艺等与产品可回收性有关的一系列问题，从而有效利用废旧零部件、材料、资源和能源，实现产品生命周期各阶段的闭路循环，并在回收过程中对环境污染的影响最小化。 1.3替代燃料 传统的汽油柴油型汽车在运行过程中对环境的污染十分严重，同时也加重了全球正面临的资源能源危机。因此采用清洁绿色的替代燃料也是生态设计中的一个重要方面。目前的新能源汽车主要有燃料电池汽车、混合动力汽车、氢能源动力汽车和太阳能汽车等，它们在运行过程中对环境的污染都比较小。 在以往的产品生态设计中，主要采用定性的评价方法，从各种设计实践中总结归纳出有利于改善环境影响的设计思想、概念与方案，但缺乏量化的环境评价指标，无法评价实际的环境效果，削弱了产品生态设计的可信度和可操作性；且有些生态设计措施仅关注汽车产品生产的某个阶段，而忽视了该阶段的改变对汽车全生命周期的影响，如电动汽车运行过程污染小，但电力生产过程对环境的污染也不容忽视。生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）方法可以为产品生态设计提供全面的、量化的评价方法，综合分析设计决策对产品生命周期的影响，从而使产品生态设计更具操作性和实际价值，进而寻找最有效的产品改进途径，这也是实现汽车产业可持续消费和生产的重要途径。 2.汽车产品生命周期评价研究现状 作为国际上通用的环境管理和产品设计的重要支持工具，汽车的LCA已经得到许多研究机构和企业的关注。美国的阿岗国家实验室早在1996年就开发了针对汽车生命周期评价的GREET模型并不断完善，最新的模型包括燃料生命周期和车辆生命周期两个模块，全面地评价了不同车辆技术的生命周期环境影响。一些跨国汽车企业也都积极开展了汽车的生命周期评价研究，以应对未来针对汽车的生态设计标准、绿色采购政策等，以及进行原材料的选择和市场宣传。沃尔沃采用生命周期评价方法计算产品的环境影响，并依据计算结果出具产品环境声明，使消费者明确其产品的环境影响，为消费者购买汽车提供更详细的参考资料。2010年，沃尔沃在欧洲的所有新卡车都完成了生命周期评价。大众按照ISO14040/44的标准，采用生命周期评价的方法来评价汽车在全生命周期内的环境影响，并依据计算结果为旗下多款车型如帕萨特、Golf、Polo等制定了环境推荐手册，为消费者选择提供参考。马自达同样采用生命周期评价方法对其产品进行了环境影响评价，而且已经建立了LCA评价和执行的数据库。 3.汽车产品的生命周期评价 3.1生命周期评价简介 生命周期评价是一种定量描述和分析产品与环境相互关系的方法，它通过量化分析产品在整个生命周期中的资源、能源投入和环境排放，可以全面反映产品对环境造成的影响。按照国家标准的定义，生命周期评价是指对一个产品系统的生命周期中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价。生命周期评价包括产品、工艺过程或活动的整个生命周期，即原材料的开采、加工，产品制造、运输和分配，使用、重新利用、维持，循环及最终处理，其核心特征就是能够全面反映产品系统功能的环境影响，而不局限于单个过程。 根据GB/T24040系列标准的规定，生命周期评价主要包括目标与范围定义、清单分析、影响评价和结果解释四个阶段，彼此之间的关系如图1所示。 3.2 汽车产品的生命周期评价 将生命周期评价的四个阶段分别应用到汽车产品的评价中，结合汽车产品自身的特点，形成汽车产品的生命周期评价。 3.2.1目标与范围定义 目标与范围定义是对LCA研究的目标和范围进行界定，是LCA研究中的第一步，也是最关键的部分。目标定义主要说明进行LCA的原因和应用意图，范围界定则主要描述所研究产品系统的功能单位、系统边界、数据分配程序、数据要求及原始数据质量要求等。目标与范围的定义直接决定了LCA研究的深度和广度。鉴于LCA的重复性，可能需要对研究范围进行不断的调整和完善。 目标定义 ：对汽车产品而言，其生命周期评价的目标主要有两个，一是量化分析汽车产品全生命周期中的资源、能源利用和环境排放情况，帮助汽车企业明确其产品的环境性能，并依据评价结果提出改进建议，使企业生产出更环保的产品，提高市场竞争力。二是为政府针对汽车行业开展环境标志等认证措施和制定相关的环境标准和政策提供理论依据。 范围界定 ：首先，按照生命周期的概念，汽车的全生命周期包括生产、使用和回收三大阶段，且生产阶段又包含多个子阶段，所以在实际评价中会有不同的系统边界的选择。其次，功能单位也会根据不同的研究目的有不同的选取方法，如汽车产品的功能单位可定义为生产一辆汽车或汽车完成1人*公里的运输任务。此外，还可以根据汽车产品LCA研究的应用目标及实际数据的可获得性确定数据要求等。 3.2.2清单分析 清单分析是对所研究系统中输入和输出数据建立清单的过程。清单分析主要包括数据的收集和计算，以此来量化产品系统中的相关输入和输出。首先是根据目标与范围定义阶段所确定的研究范围建立生命周期模型，做好数据收集准备。然后进行单元过程数据收集，并根据数据收集进行计算汇总即可得到产品生命周期的清单分析结果。 在汽车的生命周期评价中，数据收集主要涉及两方面的数据：现场数据和背景数据。现场数据主要是指汽车实际生产过程的输入和输出数据，一般需从汽车企业实际调研获取。背景数据主要是指汽车生命周期中的上游产品投入，包括原材料、电力、燃油等，背景数据一般由行业数据库或生命周期基础数据库中获取（通常都是生命周期汇总的生命周期清单分析数据）。目前，国际上主流的生命周期基础数据库主要有瑞士的ecoinvent数据库和欧盟的ELCD数据库，国内则主要是四川大学开发的中国生命周期基础数据库（CLCD）和北京工业大学开发的材料环境协调性评价中心数据库（MLCA）。数据收集完成之后，按照功能单位的定义进行计算汇总即可得到以功能单位为基础的汽车产品的生命周期清单数据。 3.2.3影响评价 LCA中影响评价的目的是根据清单分析阶段的分析结果对产品生命周期的环境影响进行评价。影响评价是LCA的核心内容，这一过程将清单数据转化为具体的影响类型和指标参数，更便于认识产品生命周期的环境影响。此外，生命周期影响评价还为生命周期解释阶段提供必要的信息。影响评价是LCA四个阶段中的重要环节，主要分为以下步骤： （1）定义环境影响类型 产品生命周期的环境影响类型有很多，在LCA研究中，国际上评价的环境影响类型主要有11种 ：资源消耗、能源消耗、淡水资源消耗、土地占用、温室效应、臭氧层破坏、酸雨、富营养化、光化学烟雾、人体毒性和水生生态毒性。在实际的汽车产品评价中可根据汽车产品自身的特点和我国的国情选择合适的环境影响类型进行评价。 （2）分类及特征化 确定环境影响类型之后，首先要对清单数据进行分类，将会造成同种环境影响的清单物质归为一类。然后是进行数据的特征化，即将不同的清单物质对同种环境影响类型的贡献单位统一化，使得不同的清单物质对同种环境影响类型的贡献可以汇总。特征化采用当量系数法，其原理是利用不同污染物（或资源）在质量相同的情况下对同一种环境影响类型的贡献量的差异，以其中某一种污染物为基准，把其影响看作1，然后将等量的其他污染物与其比较，这样就可以确定各类污染物相对的影响潜力大小。例如，全球变暖影响以CO2为基准，1kg CH4对全球变暖的影响潜力相当于24kg CO2，则CH4的全球变暖当量系数为24。特征化方法如式1： Ci=∑Di×wmi （式1） 其中，C为特征化结果的值，是各类环境影响类型的值，如资源消耗、能源消耗、温室效应等；D为各项指标的的当量系数；m为各项指标的质量；i为环境影响类型。 （3）归一化 在特征化阶段得到的各环境影响类型指标由于单位不一致，相互之间不便于比较，归一化则可以消除这种由单位不一致导致的无法比较的问题。归一化即根据基准信息对特征化参数结果的大小进行计算，将每种影响类型的特征化结果除以归一化基准值，得到该影响类型的归一化结果。归一化结果无量纲，可用于比较不同的影响类型，从而识别产品生命周期的主要环境影响。归一化方法如式2： Ni=Ci/Bi （式2） 其中，N为归一化结果的值；C为特征化结果的值；B为归一化基准值，指的是造成某种环境影响类型的所有污染物的全国年总发生量；i为环境影响类型。 （4）加权综合 归一化结果虽然具有可比性，但各种环境影响类型对于一个国家或地区的可持续发展的重要性程度是不同的，因此需要对不同的环境影响类型赋予不同的权重，然后进行加权求和，得到汽车生命周期的总环境影响。其中权重值采用专家打分法的方式确定。综合评价方法如式3： S=∑Ni×wWi（式3） 其中，S为综合评价指数，N为各项环境影响类型的归一化结果，W为各项环境影响类型的权重，i为环境影响类型。 3.2.4结果解释与改进分析 在对汽车产品的生命周期环境影响进行影响评价的基础上，还可以通过对影响评价结果进行贡献分析和敏感度分析识别汽车产品生命周期中的重大问题，确定汽车产品生命周期中的改进点，如重新选择原材料、改进生产工艺等，为企业进一步改进产品设计提供理论依据。 讨论 汽车的生态设计已受到各国政府和企业的广泛关注，未来对汽车产品的环保要求将越来越严格。 目前，汽车产品的生命周期评价在我国尚处于初级阶段，仍有待发展。在评价方法上，需根据国际通用的生命周期评价标准方法，同时针对我国的资源能源与环境现状以及汽车行业的发展情况，建立系统的评价中国汽车产品生命周期环境影响的方法和模型。此外，在数据方面，需尽快建立中国汽车行业的生命周期数据库，使其与评价方法体系结合，为汽车产品的生态设计的真正实施提供技术保障。(end)

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