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应用生命周期评价方法指导汽车产品的研发
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生命周期评价(Life Cycle Assessment, LCA) 经过50 多年的发展,已被广泛应用于汽车企业和政府管理部门,汽车产品的研发和设计、汽车环境保护政策的制定和汽车产品的可持续消费。国际标准化组织将LCA 定义为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(ISO 14040:2006),如图1 所示ISO 14040 规定LCA 的技术框架为4 个阶段:目的和范围的确定、清单分析、影响评价, 以及每个阶段都要开展的结果解释。

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图1、ISO 14040 标准LCA 的技术框架

如图2 所示,汽车产品的全生命周期包括原材料的生产阶段、零部件的生产阶段,汽车产品组装阶段,汽车产品使用阶段和汽车产品废弃处理阶段等全生命周期阶段。汽车产品生命周期的各阶段都要从自然界中输入各种能源、资源和原材料,同时向空气、土壤和水体中排放各种污染物。图2 中列出了主要的气体污染物,包括二氧化碳、甲烷、二氧化硫和氮氧化物等。将这些不同的气体污染物通过分类、特征化成其所对应的环境影响类型,并通过当量因子表示成可以量化的指标值。比如,将二氧化碳和甲烷等温室气体的全球增温潜势折算成CO2 当量的形式,用来表示全球变暖这一类型的环境影响,计算结果以kgCO2e为单位。

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图2、汽车产品的生命周期评价示意图

主要特点

生命周期评价方法的主要特点包括:1)标准化:生命周期评价方法是建立在国家国际标准的基础上的,包括ISO 14040:2006 和ISO14044:2006,该标准使生命周期评价的概念和技术框架得以标准化。2)系统全面:生命周期评价是系统全面的方法,其所评价的范围涵盖产品的多个生命周期阶段,可用来评价产品所产生的各种资源环境问题。3)客观量化:生命周期评价方法通过对清单物质的分类、特征化成对应的影响类型,也可通过归一化和加权表示成综合指标,如产品环境足迹等。4)普适性:生命周期评价方法适用于各种产品和服务,可应用于各种技术/ 管理/ 政策决策过程。

汽车产品的研发和设计

在汽车行业,包括大众汽车、通用汽车、奔驰汽车、福特汽车、丰田汽车和本田汽车在内的许多知名汽车企业都开展了LCA 的广泛研究,并应用生命周期评价方法的指导汽车产品的研发和设计,主要集中在以下几个方面。

1,大众。2011 年,大众汽车应用LCA 指导汽车的轻量化设计, 使奥迪A6 后代车型在车身、动力系统和底盘等部位最大限度的使用铝代替钢。与前代车型相比,后代车型轻量化材料使用量增加3%,钢铁材料使用降低5%,整车减重80kg。汽车行驶20 万km,生命周期温室气体排放与行驶距离的关系。

不仅如此,轻量化设计也降低了生命周期中其他类型的环境影响, 各类型环境影响的减少值。大众汽车应用LCA 进行前后代车型的生命周期对比分析,一方面,证明新车型在所有环境表现方面优于其前代; 另一方面,也合理的表明,尽管轻量化设计需要消耗更多的能源,迅速由其使用阶段的环境节约量所抵消,从而展示了环境可接受的轻量化设计方案。

2,通用。2007 年,通用汽车开展了凯迪拉克镁铝合金与钢前端部件设计方案的对比分析,分别使用钢铁、镁合金和铝合金生产满足相同性能要求的汽车前端部件。三种设计方案主要参数对比如图3 所示。由图可知,由于轻量化材料镁、铝的使用,前端部件的质量降低,汽车的整备质量也随之降低,在汽车油耗方面也有了更好的表现。与铝相比,镁的轻量化效果更好。

3,福特。2002 年,福特欧洲汽车建立了产品可持续性指数(Product Sustainability Index ,PSI),旨在同时提高产品在环境与健康、经济和社会方面的表现。福特欧洲PSI 指标框架包括,主要包括生命周期全球变暖、生命周期空气质量、生命周期成本、可持续材料、安全和移动性能等方面。

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图3、钢铁、镁合金、铝合金三种设计方案主要参数对比

福特欧洲从产品设计研发的全过程的开始自上而下的实施PSI。为福特欧洲汽车开发的主要过程,福特欧洲在产品研发的全过程持续地追踪PSI 指标的变化,并不断地进行调整和改进,最终确定最优设计方案。

Ford Galaxy 前后带汽车产品的PSI 结果,后代产品的PSI 都明显优于前代产品,后代产品表现的更加可持续性。此后,所有的福特欧洲汽车, 包括福克斯、蒙迪欧、嘉年华等都在PSI 基础上开发。

开展生命周期评价的建议

综合来看,已有的汽车行业LCA 的应用主要集中在国外的汽车企业, 目前国内的汽车企业也在努力学习国外的先进经验,逐步开展LCA的实践, 这包括长安、江西五十铃、上汽、三角轮胎等整车和零部件企业,并取得了一些成果。

今后,在应用LCA 指导汽车产品的设计与开发方面,汽车企业可以从以下几个方面开展:1)辨识汽车全生命周期中环境影响重大的关键过程,应用LCA 方法进行改进 ;2)开展汽车关键零部件(如发动机、白车身、车轮和变速器等)的LCA,在保证品质的前提下,提高生命周期的环境表现,降低生命周期成本;3)综合产品在环境影响、成本和性能等方面, 进行汽车产品不同设计方案的对比分析,在产品开发过程中持续改进,最终确定最优方案;4)研究与开发汽车产品生命周期评价系统,结合汽车行业的主要特点及汽车产品设计流程,封装生命周期评价的理论和方法,高效、智能化的进行汽车产品生命周期评价。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (6/18/2015)
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