基于生命周期理论的汽车产品碳排放评价研究及低碳发展建议*

么丽欣 刘斌 石红 马乃锋

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

主题词：碳排放 新能源汽车 生命周期评价 能源 材料

缩略语

NEV New Energy Vehicle

LCA Life Cycle Assessment

WTP Well to Pump

PTW Pump to Wheel

ICEV Internal Combustion Engine Vehicle

HEV Hybrid Electric Vehicle

PHEV Plug-in Hybrid Electric Vehicle

BEV Battery Electric Vehicle

FCEV Fuel Cell Electric Vehicle

UF Utilizing Factor

1 研究背景

当前，绿色低碳发展已经成为全球共识和发展方向。“双碳”目标的提出是推动我国经济高质量发展的关键之举，服务好“双碳”战略目标是我国经济社会中一项全局性、系统性工程。同时，“双碳”目标的提出也对汽车产业发展提出新的要求，将带来一系列广泛而深刻的系统性变革。

第一，实现汽车产业绿色低碳转型，是产业高质量发展的内在要求和战略选择。汽车产业作为横跨工业、交通、能源主要终端能耗部门的产业，其低碳发展对我国实现“双碳”目标具有重要意义。目前，中国交通运输碳排放占国内碳排放总量的10%左右，其中以汽车为主的道路交通碳排放占全国交通运输碳排放总量的80%以上，实现“双碳”目标是汽车行业的责任，也是实现汽车强国的重要前提。未来汽车碳排放总量还将继续攀升，推动汽车产业绿色低碳转型对于缓解国家碳减排压力具有重要意义。

第二，全球新能源汽车市场逆势增长，推动汽车电动化转型已成为全球主要国家的共同选择。在碳中和政策框架下，多个国家加速交通领域零排放或低碳化转型，把新能源汽车产业作为绿色低碳发展和实现经济复苏的主要驱动力，并制定积极的支持政策促进新能源汽车市场的快速发展。同时许多国家也设定了汽车电动化目标，如：美国计划到2030年，零排放汽车占新车总销量的50%；欧盟提出2035年实现新注册乘用车及轻型商用车100%零排放。在政策及行业的有力推动下，2022年1～9月，我国新能源汽车销量达到456.7万辆，同比增长1.1倍，市场占有率达到23.5%，产业步入了规模化快速发展的新阶段。

第三，汽车企业纷纷发布碳中和计划和电动化目标，并加快低碳技术研发进程。宝马、戴姆勒、大众等多家跨国车企先后公布了各自碳中和时间表或减碳计划，如宝马提出到2025年，在中国销售的汽车25%是纯电动车型。同时，中国车企也纷纷提出应对“双碳目标”的计划，东风汽车、长城汽车、比亚迪等汽车企业先后制定了碳中和计划和电动化目标。比如，长城汽车制定了“2025年80%是新能源汽车”的电动化目标，2045年实现碳中和；2022年4月，比亚迪官方宣布，自2022年3月起停止燃油汽车生产，未来专注于纯电动和插电式混合动力汽车业务。

2 国内外研究现状

国外研究成果[1-2]表明，生命周期评价法（Life Cycle Assessment，LCA）是一种从整个生命周期的视角分析某种产品或某项工艺过程直接和间接环境影响的评价方法。生命周期评价又称从“摇篮（Cradle）”到“坟墓（Grave）”的分析方法[3]。“摇篮”是指产品生命开始时从自然界得到所需原材料的过程，“坟墓”是指产品生命终结后的报废处理和回收利用过程。生命周期研究过程从原材料获取开始，经过生产加工、运输、使用环节，直到最后产品生命末端的报废与回收，追踪每个阶段的能源消耗和环境排放，进而分析整个生命周期的环境影响。

国内许多研究人员利用生命周期评价法对传统汽车和新能源汽车的碳排放水平进行比较分析，比如，刘江鹏[4]采用车用燃料生命周期分析法，在综合考虑我国电力构成的基础上，对纯电动汽车、混合动力汽车、传统燃油汽车的碳减排进行量化分析；陈思敏[5]构建轻型汽油车和电动车车辆周期的能耗和环境排放分析模型，并根据一定假设条件和政策前提建立分析情景；陈理[6]对混合动力汽车比亚迪宋DM、纯电动汽车比亚迪宋EV400、传统燃油车比亚迪宋燃油版进行全生命周期能耗及主要大气污染物排放情况进行分析。

可见，生命周期评价法在汽车领域的应用很多，但是仍存在以下3个问题：

（1）汽车产品燃料周期的研究成果较多，全面覆盖燃料周期和车辆周期的研究成果较少；

（2）大多研究成果仅针对两到三种动力类型产品进行碳排放评价；

（3）不同技术路线汽车产品的减碳重点有待明确。

综上，需要构建以汽车产品整个生命周期作为研究对象，对直接和间接的碳排放情况进行全面评价，避免出现环境负担转移。本文将选取不同技术路线下的可比车型对其全生命周期的碳排放情况进行建模分析，进而识别不同技术路线车型的碳减排关键环节。

3 建模评价

3.1 研究方法

本文基于LCA理论，围绕汽车产品全生命周期的每个阶段，开展产品层面的碳足迹核算。汽车产品生命周期包括燃料周期和车辆周期，其中车辆周期包括原材料开采、材料冶炼、零部件生产制造、整车生产制造、车辆行驶、报废回收阶段，燃料周期包括燃料生产（Well to Pump，WTP）和燃料使用（Pump to Wheel，PTW）阶段，见图1。

考虑输入数据的可获取程度，本文车型层面的碳排放量计算模型只考虑燃料生产（WTP）、燃料使用（PTW）、原材料获取、整车生产制造4个阶段，其它阶段在后续研究中再扩充，相关计算公式详见文献[7]。

3.2 研究对象

本文综合考虑汽车市场发展现状和未来趋势，重点研究汽油车（Internal Combustion Engine Vehicle，ICEV）、普通混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）、插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）、纯电动汽车（Battery Electric Vehicle，BEV）、燃料电池汽车（Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV）这5种技术路线产品的碳排放量对比。兼顾车型脚印面积相近、技术水平先进、车系尽量统一的原则选取乘用车市场2组代表车型作为研究对象，车型参数详见表1、表2。

表1 第1组代表车型主要参数

表2 第2组代表车型主要参数

3.3 碳排放评价

各技术路线产品生命周期总体碳排放量表现为ICEV＞HEV＞PHEV＞BEV。如图2所示，针对第1组车型的评价结果显示，ICEV碳排放量最高，CO2达到186 g/km；由于油耗水平更低，HEV碳排放量比ICEV降低了23%，CO2达到143 g/km；PHEV燃料周期的碳排放量略低于HEV，动力电池带来一定的碳排放量增加，总CO2排放量为131 g/km；BEV的CO2排放量仅为112 g/km，比ICEV降低了40%，可见当前乃至未来，BEV都是汽车低碳发展最重要的技术路线之一。

（1）ICEV和HEV：汽油燃烧引起的碳排放较大

ICEV和HEV在燃料使用阶段的CO2排放量分别为133 g/km和97 g/km，占整个生命周期的70%左右；如图3所示，随着车型电动化程度的增加，燃料生命周期碳排放量逐渐减小，PHEV燃料使用阶段碳排放降低至47 g/km，燃料周期总体碳排放量低于ICEV和HEV；BEV在运行阶段碳排放实现零排放，在全国平均电力水平下，BEV已经呈现出明显的减碳优势，燃料生命周期碳排放量比ICEV低60%，未来在电网清洁化的作用下，BEV减碳优势还将逐渐扩大。

（2）PHEV：碳排放量与用户使用特征密切相关

考虑PHEV典型使用特征，在全国平均电网结构的作用下，PHEV的碳排放量略低于HEV，减排效果不明显。然而在充电设施较为普及的区域，用户充电频率增加，纯电利用系数（UF）将提升，PHEV的减碳优势将逐渐扩大。具体来看，UF每提升10%，PHEV生命周期CO2排放量将减少4 g/km，当UF达到90%时，PHEV的CO2排放量仅为116 g/km（图4），比HEV降低19%，几乎与同级别BEV相当。可见，PHEV总体碳排放量与用户的实际使用特征密切相关。

（3）BEV：动力电池原材料获取阶段碳排放贡献大

不同技术路线车型在传统部件原材料获取阶段、整车生产制造阶段的碳排放量相差并不大，然而由于动力电池中镍、钴、锰、锂等金属元素的开采、提取等工序的资源消耗较高、对环境带来的影响较大，所以会直接导致BEV车辆生命周期的碳排放量增加[8]。经测算，BEV动力电池原材料获取阶段碳排放量在BEV车辆生命周期占比高达49%，占BEV生命周期周期总体碳排放量的20%左右，如图5所示。

（4）FCEV：制氢方式决定生命周期是否低碳

目前，我国氢能市场还处于导入期，氢气的制取主要有3种技术路线[9]：一是以煤炭、天然气为代表的化石能源重整制氢，二是以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产气制氢，三是可再生能源制氢。氢燃料电池汽车能够在运行阶段实现零排放、无污染，在制氢环节产生的间接碳排放量是氢燃料电池汽车生命周期碳减排的重要工作。在不同制氢方式下，氢燃料电池汽车生命周期碳排放量差异较大。针对第2组车型的评价结果显示，在当前电网结构下，采用电网制氢的FCEV生命周期总体碳排放量比同车系ICEV产品增加40%；采用氯碱副产氢的FCEV总体碳排放量比同车系ICEV产品降低25%；而采用绿电制氢的FCEV总体碳排放量仅为59 g/km，燃料周期碳排放量降至0，如图6所示。

4 发展建议

在双碳战略的推动下，汽车产品技术路线进入多元化发展时代，而技术创新是汽车产品实现低碳转型的重要基石。本文基于对不同技术路线产品生命周期碳排放水平的分析，从技术创新角度对汽车产品生命周期减碳提出5点建议。

（1）加快发展传统能源汽车节能技术，不断提升燃料经济性水平

传统能源汽车在未来相当长的一段时间内仍将是市场主流，发展传统车节能技术对汽车产业整体节能减排有重要意义。建议以动力总成优化升级为重点，加速推进高效燃烧、先进控制余热回收等技术研发应用；开发基于内燃机、电机、电池混合动力装置系统智能控制、能量分配和管理技术，突破关键零部件技术，开发智能燃料喷射系统、高效增压和电动增压及关键传感器[10]。以汽油机作为轻型车用混合动力为例，未来通过稀燃、压燃等节能技术，有效热效率仍有20%～30%的提升空间[11]。

（2）加快推进动力电池材料、工艺、生产、回收各环节低碳化，减少对环境带来的影响

动力电池是影响纯电动汽车碳排放的关键部件，涉及上游锂矿石、正负极材料、电池包、模组等环节碳排放。建议加快无钴动力电池和固液混合电池等共性关键技术的研发，布局新体系动力电池、全固态金属锂电池等前沿技术，开展正负极、电解液、隔膜等动力电池材料关键核心技术研究。通过改进锂电池正负极材料、电池结构、生产制造工艺，优化提升电池的功率密度和能量密度，实现动力电池绿色水平的提高和耗材的减少，进而减少纯电动汽车生命周期碳排放。此外，选择合适的工厂地理位置，加大生产环节清洁能源供给，完善电池回收利用体系，对废旧电池进行材料回收和梯次利用，也是助力动力电池减碳、脱碳的重要举措。

（3）扩大车用清洁能源使用比例，加快低碳燃料、零碳燃料研发和应用

从整个生命周期来看，电网清洁程度是纯电动汽车碳排放的关键影响因素，车用氢能制取方式是燃料电池汽车碳排放的关键影响因素。建议加快水电、风电、太阳能、生物质等可再生能源发电的开发和利用，推动我国电力生产结构清洁化转型。加快氢能“制、储、输、用”技术的进步，推动氢气生产结构将从传统化石能源为主向以可再生能源为主转变，加快构建水电解制氢、光伏制氢、风电制氢、核能制氢等清洁氢能供应体系。同时，加快替代燃料、生物质燃料、可再生合成燃料的燃烧、供给、后处理等技术研究和推广应用[10]。

（4）提升车用材料绿色化水平，推动车用材料再生资源循环利用

车用材料低碳化不仅能促进材料工业碳排放降低，还可以在材料与汽车行业协同降碳中发挥一定作用，进而减少汽车产品生命周期碳排放。通过选用低碳环保原材料、提高可再生资源和清洁能源使用比例、改进生产设备以及流程降碳、工艺降碳，不断提升车用材料绿色化水平。同时加快构建汽车绿色供应链体系构建完备，提升汽车可回收利用率和重点部件的再生原料利用比例，推动车用材料再生资源循环利用。国内研究文献[12-13]显示，废钢作为铁矿石的替代原料，每使用1 t废钢可节约标准煤0.35 t，减少CO2排放1.6 t；每回收利用1 kg废塑料，相当于减少使用2～3 kg原油，可使炼制乙烯环节CO2排放量减少50%。

（5）开发先进工艺及节能技术，加快生产制造绿色低碳转型

在汽车产品整个生命周期中，整车和零部件生产制造阶段的碳排放量占比并不高，不过减少生产制造碳排放是汽车企业实现碳中和的重要路径。应提高可再生能源应用比重，深入实施绿色制造工程，完善绿色制造体系，建设绿色工厂和绿色工业园区[14]。从近期来看，建议汽车企业以绿色工厂为目标，通过提高产能利用率、改进生产工艺、采用清洁能源替代等路径减少生产环节中的碳排放；从远期来看[15]，通过推动低碳技术的研发、加强产业供应链管理、提升智能制造水平等路径实现汽车产品低碳发展。