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生命周期评价方法在汽车上的应用

汽车制造装备网 http://www.autohy.com 2019-08-24 12:47 出处:中国汽车装备网 编辑:@AUTOHY
汽车污染已成为全球性的问题,开发节能环保汽车以减少对环境的污染,是当今世界汽车产业发展的趋势。节能环保仅仅体现在汽车的使用过程是远远不够的,必须对汽车的原材料、生产、使用、销毁和再生等各个阶段实施全面控制。为达上述目的,本文引入了生命周期评价(Life Cycle Assessment,简称LCA)这个方法。针对这种方法在汽车领域的运用特点和作用进行了全面的阐述,并通过奔驰、丰田等著名车企应用情况对LCA的运用前景进行分析。LCA能从汽车生产源头至报废回收等全生命周期各个阶段进行有效的环境评价及管控,为汽车企业开发环保节能车型提供支持。

0 引言

LCA研究开始的标志是1969年由美国中西部资源研究所(MRI)开展的,针对可口可乐公司饮料包装瓶的研究。该研究从最初的原材料采掘到最终的废弃物处理,进行全过程的跟踪与定量分析。定量化的对比分析塑料瓶和玻璃瓶全生命周期的资源使用和环境排放情况,通过比较两种方案的环境友好情况,肯定了塑料瓶的优越性。

经过近30年的发展,国际标准化组织(简称ISO)开始起草ISO14000国际标准,正式将生命周期评价纳入该体系。我国针对该标准采用同等转化的原则,现已颁布了两项国家标准:GB/T24040、GB/T24041。

20世纪90年代开始,由于西方国家逐渐认识到汽车对环境的污染,一些著名汽车集团,如德国大众、美国通用、瑞典沃尔沃等纷纷在ISO14000系列标准的框架下,对整车或零部件开展LCA,以支持企业的环境管理及生态汽车的开发与设计。国际汽车产业界已将LCA视为21世纪企业市场竞争和树立企业形象的长期战略。

过去几年,中国汽车产业已逐渐成为全球最大的汽车市场,汽车带来的环境污染也日益严重,国内针对汽车环境影响的政策和法规也不断加严。2015年,国家认监委发布《汽车产品生态设计评价实施规则》并将零部件LCA作为一个重要的加分报告;同年7月,中国汽车技术中心正式启动中国生态汽车评价(简称:C-ECAP),零部件LCA报告也作为其中一项加分项。LCA在国内汽车行业上引起极大的关注。

1 LCA开展方法概述

根据ISO14000系列标准的定义,LCA是对一个产品或系统的生命周期中输入、输出及潜在环境影响的汇编和评价,如图一所示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、结果解释。完整的LCA过程是一个循环往复的过程且每一个过程均要进行结果解释(如图一)。

生命周期评价方法在汽车上的应用

图一

1.1 目的与范围的制定

清楚地说明开展此项生命周期评价活动的目的和原因,以及研究结果可能应用的领域;研究范围的确定要服务于研究目的,确定系统边界、数据质量要求,明确指出限制和假设。

需要特别说明的是,目标和范围的制定不是为了引导生命周期评价的结果,而是为了在生命周期评价活动中考量对研究者有意义且重要的研究内容,舍去其中一部分关联不大的内容,毕竟一个完整的生命周期评价活动可考量的研究内容实在是无穷无尽的。

1.2 清单分析

量化所研究的对象全生命周期阶段的资源、能量的使用,以及废弃物的排放的过程。这个过程必须以确定的数据进行客观量化。

一种产品的生命周期评价将涉及到其组成的每个部件的所有生命阶段,包括从自然界获取的原材料和能源(如金属矿石、太阳能等)到加工过程中的各类中间产品直至最后的成品。这所有的数据均需要在此过程完成,因此我们只有不断积累生命周期评价经验和数据,才能不断缩减我们进行生命周期评价活动的难度和时间。

1.3 影响评价

根据上一阶段的结果定性、定量地表征产品的物质、能量交换对外部环境的影响。目前,主流的环境影响评价有温室效应、酸化、富营养化、臭氧层损耗、光化学氧化等。

为了更准确、更直接地表达环境影响的结果,国外研究者早已开发了多款生命周期评价软件,用户可根据清单分析的结果在软件上进行建模,模型包括产品从无到有的全过程,并且在每个过程中录入对应的数据,最后软件会自动计算结果并以图表形式呈现给用户。

1.4 结果解释

从全生命周期角度分析产品减少能源消耗、原材料的使用、污染排放的可行性。根据以上三个阶段完成一个产品的生命周期评价,我们可以在定性、定量的分析产品生产的每一个环节带来的能源及原材料消耗、环境影响,这样的结果可以指导工程师不断完善产品设计、工艺流程等,以期达到更好的生命周期评价结果。

2 开展整车LCA的方法

为了实现汽车最高效的环境表现和节约成本,国外车企已经在LCA领域进行了长期的研究,并且已经取得一定的成就。奔驰、大众等德系车企均有专门的LCA部门,本田ECO-VAS系统也在为LCA服务,丰田发布普锐斯车型整车LCA报告。最近几年,国内车企逐步了解到LCA方法,长安、上汽、吉利等车企已开始进行初步研究。

2.1  方法概述

汽车是由成千上万个零部件产品组成,其中大量的零部件是由供应商生产,因此,一辆整车LCA的环境负担需要将供应商联合在一起。然而,获取成千上万家供应商的环境影响需要花费大量的精力和时间。

很多车企都在积极探索如何高效执行整车LCA,普遍的经验便是花费数年执行零部件或总成的LCA,积累具有企业特色的LCA数据库,以便开展整车LCA时可以直接引用相关数据。例如:奔驰汽车在开展第一款整车(C级)LCA时已经花费数年时间进行了100多个零部件的LCA。

2.2  模块化和平台化研究

近些年来,许多车企都在倡导平台化、模块化开发(如图二),这样的开发模式为提高整车LCA效率提供了解决办法。

首先,通过零部件模块化,把零部件进行合并就减少了数量,相应地,也大量减少了数据的收集和分类,一旦各个子模块的数据建立起来,便可以运用到不同产品的LCA中。

其次,通过车型的平台化,属于底盘和传动系统的零部件便会被运用到不同的车型中,同样的,生态数据也会被运用到不同的车型中。

图二展示了简单的整车LCA方法的简要图,整车被分为4个大的系统(车身、内外饰、底盘、传动)并按顺序编码,每一个大的系统下面又分为10-20个子模块(图中仅选取三个模块做简单展示),并按规则排序。对于相同序列的车型,每个系统下面的子模块零部件大部分被通用化,这样减少了零部件LCA的数量;对于同一平台的车型,底盘和传动系统的零部件的生态数据能够被应用到同一平台不同的车型中。最后,只要将每个子模块的LCA汇集成系统的LCA,再将系统的LCA集合起来就可以得到整车的LCA。

生命周期评价方法在汽车上的应用

图二

2.3 建立子模块数据收集机制

首先,建立企业生态数据反馈机制(如图三)。整车企业应该按照执行生命周期评价活动的目的建立数据收集规范或标准流程,保证数据的可靠性;另外,企业还应建立自主的生态数据库,并将数据库的功能融入到规范或流程中。

其次,培养供应商LCA能力,特别是一级供应商。第一级供应商需要对子模块负责,然而它也需要第二、三级供应商来支撑子模块的数据质量,那么一级供应商便会自主的建立二三级供应商的能力。通过层层反馈,建立高效的LCA能力。

图三简要展示了如何建立子模块数据收集机制,整车企业需制定子模块生态数据需求标准(子模块数据库)并要求一级供应商按标准反馈子模块的生态数据,一般将完整的子模块数据分为三类:材料、生产流程、能源。一级供应商完成子模块数据收集的过程也会要求二级甚至三级供应商提供帮助,这样便会建立起供应商层级反馈机制。另外,每个子模块数据在子模块数据库中按上文所述的编码进行归类存档,以方便查询。

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图三

3  结语

LCA方法在国际著名汽车企业已有20多年的应用实践,随着研究的深入,LCA方法的价值也越来越多的体现出来,拓展的应用领域也越来越多,已逐步成为各个车企内部的秘密武器,帮助企业在市场竞争中立于不败之地。

支撑成本管控,通过从摇篮到坟墓的分析,识别对环境影响最大的工艺过程和产品寿命阶段,通过工艺、原材料替代降低能耗、物耗,从而降低产品成本。

比较同类产品环境影响,以环境影响最小化为目标,分析比较某个车型前后代不同的环境影响,可以明确新款车型相比较于老款车型在哪些方面得到了提升。

支撑公司顶层战略决策,通过分析新产品环境影响,也可以支撑企业的投资决策。例如:奔驰、丰田早在数年前就准备启动电动车项目,通过对电动车环境影响分析,发现电动车全生命周期内环境影响比传统燃油车大,最后,奔驰、丰田均暂时搁置了电动车项目。

开展绿色营销,随着人们越来越关注环境保护的话题,LCA报告可以通过向公众公布产品原材料、加工工艺等过程的环境影响,提升公众对产品环境影响的认识,促使公众选择更环保的产品。

参考文献:

[1]Matthias Finkbeiner, Klaus Ruhland, Halil Cetiner and Bruno Stark,Life Cycle Engineering and Design forEnvironment of the Mercedes-Benz C-Class,The Proceedings of the 2001 Environmental Sustainability Conference and Exhibition(P-365).

[2]15014040:Environmental Management Life-cycle Asessment Principles and framework,1997.

[3]Jongbae Ha and Sung K. Min, Tak Hur and Sungjin Kim, Practical Life Cycle Assessment Methodology for a Whole Automobile, Total Life Cycle Conference and Exposition Graz, Austria December 1-3,1998.

 


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精彩评论

willhui 1
写的非常专业
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