电动汽车全生命周期碳排放

图1 LCA思想框架图

Fig. 1 LCA thought frame diagram

LCA的实施步骤包括目标和范围确定、清单分析、影响评价和结果分析四个部分。图2为LCA实施步骤图。

图2

图2 LCA实施步骤图

Fig. 2 LCA implementation steps

2 目标和范围确定

本研究的对象为电动汽车全生命周期的碳排放规律及影响碳排放的关键因素。数据清单为电动汽车全生命周期中物质与能源输入，评价对象为电动汽车生命周期中的碳排放量。

依据汽车全生命周期中不同环节将其分为材料获取、整车生产、使用和回收再利用四个阶段。材料获取阶段指从矿山资源到车用材料，再到车用部件的生产过程；整车生产阶段是指整车生产中冲压、焊接、喷涂及总装过程；使用阶段是指汽车投入使用到汽车报废的过程，包括汽车维护；汽车回收再利用阶段是指汽车报废后按照一定工艺对车体和动力电池回收，并投入下一次循环利用的过程。图3为汽车全生命周期的碳排放系统边界。

图3

图3 汽车全生命周期碳排放系统边界

Fig. 3 Boundary of carbon emission system in the whole life cycle of automobile

3 单车碳排放模型

电动汽车全生命周期总碳排放量为四个阶段的碳排放量的和，图4为电动汽车碳排放量计算流程图，其碳排计算模型如下：

图4

图4 碳排放量计算流程图

Fig. 4 Flow chart of carbon emission calculation

C_{t} = C_{M A} + C_{V M} + C_{U S E} + C_{R E C}

(1)

其中， $C_{t}$ 为全生命周期的碳排放量，单位kg(CO₂)； $C_{M A}$ 、 $C_{V M}$ 、 $C_{U S E}$ 和 $C_{R E C}$ 分别为材料获取、整车生产、使用和回收再利用阶段碳排放量，单位kg(CO₂)。

3.1　材料获取阶段碳排放计算模型

汽车原材料主要有钢、铁、铝、铜、镁、玻璃、塑料、橡胶、车用液体等。材料获取阶段的系统边界为从原材料获取到汽车零部件的制造，本阶段的碳排放来自材料获取过程中能源使用产生的碳排放。本研究采用排放因子法建立碳排放矩阵，该方法易于计算单个部件碳排放量和单种材料的碳排放量，便于本阶段碳排放关键因素的识别。设整车由 $n$ 个部件组成，使用 $d$ 种材料，建立质量矩阵 ${(m_{i j})}_{n \times d}$ 和材料碳排放因子矩阵。本阶段碳排放矩阵为：

{(C_{i j})}_{n \times d} = {(m_{i j})}_{n \times d} \times k_{C}

(2)

其中， $n$ 指部件； $d$ 指材料； $C_{i j}$ 指第 $i$ 个部件中材料j的碳排放量； $m_{i j}$ 指第i个部件中材料j的质量，单位kg； $k_{C} = d i g \{k_{1}, k_{2}, \dots, k_{d}\}$ ， $k_{d}$ 为第 $d$ 种材料对应的碳排放因子，单位kg(CO₂)/kg。

本阶段碳排放量 $C_{M A}$ 、部件 $n$ 碳排放量 $C_{n}$ 及整车中材料 $d$ 碳排放量 $C_{d}$ 计算方法如下：

C_{M A} = \sum_{i = 1}^{n} \sum_{j = 1}^{d} C_{i j}

(3)

C_{n} = \sum_{j = 1}^{d} C_{n j}

(4)

C_{d} = \sum_{i = 1}^{n} C_{i d}

(5)

3.2　整车生产阶段碳排放计算模型

整车生产由多个独立的工序组成。本阶段碳排放来自整车生产过程中能源使用直接排放和电能的间接排放。对整机厂整年冲压、焊装、涂装、总装及动力泵房的实际耗能进行统计，间接计算单车生产的碳排放量，以年度为周期便于统计，降低单车碳排放计算误差。

设整车生产有 $m$ 个工艺环节，使用了 $f$ 种能源，建立耗能矩阵 ${(e_{i j})}_{m \times f}$ 和能源的碳排放因子矩阵。本阶段碳排放矩阵为：

{(C_{i j})}_{m \times f} = {(e_{i j})}_{m \times f} \times k_{f}

(6)

其中， $C_{i j}$ 指第 $i$ 个工艺环节使用第 $j$ 种能源的碳排放量； $e_{i j}$ 指第 $i$ 个工艺中 $j$ 种能源或燃料的使用量，单位kg/(m³·kWh)； $k_{F} = d i g \{k_{1}, k_{2}, \dots, k_{f}\}$ ， $k_{f}$ 指第 $f$ 种能源获取和使用的碳排放因子，单位为kg(CO₂)/[kg/(m³·kWh)]。

本阶段单车碳排放量 $C_{V M}$ 、第 $m$ 个工艺单车碳排放量 $C_{m}$ 及第 $f$ 种能源碳排放量 $C_{f}$ 计算方法如下：

C_{V M} = \sum_{i = 1}^{m} \sum_{j = 1}^{f} C_{i j} / N

(7)

C_{m} = \sum_{j = 1}^{f} C_{m j} / N

(8)

C_{f} = \sum_{i = 1}^{m} C_{i f} / N

(9)

$N$ 为整年中生产的合格汽车数量，单位为辆。

3.3　使用阶段碳排放计算模型

汽车使用阶段碳排放源于汽车使用过程中电能消耗和维护保养投入的实物材料。计算公式：

C_{U S E} = C_{F P} + C_{A M}

(10)

$C_{F P}$ 为汽车全生命周期能源使用的碳排放量，单位kg(CO₂)； $C_{A M}$ 为使用过程中维护保养对应的碳排放量，单位kg(CO₂)，主要包含轮胎和车用液体的更换。电动汽车的主要能源为电能，在使用阶段的碳排放为零，碳排放来自电能的生产，再考虑动力电池的充电效率，碳排放计算模型：

C_{F P} = \frac{(F C \times \frac{L}{100})}{μ} \times k

(11)

$F C$ 为百公里电能消耗量，kWh/100 km； $L$ 为汽车全生命周期的行驶里程，单位km； $μ$ 为动力电池充电效率； $k$ 为电能生产的碳排放因子，单位kg(CO₂)/kg。

C_{A M} = \sum m_{i} \times k_{i}

(12)

$m_{i}$ 指轮胎和车用液体等使用阶段汽车保养替换材料 $i$ 的质量，单位kg； $k_{i}$ 为对应材料 $i$ 的碳排放因子，单位kg(CO₂)/kg。

3.4　回收再利用阶段碳排放计算模型

电动汽车的报废回收需要经过拆卸、清洗和分类等机械处理后，对分离出铜、铝、钢等金属进行冶炼回收，从而变成新的原材料；动力电池根据其类型采用相应回收工艺进行回收再利用；对塑料、玻璃及橡胶等通过熔融重塑等工艺再次投入使用。在金属和非金属回收处理中通常采用高温熔融重铸技术，本阶段的碳排放主要源于燃料使用和电能。

假设回收材料种类为 $r$ ，回收材料过程中使用能源种类为 $t$ ，建立能源矩阵 ${(e_{i j})}_{r \times t}$ 和材料碳排放因子 $k_{R}$ 。本阶段回收单位材料碳排放矩阵：

{(K_{i j})}_{r \times t} = {(e_{i j})}_{r \times t} \times k_{R}

(13)

式中， $K_{i j}$ 指回收第 $i$ 种材料消耗第 $j$ 种能源的碳排放量， $e_{i j}$ 指回收第 $i$ 种材料消耗第 $j$ 种能源的量， $k_{R} = d i g \{k_{1}, k_{2}, \dots, k_{r}\}$ ， $k_{r}$ 为汽车第 $r$ 种能源获取和使用的碳排放因子，单位为kg(CO₂)/kg。

本阶段碳排放量 $C_{V M}$ 、第 $r$ 种材料回收的碳排放量 $C_{r}$ 及第 $t$ 种能源碳排放量 $C_{t}$ 计算方法如下：

C_{V M} = \sum_{j = 1}^{r} \sum_{i = 1}^{t} K_{j i}

(14)

C_{r} = \sum_{i = 1}^{t} K_{r i}

(15)

C_{t} = \sum_{i = 1}^{r} K_{i t}

(16)

3.5　单车碳排放计算模型

将碳排矩阵表达式统一格式，四阶段碳排放矩阵：

{(C_{k i j})}_{r \times t} = {(e_{i j})}_{r \times t} \times K_{d}

(17)

$C_{k i j}$ 中 $k$ 取值1～4，分别代表4个阶段的碳排放量，( $C_{k i j}$ )为 $k$ 阶段的碳排放矩阵， ${(e_{i j})}_{r \times t}$ 与 $k$ 对应的质量矩阵/能源消耗矩阵， $K_{d}$ 为碳排放因子的对角矩阵。

单车碳排放计算模型为

C = \sum_{k = 1}^{4} (K_{k} ∙ \sum_{j = 1}^{r} \sum_{i = 1}^{t} C_{k i j})

(18)

$K_{k}$ 表示不同阶段计算单车碳排放量的系数，材料获取阶段 $K_{1} = 1$ ，整车生产阶段 $K_{2} = 1 / N$ ，使用阶段电能使用 $K_{3} = (F C \times L / 100) / μ$ ，使用阶段维保 $K_{3}^{'} = 1$ ，回收阶段 $K_{4} = 1$ 。

4 清单分析

比亚迪E6是我国投产较早的电动汽车之一，市场占有率大，且汽车全生命周期完整，数据充分，对我国电动汽车碳排放规律和碳排放影响因素的研究具有重要借鉴意义。以图3所示的电动汽车全生命周期碳排放边界确定比亚迪E6物质输入和能源消耗量清单。

4.1　材料获取阶段碳排放计算

比亚迪E6整车由动力电池、驱动电机、电控系统、变速器、车身、底盘、轮胎及车用液体等组成，装备质量为2380 kg，部件质量清单见文献[13]。材料碳排放因子见文献[14-15]。

由公式(3)计算得到材料获取阶段碳排放量为13084.19 kg。图5为不同部件的碳排放量，如碳排放主要源于动力电池，占比达到45.6%，其次是车身、电机底盘等。不同材料的碳排放量见图6，铝材料获取中碳排放最大，占比为38.9%，其次是钢，占比为20.78%。铝材料在获取过程中碳排放系数较高，钢在整车中质量占比最大。

图5

图5 不同部件碳排放量

Fig. 5 Carbon emissions of different components

图6

图6 不同材料碳排放量

Fig. 6 Carbon emissions of different materials

4.2　整车生产阶段碳排放计算

由于缺乏比亚迪E6在整车制造阶段的实测数据，根据文献[11, 16-18]对国内整车生产的实测数据分析，不同企业在整车生产的不同环节碳排放量不同，但规律一致，不同企业整车生产中各环节碳排放比例如图7所示，涂装工艺环节碳排放占比最大，占比达到38%～50%。企业使用的压缩空气通过电能产生，将压缩空气能转为电力进行碳排放计算，图8为不同回收技术能耗及再利用碳排放核减量，不同企业整车生产环节耗能中电力占比高达97%以上。整车生产碳排放因子采用缺省值550 kg/车计算^[14]。

图7

图7 整车生产中碳排放比例

Fig. 7 Proportion of carbon emission in vehicle

图8

图8 整车生产中不同能源碳排放比例

Fig. 8 Carbon emission ratio of different energy sources in vehicle production

4.3　使用阶段碳排放计算

比亚迪E6动力电池额定容量为60 kWh，充放电次数能达到2000次以上，充、放电效率为90%、85%^[19]。按照国内平均续航里程260 km计算，百公里耗能为23.08 kWh，理论上行驶耗电能对应331168.83 km。使用阶段按照总里程200000 km计算，碳排放量为32004.27 kg。使用阶段维护保养物质清单见表1，碳排放量为605.72 kg。由公式(10)计算得使用阶段总碳总排放量为32609.99 kg。由2021年中电力结构数据得到2021年我国电力碳排放因子为0.624 kg(CO₂)/kg。

表1 电动汽车使用维护保养物质清单

Table 1 List of use and maintenance of electric vehicles

名称	质量/kg	更换次数/次
轮胎	80	2
刹车液	1.07	2
润滑油	0.99	2
冷却液	8.48	2
玻璃清洗液体	3.22	2
制冷剂	1.98	2

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4.4　回收再利用阶段碳排放计算

电动汽车报废后进入回收再利用阶段，再利用的主要材料有金属、动力电池、塑料和玻璃^[20-22]。本研究对回收后再用于汽车再制造的金属和动力电池的回收碳排放进行计算。金属回收主要通过冶炼的形式进行再利用，表2为金属材料清单及碳排放因子，消耗能源对应碳排放量859.59 kg，金属材料再利用碳排放核减4227.34 kg。

表2 比亚迪E6回收利用的金属材料清单及碳排放因子

Table 2 List of recycled metal materials and carbon emission factors of BYD E6

名称^①	质量/kg	回收效率	耗能/(kg·m³/kg)		碳排放因子^②/[kg(CO₂)/kg]	材料获取碳排放因子^③/[kg(CO₂)/kg]
钢	1136.6	85%	天然气	0.0066	2.8	2.458
钢	1136.6	85%	电力	1.176	0.624	2.458
铁	32.2	80%	煤	0.313	1.87	2.05
铁	32.2	80%	电力	0.622	0.624	2.05
铝	112.54	85%	天然气	0.047	2.8	16.4
铝	112.54	85%	电力	0.2211	0.624	16.4
铜	55.54	90%	电力	2.65	0.624	4.1

注：①金属回收材料中不含动力电池中金属质量；②碳排放因子为回收阶段消耗能源对应碳排放因子；③材料获取的碳排放因子是指材料从矿山开采到冶炼精制阶段的碳排放因子。

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动力电池采用不同的回收技术，回收率以及耗能不同，目前磷酸铁锂电池回收再生利用主要技术有梯次利用、湿法回收和全组分“物理法”，表3为不同回收技术的回收率及耗能^[23]。图7为不同回收技术能耗及再利用碳排放核减量。动力电池采用梯次利用技术，消耗能源对应碳排放量84.99 kg，回收再利用抵消材料获取阶段碳排放量5994.06 kg；采用全组分“物理法”技术，消耗能源对应碳排放量1366.56 kg，回收再利用抵消材料获取阶段碳排放量5098.95 kg；采用全组分“湿法回收”技术，消耗能源对应碳排放量5.71 kg，回收再利用抵消材料获取阶段碳排放量84.36 kg。

表3 磷酸铁锂电池回收能耗及碳排放因子

Table 3 Recovery energy consumption and carbon emission factor of lithium iron phosphate battery

名称

回收耗能^①

/(kWh·m³/kWh)

碳排放因子^②

/[kg(CO₂)/kg]

再生产品生产阶段抵消比例^[23]

梯次利用

电力

2.27

0.624

96.63%

湿法回收

天然气

0.034

2.8

1.36%

全组分“物理法”

电力

36.5

0.624

82.2%

注：①回收耗能指的是容量为1 kWh的磷酸铁锂电池系统回收过程的耗能，本工作中采用E6搭载动力电池容量为60 kWh；②回收环节存在其他试剂的使用引起的碳排放，但因为数据不足，且排放量占比小，本工作中只统计了能源消耗引起的碳排放。

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5 数据分析

比亚迪E6全生命周期中碳排放量计算，不考虑回收再利用阶段碳排放量为46244.18 kg。考虑回收再利用阶段时，不同回收技术对应碳排放量如图9所示，动力电池采用梯次利用技术碳排放量为36967.36 kg，采用全组分“物理法”技术碳排放量为39331.88 kg，采用“湿法回收”技术碳排放量为41938.19 kg。

图9

图9 不同回收技术对应全生命周期碳排放量

Fig. 9 Carbon emissions of different recovery technologies corresponding to the whole life cycle

（1）不考虑回收阶段，使用阶段碳排放占比最大为70.5%，材料获取阶段碳排放量占比28.3%，整车生产阶段碳排放占比为1.2%。考虑回收阶段碳排放核减时，回收再利用阶段动力电池采用梯次利用技术，全生命周期碳排放量最小。使用阶段碳排放量占比88.4%；材料获取阶段碳排放量占比7.8%；整车生产阶段碳排量占比1.5%，回收再利用阶段耗能碳排放占比2.3%，材料再利用可对材料获取阶段的碳排放进行核减，产生正向效益。

（2）回收再利用阶段，动力电池采用梯次利用技术碳排放核减量最大，核减量占全生命周期碳排放量的22.1%。

（3）不考虑回收再利用，在材料获取阶段动力电池碳排放量占比最大，占比为47.4%；采用梯次利用技术材料获取阶段碳排放占比为7.3%。图10为回收再利用碳排放核减后不同部件碳排放量，车身、电机、电控和底盘等部件为主要碳排放源。图11为回收再利用碳排放核减后不同材料碳排放量，铝、钢等材料的碳排放占比降为10.0%、14.7%，碳排放主要来自塑料。

图10

图10 回收再利用碳排放核减后部件碳排放量

Fig. 10 Carbon emission of components after recycling and carbon emission reduction

图11

图11 回收再利用碳排放核减后材料碳排放量

Fig. 11 Carbon emission of materials after recycling and carbon emission reduction

（4）不考虑材料获取阶段电力的使用，其他三阶段电力的使用引起的碳排放量占全生命周期碳排放量的72%。不同电力结构用碳排放量见图12，按照我国电力结构的发展规划^[24]，到2030年，电源清洁能源达到67.5%，其他条件不变的条件下，电力碳排放系数为0.31 kg(CO₂)/kWh，单车全生命周期碳排放量为20178.91 kg，碳排放量是2021年数据的54.6%；2060年，电源清洁能源占比达到96%，碳排放系数为0.07(CO₂)/kWh，单车全生命周期碳排放量为7489.85 kg，碳排放量是2021年数据的20.3%。

图12

图12 不同电力结构对应全生命周期碳排放量

Fig. 12 Carbon emissions in the whole life cycle corresponding to different power

6 结论

本研究采用碳排放因子法建立基于我国实际的电动汽车全生命周期碳排放模型，应用LCA方法以比亚迪E6为例分析了电动汽车全生命周期碳排放量规律和影响碳排放的关键因素，得到以下结论。

（1）电动汽车全生命周期中使用阶段碳排放量占比最大，占比高达88.4%，其次是材料获取阶段碳排放量，占比为7.8%，整车制造阶段碳排放占比1.5%，回收再利用阶段碳净排放量为负值，能有效地对材料获取阶段碳排放量进行核减，产生正效益。

（2）回收再利用阶段，不同回收技术的回收率和再利用率是影响碳排放量的关键。动力电池采用梯次利用技术时，再利用率最高、碳排放核减量最大，核减量占全生命周期碳排放量的22.1%。考虑回收再利用的碳排放核减，材料获取阶段碳排放量占比为7.8%，下降20.5%，碳排放量最大的部件是车身，排放量最大的材料是塑料。

（3）电力结构当电力结构中清洁能源发电比例达到67.5%时，电动汽车单车碳排放量是2021年碳排放量的54.6%，下降48.4%，当清洁能源比例达到96%时，电动汽车单车碳排放量是2021年碳排放量的20.3%，下降79.7%.

本研究提出一种电动汽车全生命周期碳排放量计算模型，该模型可计算电动汽车各阶段的碳排放量，能识别影响碳排放的关键因素，为电动汽车的碳排放提供了一种新的方法。通过对比亚迪E6碳排放计算，得到电动汽车全生命周期碳排放规律，并得出提高回收率、加强动力电池梯次利用技术的应用和提高电力结构中清洁能源比例是电动汽车碳减排重要路径，为政府制定交通领域减排政策、行业技术改进提供了科学依据。

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