环境工程ok

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环境工程

Environmental Engineering

基于生命周期评价的汽车零部件绿色制造+

陈效儒 李 响 董海波 白瑞斌

(宁波诺丁汉大学可持续制造中心汽车零部件低碳制造创新团队，浙江’宁波315100)

摘要：为减少汽车零部件制造的环境影响，根据绿色制造理论内涵和国内汽车行业LCA评价方法，采用本土化环境评

价指标，提出了以零部件生命周期评价为技术主线的绿色制造模式。以汽车座椅轻量化为例，从原材料获取、制造装

配、使用维护直到废弃再生的各个生命周期阶段加以说明，指导产品绿色制造和生态设计。结果显示，材料选取对轻

量化设计和最后环境影响有至关重要的作用；相同材料不同制备方法对轻量化效果无影响，但是对环境有影响。

关键词：生命周期评价；汽车零部件；绿色制造；轻量化

DOI：10．13205／j．hjgc．201512024

GREEN MANUFACTURING oF AUTO PARTS BASED ON LIFE CYCLE ASSESSMENT

Chen Xiaoru Li Xiang Dong Haibo Bai Ruibin

(Innovation Team on Low Carbon Car Parts，Centre for Sustainable Manufacturing．University of

Nottingham Ningbo China，Ningbo 315100，China)

Abstract：In order to reduce the environmental impact of auto par【s manufacturing，this research promoted to adopt the theory

and methods in Green Manufacturing and Life Cycle Assessment in the domestic automobile industry．Using localized

environmental evaluation indexes and life cycle assessment，this paper proposed a model based on business for more

environmental friendly car component production．In a case study of light—weighting automotive seat，four life cycle stages were

illustrated which were raw materials acquisition stage，manufacturing＆assembly stage，use and maintenance stage and end of

product—life stage．The proposed method guided the green manufacturing and ecological design．The results showed that

material selection had a crucial role in the lightweight design and the final environment impact，and the same materials with

different preparation methods had no significant effect on the lightweight design but had an impact on the environment．

Keywords：life cycle assessment；auto pans；green manufacturing；light weight

0 引 言

中国是全球最大的汽车生产国和汽车消费市

场，根据国家统计局的数据，截至201 3年中国私

人汽车拥有量已达到10501．68万辆，成为仅次于

美国的汽车大国。汽车本身是一个装配产品，一

辆车大概有上万个不同的零部件组装而成，汽车

零部件产量与汽车产量同步增长?。中国汽车产

销规模急剧扩大，带动了汽车零部件制造产业的

高速发展。但是在汽车零部件制造产业高速发展

的同时带来了能源、资源枯竭和环境污染等一系

列问题。

+汽车零部件低碳制造技术创新团队(2011881006)。

收稿13期：2015—04—20

1 汽车零部件制造行业发展困局

面对汽车及零部件制造快速发展带来的一系列

环境问题，欧盟早在2000年就发布了2000／53／EC

废汽车指令(ELV)旧o，ELV指令要求对汽车产品中

有毒有害的重金属元素(铅、汞、镉和六价铬)进行禁

用、限用，并且量化了 废汽车及其零部件回收利用

的目标；中国于2006年也颁布了《汽车产品回收利用

技术政策》¨。，提出了汽车产品回收再利用、禁用有

毒有害物质的相关要求。

由于片面追求轻量化设计来节省油耗，大量的碳

纤维轻质材料被使用，在制造阶段消耗大量能源，废

弃后也难以回收再利用H1。企业需要采用科学的方

法，控制零部件产品的整个生命过程对资源和环境的

影响。国内研究学者已从生产模式升级、新材料选

万方数据

监测与评价

Environmental Monitoring&Assessment 117

取、制造工艺改进和废弃回收管理等不同角度进行研

汽车零部件全生命周期角度考虑零部件对环境的影

响，探索通用于汽车零部件制造行业的绿色生产方

法，为我国零部件企业转型升级提供参考。

2传统制造应向绿色制造转变

传统汽车零部件制造，是一种粗放型的生产模

式，只考虑用户对产品功能、性能、质量及成本的要

求，较少考虑到产品制造对环境的影响。现代汽车零

部件制造业要求制造模式从传统到绿色转变，使设计

生产的产品不但满足市场需求，而且满足绿色性能要

求，提高产品国际竞争力。

绿色制造(green manufacturing，GM)，又称环境

意识制造(environmentally conscious manufacturing，

ECM)、面向环境的制造(manufacturing for

environment，MFE)，是一个综合考虑环境影响和资

源消耗的现代制造模式一o。在汽车零部件制造过程

中，绿色制造应是一种兼顾市场需求和环境要求的制

造模式，关注并减少汽车零部件从原材料生产、加工

制造、包装运输、使用维护到废弃回收的各个阶段对

环境造成的负面影响，提高资源利用效率，使企业经

济效益和社会效益协调优化。

汽车零部件传统制造模式与汽车零部件绿色制

造模式如图1、图2所示。

图1传统制造模式

Fig．1 Traditional manufacturing pattern

图2绿色制造模式

Fig．2 Green manufacturing pattern

政策指标规定、绿色消费观念转变、企业社会责

任意识无论从正向和逆向均促使传统制造业向绿色

制造，生态设计形态转变。政策、市场和企业内部机

制的协同作用将引导传统制造模式的单一开放流程

(图1)转向产品生命周期内的反馈闭合回路(图2)。

产品在进人生命周期末端也就是废弃阶段，通过再生

循环、再制造、再使用等一系列处理措施与产品设计、

制造、使用联系起来。汽车行业发达国家案例中，有

国家已经推行 废汽车企业责任制，谁生产谁负责处

理，在法规政策的引导下 废汽车得到有效的处理。

绿色制造模式下，环境影响不再局限于单个阶段的影

响，产品设计环节需要考虑到整个生命周期内的所有

影响。合理量化地评价出总环境影响指标，对于指导

绿色制造和生态设计，有着重要意义。

3 绿色制造基本分析方法——生命周期评价

3．1 生命周期评价的内涵

生命周期评价(1ife cycle assessment)，是指从源

头到终点评估产品对环境的综合影响，又称”摇篮

到坟墓”，是环境影响评估的有效工具，也是实施绿

色制造的支撑技术’1?。汽车零部件生命周期评价

通过确定和评价汽车零部件全生命周期或指定阶

段潜在的环境影响，为汽车零部件绿色制造提供科

学依据。汽车零部件生命周期评价基于全生命周

期概念，通过对零部件产品从原材料的获取、材料

加工、制造装配、存储运输、使用维护到生命末期废

弃再生的整个生命周期内的能源消耗、物质消耗及

废弃物排放数据的搜集与分析，量化及评价零部件

产品潜在的环境影响，改善产品设计方案、工艺过

程或者技术标准等，实现产品的绿色制造。

生命周期思想是一种系统的观点，它的主要目标

是避免潜在环境负荷的转移。生命周期的思维方式

可以解决只关注零部件成品环境友好性的问题，处理

好零部件成品从源头到回收处理整个生命周期过程

对环境的影响。

3．2生命周期评价的实施

作为国家的基础性产业，汽车零部件制造有其自

身的特点。制造阶段直接或间接地消耗种类繁多的

原材料，并且会产生大量的三废排放；整车运行阶段

消耗大量的化石能源，排放的尾气严重污染空气质

量；当汽车达到 废阶段，又面临着繁杂的拆解回收

问题。根据零部件制造特点，零部件的整个生命周期

评价实施框架如图3所示。

生命周期评价实施框架包括ISO 14040：2006规

万方数据

环境工程

Environmental Engineering

图3 生命周期评价实施框架

Fig．3 Implementation framework of life cycle assessment

定的4个基本评价过程?o：定义目标和范围；清单分

析；影响评价；分析阐述。零部件产品生命周期流程

包括原材料获取、制造装配、使用维护和废弃再生

4个阶段；在清单分析阶段，将具体流程分解为与零

部件制造特点相关的基础单元过程，例如电力、化石

能源以及交通运输等。

3．2．1定义目标和范围

汽车零部件生命周期评价的目的是为了分析零

部件产品整个生命周期中资源、能源消耗量和环境排

放量，辨识出改善环境影响的机会和措施，以实现汽

车零部件绿色制造；对于汽车整车制造厂，零部件生

命周期评估 告可以作为绿色采购的参考依据。零

部件生命周期评价的范围是：原材料获取，制造装配，

使用维护，废弃再生。

3．2．2清单分析

清单分析是指对目标系统中的输入和输出数据

进行汇编和量化分析。零部件生命周期各个阶段由

一系列的基础单元过程组成。这些基础单元过程分

为以下几类：电力、化石能源、交通运输、材料、半成

品、使用、末端治理和其他。每个基础单元过程又有

一份详细的清单数据，包含了该单元过程所有的输入

输出基础元素的定量描述。基础元素是指直接从自

然界获取，或者直接排放到自然界的物质。

在零部件的整个生命周期中，基础元素的总量可

以通过以式(1)计算：

m，=∑si×Pi (1)

式中：mi为基础元素，的总量；s。为基础单元过程i的

权重；P。，为单位基础单元过程i所产生的基础元素J

的量。

3．2．3影响评价

影响评价是指对清单分析阶段所识别的环境影

响进行定量或定性的表征评价。影响评价包括：影

响类型、类型参数及特征化模型的选择；生命周期

清单结果的分配；清单数据特征化；指标结果归一

化。汽车零部件产品在整个生命周期上有其自身

的特点：1)生产所需的原材料种类繁多，消耗大量

的不可再生资源；2)产品使用周期长，消耗大量化

石能源；3)整车运行阶段，废气排放量大。因此，

考虑到中国实际情况，选用非生物资源消耗潜值

(ADP)、酸化潜值(AP)、全球变暖潜值(GWP)、氮

氧化物(NO。)和中国化石能源消耗潜值(CADP)指

结果见表1。

表1 环境影响类型及主要环境负荷物

Table 1 Environmental impact type and

main environmental loads

零部件清单数据特征化公式如式(2)所示：

ct=∑厶×mJ (2)

式中：c。为指标k的特征化结果；mj为基础元素J的

总量；厶为基础元素J对应于指标矗的特征化因子。

指标结果归一化公式见式(3)：

s^=Ck／眠 (3)

式中：s。为指标k的归一化结果；c。为指标k的特征

化值；N。为指标k的归一化基准值。

3．2．4分析阐述

根据零部件生命周期评价的目的和范围要求对

环境影响评价结果进行归纳，系统地评估零部件产品

在整个生命周期的绿色性能，寻求消减零部件产品的

能源消耗、原材料使用以及环境排放的机会和方法。

分析的最终目的是为决策者提供相关的产品环境信

息，提出改进产品环境性能的措施和方法，例如新型

材料选择、制造工艺改变、废弃回收管理、新产品设

计等。

万方数据

监测与评价

Environmental Monitoring&Assessment 119

3．3 生命周期评价的应用——汽车座椅轻量化

汽车轻量化是指汽车在造价稳定和保持原有性

能的基础上，有目标地减轻汽车自身的重量，提高汽

车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染¨2。。铝、

镁、钛等轻金属代替钢材是汽车轻量化的首选材料，

也是未来汽车发展的重要方向¨3I。根据国际铝业协

会的 告。14|，乘用车辆质量每减少10％，使用阶段燃

油消耗减少5．7％。但是，衡量一种材料的综合环境

性能，不能仅考虑材料在使用过程中的环境效益，而

忽略了其在加工、制造、废弃等其他阶段造成的环境

影响。

3．3．1 目标和范围的确定

椅作为研究对象，通过不同金属材质汽车座椅的生命

周期评价，探究轻金属铝、镁替代重金属钢的环境效

益，为实现汽车座椅绿色制造提供决策依据。汽车座

椅的整个生命周期如图3所示，研究范围包括原材料

获取、制造装配、使用维护和废弃再生过程。生命周

具选用亿科的eBalance软件¨?。

3．3．2清单分析

1)原材料获取及制造装配阶段。该厂商生产的

座椅材质是钢制的。根据文献[17]所述，铝对钢铁

的替代率为0．55—0．60，镁对钢铁的替代率为0．21～

代率。钢制座椅、铝制座椅以及镁制座椅的材料构成

如表2所示。

表2汽车座椅材料构成

Table 2 Material list of auto seat

制造装配阶段主要是电能消耗。根据文献[18]所

述，单个座椅制造阶段的电能消耗约为100 kW·h。

2)使用维护阶段。按照文献[19]的假设，汽车

总重量1 445 kg，每百公里消耗97号汽油10．6 L，汽

车使用寿命为行驶20万km。假设燃料消耗平均分

布到整车质量，根据文献[20]计算油耗的方法，那么

1个使用周期内1 kg重量的汽车部件消耗燃料数量

为(10．6／100)×(200000／1445)=14．67 L。97号汽

油的密度为0．737 kg／L。钢制、铝制及镁制座椅在完

整使用周期中的汽油消耗量如表3所示。

表3汽车座椅使用阶段汽油消耗量

Table 3 Fuel consumption for auto seat in use phase kg

3)废弃再生阶段。座椅的废弃再生处理包括：

再循环回到生命周期的相应阶段，重用、加工再制造

某些子部件，或者直接回收利用原材料；开环再循环，

拆解熔融子部件，将回收得到的物质作为其他产品生

产的原材料；对于不能回收利用的子部件，选择环境

污染最小的的处理方式，如焚烧、填埋等。

3．3．3影响评价

选取非生物资源消耗潜值(ADP)、酸化潜值

(AP)、全球变暖潜值(GWP)、氮氧化物(NO。)和中国

化石能源消耗潜值(CADP)作为环境影响评价指标，归

一化后作对比分析，如图4所示。可以看出：ADP、

CADP指标值比AP、GWP、NO：指标值大一个数量级，

非生物资源消耗和化石能源消耗影响更加显著；铝、镁

轻金属替代钢材能平均降低非生物资源消耗48．7％，

同时能平均降低化石能源消耗47．2％。

t：钢捌；-铝制；w镁3z4(皮江法)；二镁制(电解法)

图4归一f{二结果对比

Fig．4 Contrast of the normalized results

3．3．4评价结果及阐述分析

作为汽车的组成部分，汽车座椅产生的环境影响

主要是在材料生产阶段、燃烧汽油阶段和废弃阶段。

材料生产阶段消耗大量的金属材料，所以非生物资源

消耗潜值指标值显著。减少金属材质的使用或者提

■2

c：O

O

O

0

O

8

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姆塘杂

万方数据

120

环境工程

Environmental Engineering

高金属的回收率，可以降低非生物资源消耗潜值指标

值。汽车整个生命周期中消耗大量的汽油。汽油消

耗按重量分摊到汽车座椅上，数值也较大。因此，随

着汽车座椅重量的减少，化石能源消耗指标值也呈现

下降趋势。

以钢制座椅为基准，分析图4，比较3种轻量化

方案。镁制(电解法)座椅最优，ADP、AP、CADP、

GWP和NO。指标值分别降低56．6％、36．6％、

55．7％、21．1％、29．7％，质量减少60．19％；镁制(皮

江法)座椅，ADP、CADP指标值分别降低54．2％、

54．7％，质量减少60．19％，但AP、GWP、NO。指标值

反而分别增加7．8％、27．0％、10．3％；铝制座椅

ADP、CADP、GWP、NO。指标值分别降低35．5％、

31．3％、5．9％、2．4％，质量减少34．29％，但AP指标

值增加1．3％。

比较铝制座椅和镁制(皮江法)座椅，铝制比镁

制(皮江法)AP、GWP、NO。分别降低6．1、25．9、11．5

个百分点，ADP、CADP反而分别增加41．1、52．3个百

分点。铝制座椅比镁制(皮江法)座椅产生更少的温

室气体，但是却产生更多的非生物资源消耗和化石能

源消耗影响。

铝、镁(电解法)替代钢能减少温室气体排放，但

是采用皮江法作为炼镁工艺，温室效应反而更加显

著，全球变暖潜值指标特征化后的值如图5所示。镁

制(皮江法)座椅的温室气体排放量超出钢制座椅约

104千克CO：当量。进一步分析不同阶段温室气体

排放量，如图6所示。皮江法生产金属镁排放的温室

气体占其整个生命周期总量的将近60％，已经超过

了汽油燃烧阶段产生的温室气体排放。因此，采用同

种材料不同工艺，其主要污染阶段会随之转移。镁制

(皮江法)座椅污染在材料生产阶段，而镁制(电解

法)座椅污染主要存在于使用阶段。

综上所述，电解法生产的金属镁替代传统钢材质

量更轻，综合环境效益更加明显。

4结语

生命周期评价是一种有效的环境影响评价工具。

例阐述了实现汽车零部件绿色制造的生命周期评价

方法。分析该例可以得出结论：汽车座椅整个生命周

期中，材料生产阶段、汽油燃烧阶段和废弃回收阶段

是主要的污染阶段；铝、镁(电解法)替代钢成为座椅

主材，能实现轻量化设计要求，并降低对环境的负面

轻量化方案

图5 全球变暖的特征化结果对比

Fig．5 Contrast of characterized results about global warming

■ _ ■

巧Z瓣 笏 霾j÷j∥劈i：枣

≯ ∥轻量化方案

晚金属主材生产；。汽油燃烧；-其他。

图6不同阶段温室气体排放量对比

Fig．6 Contrast of greenhouse gas emissions in different life stage

影响；与皮江法炼镁相比，电解法炼镁作为座椅主材，

能达到同样的轻量化程度，但是综合环境效益更加明

显。由此可见，汽车零部件生命周期评价可辨识产品

产生环境影响的阶段和原因，指导选择不同上游材

料、制造工艺和废弃回收管理方法，为决策者提供相

关决策信息。

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(下转第146页)

0

8

6

4

，一芝丑靛蚓疆辕

万方数据

环境工程

146 Environmental Engineering

三峡水库消落区面积巨大，地理位置特殊，形状

狭长、弯曲、多分叉，类型多样，生态系统极为脆弱。

消落区农药的广泛使用，也不可避免地影响了土壤这

一重要自然资源。氯氰菊酯是三峡水库消落区主要

使用的农药之～，研究氯氰菊酯的生物降解有助于解

决其残留物带来的污染问题，为制备菊酯类农药残留

降解剂和控制农产品拟除虫菊酯类农药残留提供科

学依据，同时对三峡库区生态环境保护具有重大意

义。本研究成果可为进一步探索氯氰菊酯的降解机

理提供一定帮助。

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