燃料乙醇生命周期影响评价

第23卷(2005)第3期内燃机学报Transactions of CSICEVol.23(2005)No.3文章编号:1000-0909(2005)03-02580623-041燃料乙醇生命周期影响评价胡志远,楼狄明1,浦耿强2(1.同济大学汽车学院,上海201804;2.上海交通大学机械与动力工程学院,上海200030)摘要:建立了中国燃料乙醇生命周期影响评价模型,并以木薯燃料乙醇为例,对中国燃料乙醇进行了生命周期影响评价。结果表明:在木薯燃料乙醇生命周期过程中,“燃烧/车辆使用”产生的环境影响最大,占整个生命周期的51.82%;其次为“燃料生产”单元,占41.32%;“原料生产”单元仅占6.86%。随着木薯燃料乙醇在汽油中混合比例的增加,其生命周期环境影响总水平值降低。与汽油比较,木薯乙醇产生的环境影响较小。关键词:内燃机;生命周期影响评价;燃料乙醇:木薯中图分类号:TK411.7文獻标志码:ALife Cycle Impact Assessment of Fuel EthanolHU Zhi-yuan, LOU Di-ming, PU Geng-qiang(1. Automobile School, Tongji University, Shanghai 201804, China;2. School of Mechanical and Power Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China)Abstract: L ife cycle impact assessment model for Chinese fuel ethanol was established in this paper, and thelife cycle assessment of cassava-based fuel ethanol was taken. The result showed that combustion and vehicleoperation was the key stage contributed to the life cycle, whose overall environmental impact value (OEIV)was about 51.82%, following by fuel production of 41. 32% and feedstock production of 6. 86%. The OEIvof gasoline-ethanol blends could be decreased with the increase of blending ratio of cassava-based ethanolThe OEIV of cassava-based ethanol is small compared to that of gasoline.Keywords: ICE; Life cycle impact assessment; Fuel ethanol; Cassava引言严重短缺的局面。鉴于环境污染和石油资源逐渐枯竭的状况,开发燃料乙醇等石油替代品,采取随着汽车保有量的增加,汽车尾气排放成为措施节约石油资源,降低汽车尾气对城市环境的目前世界上导致许多大城市大气环境质量恶化的污染,是我们面临的紧迫问题之一。我国于2001重要因素。在我国大城市污染物中,40%以上年开始实行在汽油中添加10%无水乙醇的政策的NO2,80%以上的CO和70%以上的HC均来并首先在河南、吉林、黑龙江、安徽等省开展使用自于汽车尾气排放2,百万人口以上城市的大气车用乙醇汽油试点。污染正由第一代煤烟型向第二代汽车型转化(。生命周期评价是一种对产品、生产工艺以及同时,随着石油消费量的增加,国内石油产量早已活动对环境的压力进行评价的客观过程,包括定难以满足需要。预计到2040年,中国将面临石油义H中国煤化工响评价和改善分CNMHG收稿日期:200408-04;修订日期:2004-10-06基金项目:国家自然科学基金资助项目(50175070)作者简介:胡志远(1970-),男,博士后,主要研究方向为汽车代用燃料生命周期评价2005年5月胡志远等:燃料乙醇生命周期影响评价259析四个有机联系的部分5。日前,国外在燃料乙命周期影响评价醇生命周期评价方面作了大量研究工作8,而国内关于燃料乙醇生命周期评价的研究主要集中1评价方法在清单分析上-10。由于清单分析提供的数据量1.1燃料乙醇生命周期大且分散,很难通过清单分析数据对产品、生产工燃料乙醇的生命周期是从原料种植开始到乙艺及活动的环境压力进行直观判断。因此,有必醇燃烧/车辆使用结束的系统过程,由原料生产要对中国燃料乙醇进行生命周期影响评价,以便燃料生产和燃烧/车辆使用三个单元过程组成,包对它产生的环境影响进行直观判断。括化学品生产和运输;原料种植和运输;乙醇生产本文建立中国燃料乙醇生命周期影响评价模和变性;燃料乙醇运输及燃烧/车辆使用等阶段型,以木薯燃料乙醇为例,对中国燃料乙醇进行生如图1所示。原料生产燃料生产化学品生产和运输乙醇生产及变性燃烧/车辆使用原料种植及运输燃料乙醇运输图1燃料乙醇生命周期框架Fig 1 Life cycle framework of fuel ethanol1.2影响类型定义生态系统影响、人类健康和生态毒性影响三个影燃料乙醇生命周期过程产生的影响种类繁响类别,影响地域分为全球性和区域性两类。多,并且也不可能样样重要。结合中国当前的环1.3清单数据归类境状况和研究水平,初步确定中国燃料乙醇生命单数据归类是将清单分析中得到的数据归周期影响评价涉及的具体影响类型如表1所列的到不同的具体影响类型中。在清单分析输出数据7种。这些影响类型从大的方面可以归纳为资源中,有的输出对不同的影响类型都有影响,如果产消耗和环境污染两类,包括对资源的影响、非生命生的环境影响是相互独立的,则同时归入(如把NO3同时归入人体毒性、酸化和全球变暖)。如表1燃料乙醇影响类型果产生的影响在同一个效应链中,就不能同时归Tab 1 Impact category of fuel ethanol入(如全球变暖及由此而产生的人体毒性)。燃料影响类别乙醇清单数据归类如图2所示。具体影响类型资源非生命生态人类健康和地域1.4特征化系统影响生态毒性影响类型“特征化”是将每一个具体影响类型中的不同能量的使用资源区域性物质转化和汇总成为统一的单元,通过特定的评消耗不可再生+区域性估工具,将不同的负荷或排放因子在各形态环境资源消耗问题中的影响加以分析,并量化成相同的形态或全球变暖(+)全球性同单位的大小光化学烟雾+区域性1.4.1(+)区域性中国煤化工污染的使用( Energy人体毒性+区域性CNMHG人H】那响指标,它是生气溶胶区域性命周期过程中物质消耗带来的能量(燃料、电)消注:+表示直接影响,(+)表示间接影耗燃料消耗和电力消耗的总和,即260内燃机学报第23卷第3期周期清单项目影响类型能量的使用原料生产圈天必不可再生燃料乙醇生命周资源消耗体毒性料生产CL光化学烟燃烧车辆使用N2O→全球变暖图2生命周期清单数据归类Fig 2 Life cycle inventory classificationPu=∑∑E(1)PE(4)式中:Er为清单分析中每功能单位生命周期i阶式中:Em为清单分析中每功能单位生命周期i阶段j类能源消耗量段的PM1排放量1.4.2不可再生资源致竭潜力1.4.5光化学烟雾潜力燃料乙醇生命周期不可再生资源致竭潜力光化学烟雾是大气中的自由基、NO2、HC在( Nonrenewable Resource Depletion Potential,紫外线的照射下发生光化学和热化学反应,产生NRDP表示燃料乙醇生命周期过程对煤、天然的以臭氧为主的氧化剂及颗粒物混合物。区别于气、石油等不可再生资源的消耗能力,其计算方法PMn排放导致的气溶胶潜力,单独评价燃料乙醇如下的生命周期光化学烟雾潜力。污染物形成光化学Pw m, (l-Rc)(2)烟雾的能力通过光化学烟雾潜力( PhotochemicalOzone creation Potential,POCP)衡量。以化合式中;ω,为第i种再生资源的资源稀缺系数;ω100R,R为第种不可再生资源剩余可采储量物乙烯为基准(光化学烟雾潜力系数为.0),某种(单位为年);m,为清单分析中每功能单位对第污染物的光化学烟雾潜力为其引起的光化学烟雾种不可再生资源的消耗量;R为第i种不可再生浓度与等质量参照物乙烯排放引起的光化学烟雾资源回收或重复使用率。浓度的比值。燃料乙醇生命周期排放的光化学烟4.3人体毒性潜力雾潜力为其相关污染物排放数量与相关POCP系人体毒性潜力( Health Toxic Potential,数乘积的和为HTP)表示污染物质导致人体毒性的能力,用每PwxP=∑.·Erxp千克污染物质暴露于环境中可能污染的人体重量式中:A为第种光化学烟雾排放的POCP系数来表示为EPoP为清单分析每功能单位第i种光化学烟雾HTP(3)污染物排放量。式中:a,为第i种排放的HTP系数;EHmP为清单1.4.6酸化潜力分析每功能单位第i种人体毒性污染物排放量。化港h( Acid Potential,AP)指污1.4.4气溶胶潜力染物中国煤化工以SO2为参考物气溶胶潜力( Air Quality Potential,AQP)表(系CNMHG醇生命周期排放示PM排放导致气溶胶的能力,直接引用清单分的酸化潜力为其相关污染物排放与相关AP系数析的数据对其进行特征化为乘积的和为2005年5月胡志远等:燃料乙醇生命周期影响评价(6)的权重W(i=1,2,…,7)。式中:y为第i种酸化排放的AP系数;EAP为清W,=(Ⅱan)+,i=1,2,…,7单分析每功能单位第i种酸化污染物排放量i=1,2,…,7(10)1.4.7全球变暖潜力全球变暖潜力( Global Warming Potential,GWP)用来表征各种温室气体导致全球变暖的能通过一致性比率CR对判断矩阵进行一致性力,指这种变暖物质(与CO2相关)圈住地球热量检验为的能力,用瞬时排放1kg温室气体造成的累积辐C1/R1射效应与同一瞬时排放1kg二氧化碳造成的累式中:C为随机一致性指标;R1为平均随机一致积辐射效应的比值表示。联合国政府间气候变化性指标,是多次(大于500随机判断矩阵特征值专门委员会( Intergovernmental Panel on Climate重复计算后的算术平均值,Change,IPCC)已研究完成了一些常见温室气体C1=(Amx-n)/(n-1的GWP。燃料乙醇生命周期排放的全球变暖潜其中,Am为判断矩阵的最大特征根,力为其温室气体排放量与相关温室气体GWP系Am=∑Aw,/nW(13)数乘积的和为式中:Aw为列向量Aw的第i行元素;n为判断矩Pw=∑(7)阵的阶数式中:为第i种温室气体排放的GWP系数;当CB<0.1时,认为判断矩阵A的一致性可Ew清单分析每功能单位第i种温室气体排放量。以接受;当C>0.1时,认为判断矩阵A的一致性1.5量化不可以接受。将所有符合一致性检验的各专家咨1.5.1标准化询权重的算术平均值作为燃料乙醇生命周期影响首先对燃料乙醇生命周期影响评价各具体影评价中各具体影响类型的最终权重,如表2所示。响类型的特征化结果进行标准化处理,消除它们在量纲和量级上的差异为表2燃料乙醇环境影响权重C/STab 2 Environment impact weight of fuel ethanol式中:N为第i类具体影响类型标准化结果;C影响类型 EU NRDP HTP AQP POCP AP GWP为第讠类具体影响类型特征化结果;S为第i类权重0.1340.0980.2670.1140.1210.1060.160具体影响类型标准化基准值1.5.2权重1.5.3环境影响总水平值本文采用层次分析法和专家咨询相结合的方燃料乙醇环境影响总水平值( overall envi法确定燃料乙醇生命周期中各具体影响类型的权onment impact value,OEIV)为各具体影响类重。首先以可持续发展为目标把所有具体影响型特征化值标准化结果的加权和为类型归入可持续发展目标下的一组,根据重要性Pov=∑NW(14)标度的方法,将不同具体影响类型对可持续发展式中:N为各具体影响类型特征化值标准化结的影响程度进行两两比较,通过专家咨询得到不果;W,为相应影响类型的权重同具体影响类型对可持续发展影响的重要性标度,形成两两判断矩阵A=(an),×1,其中a为2木薯燃料乙醇生命周期影响评价因素a;与a1比较相对可持续发展目标的重要性2.1中国煤化工标度,且当i=j时,a=1。采用方根法求解(式混合工况)的汽(9),得到判断矩阵A特征向量W的各个分量油车或刀C以M合燃料汽车行驶W,(i=1,2,…,7),把所得向量W=[W1,W2,…,20万公里为研究对象。以单位公里产生的能源W,]进行归一化处理(式(10))即可获得各元素消耗及排放所导致的环境影响为功能单位,对燃内燃机学报第23卷第3期料乙醇进行生命周期影响评价。变暖潜力的影响为负值。“燃料生产”单元对全球2.2数据来源变暖潜力的影响最大,为3.25×10人/km;其次能量的使用和不可再生资源致竭潜力相关数是对酸化潜力、不可再生资源致竭潜力和能量据通过实地收集获得。由于国内目前还没有关于使用的影响,分别为2.99×10-5人/km、2.47CO、CO2、NO4、SO4、HC等污染物排放的环境影105人/km和2.35×10-5人/km。“燃烧/车辆使响特征化数据,而国外有关CO、CO2、NO2、SO2、用”单元对光化学烟雾潜力的影响最大,为6.56HC等污染物排放环境影响特征化研究成果较Ⅹ10ˉ°人/km;其次是对能量的使用和全球变暖多。而且,大部分污染物排放的环境影响当量系潜力的影响,分别为5.57×10人/km和3.76数已基本达成共识(例如GWP系数等)。因此,10-5人/km。由于使用的是纯乙醇燃料,此生命本文采用国外研究成果中CO、CO2、NO2、SO2、周期阶段对不可再生资源致竭潜力的影响为零。HC、CH4、N2O等污染物排放的HTP、POCP、AP和GWP系数-1,结合清单分析中相应污染物8 EU放数据,对木薯燃料乙醇生命周期产生的人体但NRDP口HTP毒性酸化、光化学烟雾和全球变暖等环境影响进2.PocP选择190年全球人均能源占有量及人均排放8行特征化处理。2.3标准化结果GWP当量作为EU、NRDP、HTP、AQP、POCP、AP和原料燃料生产燃烧库车辆使用GWP的标准化基准。其中能量的使用和不可再生生命周期阶段资源致竭基准根据1990世界煤、石油和天然气消耗总量计算得到,其它标准化基准根据 Guinee图4木薯燃料乙醇生命周期影响一阶段的计算数据选取。标准化后的生命周期影响评价Fig4 Life cycle impacts of cassavabased ethanol结果如图3所示。可见,木薯燃料乙醇生命周期中by life cycle stages对能量的使用EU影响最大,其次是POCP,后面依次为GWP、NRDP、AP、HTP和AQP。2.4环境影响总水平值根据表2确定的权重,得到燃料乙醇生命周期环境影响总水平值为4.26×10-8人/km。其生命周期各阶段产生的环境影响总水平值如图5所示。可见,在木薯燃料乙醇生命周期过程中,“燃烧/车辆使用”单元产生的环境影响最大,占整个生命周期的51.82%;其次为“燃料生产”单元,占41.32%;“原料生产”单元仅占6.86%EU NRDP HTP AQP POCP AP GWP影响指标类别图3木薯燃料乙醇生命周期影响Fig 3 Life cycle impacts of cassava-based ethanol木薯燃料乙醇生命周期各阶段生命周期影响评价如图4所示。可见,“原料生产”单元对中国煤化工DRP的影响最大,为2.22×105人/km;其次是CNMHG燃烧/车辆使用对全球变暖潜力和能量的使用的影响,分别为1.69×10-5人/km和1.55×105人/km。由于木图5木薯燃料乙醇生命周期环境影响总水平值薯生长过程中吸收CO2,“原料生产”单元对全球Fig 5 Life cycle OEIV of cassavabased ethanol2005年5月胡志远等:燃料乙醇生命周期影响评价不同混合比例的木薯燃料乙醇一汽油混合燃南环境科学,199918(3):30-32料的生命周期环境影响总水平值如图6所示。可[4] Chang J, Dennis Y C Leung,WuCz,eta.ARe见,随着木薯燃料乙醇在汽油中混合比例的增加,view on the Energy Production, Consumption and其生命周期环境影响总水平值降低。当混合比例Prospect of Renewable Energy in China[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2003,7(5):为100%时,环境影响总水平值最低,为4.26×453-46810-5人/km。因此,与汽油比较,木薯乙醇产生的[5] onsoli F Allen, Boustead D I, Fava J,etal. Guide环境影响较小lines for life-Cycle Assessment: A Code of Practice[M. Brussels: SETAC Europe, 1993, 18-67[6] John Sheehan, Andy Aden, Keith Paustian, et al, Energy and Environmental Aspects of Using Corn Stover for Fuel Ethanol[J] Journal of Industrial Ecology,2004,7(3/4):117-14[7] Wang M Q, Saricks C Santhi D. Effects of Fuel Ethanol Use on Fuel-Cycle Energy and Greenhouse GasEmissions[Eb/oL].http://greetanlgov/publications. html, 1999混合比例/%[8] Kiran L Kadam. Environmental Benefits on a LifeCycle Basis of Using Bagasse- Derived Ethanol as a图6木薯乙醇一汽油混合燃料生命周期Gasoline Oxygenate in India LJ]. Energy Policy, 30环境影响总水平值(5):371-384Fig. 6 Life cycle OEIV of cassava-based[9]胡志远戴杜,张成等木薯乙醇一汽油混合燃ethanol blend gasoline fuels料生命周期评价[J].内燃机学报,2003,21(5)3结论341-345.[10]胡志远,张成,浦耿强,等.木薯乙醇汽油生命周(1)木薯燃料乙醇生命周期中对能量的使期能源、环境及经济性评价[冂].内燃机工程,2004,用(EU)影响最大,其次是POCP,后面依次为25(1):13-16.GWP、NRDP、AP、HTP和AQP。[11] Curran M A. Environmental Life-Cycle Assess(2)木薯燃料乙醇生命周期“原料生产”单ment[M]. New York: McGraw-Hill, 1996, 212元对NRDP的影响最大,占生命周期相应指标的47.29%;“原料生产”单元对全球变暖潜力的影响[12] Heijungs r, GuineeJB, Huppe G,eta.En为负值;“燃料生产”单元对全球变暖潜力的影响ronmental Life Cycle Assessment of Products. Vol最大,占生命周期相应指标的61.12%;“燃烧/车I: Guide[M]. Leiden: Center for Environmental Sci辆使用"单元对光化学烟雾潜力的影响最大,占生[13 Heijungs R, Guinee J B, Huppe g,ecir命周期相应指标的83.58%。mental Life Cycle Assessment of Products. Vol. Il:(3)随着木薯燃料乙醇在汽油中混合比例Backgrounds[ M]. Leiden: Center for Environmen-的增加,其生命周期环境影响总水平值降低。与tal Science. 1992.31-61汽油比较,木薯乙醇产生的环境影响较小。[14] Hauschild M, Wenzel H. Environmental Assesstent of Products, Volume 2: Scientific Backgrounds参考文献[M]. London: Chapman and Hall, 1998, 412-461[1]刘建成刘英,汽车尾气的污染危害及治理]环[15]中国煤化工 Callender B A,et境保护科学,2000,26(S1):34-3scIenceCNMHG[2]郭伊均陈盛梁汽车排气污染及控制对策[J].重庆lew luIK: Lanbridge University环境科学,1997,19(3):9-13Press,1996,329-401[3]常蓉钱旭我国汽车尾气污染及其控制[].云