燃料乙醇生命周期影響評價(jià)

第23卷(2005)第3期內燃機學(xué)報Transactions of CSICEVol.23(2005)No.3文章編號:1000-0909(2005)03-02580623-041燃料乙醇生命周期影響評價(jià)胡志遠,樓狄明1,浦耿強2(1.同濟大學(xué)汽車(chē)學(xué)院,上海201804;2.上海交通大學(xué)機械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200030)摘要:建立了中國燃料乙醇生命周期影響評價(jià)模型,并以木薯燃料乙醇為例,對中國燃料乙醇進(jìn)行了生命周期影響評價(jià)。結果表明:在木薯燃料乙醇生命周期過(guò)程中,“燃燒/車(chē)輛使用”產(chǎn)生的環(huán)境影響最大,占整個(gè)生命周期的51.82%;其次為“燃料生產(chǎn)”單元,占41.32%;“原料生產(chǎn)”單元僅占6.86%。隨著(zhù)木薯燃料乙醇在汽油中混合比例的增加,其生命周期環(huán)境影響總水平值降低。與汽油比較,木薯乙醇產(chǎn)生的環(huán)境影響較小。關(guān)鍵詞:內燃機;生命周期影響評價(jià);燃料乙醇:木薯中圖分類(lèi)號:TK411.7文獻標志碼: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引言嚴重短缺的局面。鑒于環(huán)境污染和石油資源逐漸枯竭的狀況,開(kāi)發(fā)燃料乙醇等石油替代品,采取隨著(zhù)汽車(chē)保有量的增加,汽車(chē)尾氣排放成為措施節約石油資源,降低汽車(chē)尾氣對城市環(huán)境的目前世界上導致許多大城市大氣環(huán)境質(zhì)量惡化的污染,是我們面臨的緊迫問(wèn)題之一。我國于2001重要因素。在我國大城市污染物中,40%以上年開(kāi)始實(shí)行在汽油中添加10%無(wú)水乙醇的政策的NO2,80%以上的CO和70%以上的HC均來(lái)并首先在河南、吉林、黑龍江、安徽等省開(kāi)展使用自于汽車(chē)尾氣排放2,百萬(wàn)人口以上城市的大氣車(chē)用乙醇汽油試點(diǎn)。污染正由第一代煤煙型向第二代汽車(chē)型轉化(。生命周期評價(jià)是一種對產(chǎn)品、生產(chǎn)工藝以及同時(shí),隨著(zhù)石油消費量的增加,國內石油產(chǎn)量早已活動(dòng)對環(huán)境的壓力進(jìn)行評價(jià)的客觀(guān)過(guò)程,包括定難以滿(mǎn)足需要。預計到2040年,中國將面臨石油義H中國煤化工響評價(jià)和改善分CNMHG收稿日期:200408-04;修訂日期:2004-10-06基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(50175070)作者簡(jiǎn)介:胡志遠(1970-),男,博士后,主要研究方向為汽車(chē)代用燃料生命周期評價(jià)2005年5月胡志遠等:燃料乙醇生命周期影響評價(jià)259析四個(gè)有機聯(lián)系的部分5。日前,國外在燃料乙命周期影響評價(jià)醇生命周期評價(jià)方面作了大量研究工作8,而國內關(guān)于燃料乙醇生命周期評價(jià)的研究主要集中1評價(jià)方法在清單分析上-10。由于清單分析提供的數據量1.1燃料乙醇生命周期大且分散,很難通過(guò)清單分析數據對產(chǎn)品、生產(chǎn)工燃料乙醇的生命周期是從原料種植開(kāi)始到乙藝及活動(dòng)的環(huán)境壓力進(jìn)行直觀(guān)判斷。因此,有必醇燃燒/車(chē)輛使用結束的系統過(guò)程,由原料生產(chǎn)要對中國燃料乙醇進(jìn)行生命周期影響評價(jià),以便燃料生產(chǎn)和燃燒/車(chē)輛使用三個(gè)單元過(guò)程組成,包對它產(chǎn)生的環(huán)境影響進(jìn)行直觀(guān)判斷。括化學(xué)品生產(chǎn)和運輸;原料種植和運輸;乙醇生產(chǎn)本文建立中國燃料乙醇生命周期影響評價(jià)模和變性;燃料乙醇運輸及燃燒/車(chē)輛使用等階段型,以木薯燃料乙醇為例,對中國燃料乙醇進(jìn)行生如圖1所示。原料生產(chǎn)燃料生產(chǎn)化學(xué)品生產(chǎn)和運輸乙醇生產(chǎn)及變性燃燒/車(chē)輛使用原料種植及運輸燃料乙醇運輸圖1燃料乙醇生命周期框架Fig 1 Life cycle framework of fuel ethanol1.2影響類(lèi)型定義生態(tài)系統影響、人類(lèi)健康和生態(tài)毒性影響三個(gè)影燃料乙醇生命周期過(guò)程產(chǎn)生的影響種類(lèi)繁響類(lèi)別,影響地域分為全球性和區域性?xún)深?lèi)。多,并且也不可能樣樣重要。結合中國當前的環(huán)1.3清單數據歸類(lèi)境狀況和研究水平,初步確定中國燃料乙醇生命單數據歸類(lèi)是將清單分析中得到的數據歸周期影響評價(jià)涉及的具體影響類(lèi)型如表1所列的到不同的具體影響類(lèi)型中。在清單分析輸出數據7種。這些影響類(lèi)型從大的方面可以歸納為資源中,有的輸出對不同的影響類(lèi)型都有影響,如果產(chǎn)消耗和環(huán)境污染兩類(lèi),包括對資源的影響、非生命生的環(huán)境影響是相互獨立的,則同時(shí)歸入(如把NO3同時(shí)歸入人體毒性、酸化和全球變暖)。如表1燃料乙醇影響類(lèi)型果產(chǎn)生的影響在同一個(gè)效應鏈中,就不能同時(shí)歸Tab 1 Impact category of fuel ethanol入(如全球變暖及由此而產(chǎn)生的人體毒性)。燃料影響類(lèi)別乙醇清單數據歸類(lèi)如圖2所示。具體影響類(lèi)型資源非生命生態(tài)人類(lèi)健康和地域1.4特征化系統影響生態(tài)毒性影響類(lèi)型“特征化”是將每一個(gè)具體影響類(lèi)型中的不同能量的使用資源區域性物質(zhì)轉化和匯總成為統一的單元,通過(guò)特定的評消耗不可再生+區域性估工具,將不同的負荷或排放因子在各形態(tài)環(huán)境資源消耗問(wèn)題中的影響加以分析,并量化成相同的形態(tài)或全球變暖(+)全球性同單位的大小光化學(xué)煙霧+區域性1.4.1(+)區域性中國煤化工污染的使用( Energy人體毒性+區域性CNMHG人H】那響指標,它是生氣溶膠區域性命周期過(guò)程中物質(zhì)消耗帶來(lái)的能量(燃料、電)消注:+表示直接影響,(+)表示間接影耗燃料消耗和電力消耗的總和,即260內燃機學(xué)報第23卷第3期周期清單項目影響類(lèi)型能量的使用原料生產(chǎn)圈天必不可再生燃料乙醇生命周資源消耗體毒性料生產(chǎn)CL光化學(xué)煙燃燒車(chē)輛使用N2O→全球變暖圖2生命周期清單數據歸類(lèi)Fig 2 Life cycle inventory classificationPu=∑∑E(1)PE(4)式中:Er為清單分析中每功能單位生命周期i階式中:Em為清單分析中每功能單位生命周期i階段j類(lèi)能源消耗量段的PM1排放量1.4.2不可再生資源致竭潛力1.4.5光化學(xué)煙霧潛力燃料乙醇生命周期不可再生資源致竭潛力光化學(xué)煙霧是大氣中的自由基、NO2、HC在( Nonrenewable Resource Depletion Potential,紫外線(xiàn)的照射下發(fā)生光化學(xué)和熱化學(xué)反應,產(chǎn)生NRDP表示燃料乙醇生命周期過(guò)程對煤、天然的以臭氧為主的氧化劑及顆粒物混合物。區別于氣、石油等不可再生資源的消耗能力,其計算方法PMn排放導致的氣溶膠潛力,單獨評價(jià)燃料乙醇如下的生命周期光化學(xué)煙霧潛力。污染物形成光化學(xué)Pw m, (l-Rc)(2)煙霧的能力通過(guò)光化學(xué)煙霧潛力( PhotochemicalOzone creation Potential,POCP)衡量。以化合式中;ω,為第i種再生資源的資源稀缺系數;ω100R,R為第種不可再生資源剩余可采儲量物乙烯為基準(光化學(xué)煙霧潛力系數為.0),某種(單位為年);m,為清單分析中每功能單位對第污染物的光化學(xué)煙霧潛力為其引起的光化學(xué)煙霧種不可再生資源的消耗量;R為第i種不可再生濃度與等質(zhì)量參照物乙烯排放引起的光化學(xué)煙霧資源回收或重復使用率。濃度的比值。燃料乙醇生命周期排放的光化學(xué)煙4.3人體毒性潛力霧潛力為其相關(guān)污染物排放數量與相關(guān)POCP系人體毒性潛力( Health Toxic Potential,數乘積的和為HTP)表示污染物質(zhì)導致人體毒性的能力,用每PwxP=∑.·Erxp千克污染物質(zhì)暴露于環(huán)境中可能污染的人體重量式中:A為第種光化學(xué)煙霧排放的POCP系數來(lái)表示為EPoP為清單分析每功能單位第i種光化學(xué)煙霧HTP(3)污染物排放量。式中:a,為第i種排放的HTP系數;EHmP為清單1.4.6酸化潛力分析每功能單位第i種人體毒性污染物排放量?；踙( Acid Potential,AP)指污1.4.4氣溶膠潛力染物中國煤化工以SO2為參考物氣溶膠潛力( Air Quality Potential,AQP)表(系CNMHG醇生命周期排放示PM排放導致氣溶膠的能力,直接引用清單分的酸化潛力為其相關(guān)污染物排放與相關(guān)AP系數析的數據對其進(jìn)行特征化為乘積的和為2005年5月胡志遠等:燃料乙醇生命周期影響評價(jià)(6)的權重W(i=1,2,…,7)。式中:y為第i種酸化排放的AP系數;EAP為清W,=(Ⅱan)+,i=1,2,…,7單分析每功能單位第i種酸化污染物排放量i=1,2,…,7(10)1.4.7全球變暖潛力全球變暖潛力( Global Warming Potential,GWP)用來(lái)表征各種溫室氣體導致全球變暖的能通過(guò)一致性比率CR對判斷矩陣進(jìn)行一致性力,指這種變暖物質(zhì)(與CO2相關(guān))圈住地球熱量檢驗為的能力,用瞬時(shí)排放1kg溫室氣體造成的累積輻C1/R1射效應與同一瞬時(shí)排放1kg二氧化碳造成的累式中:C為隨機一致性指標;R1為平均隨機一致積輻射效應的比值表示。聯(lián)合國政府間氣候變化性指標,是多次(大于500隨機判斷矩陣特征值專(zhuān)門(mén)委員會(huì )( Intergovernmental Panel on Climate重復計算后的算術(shù)平均值,Change,IPCC)已研究完成了一些常見(jiàn)溫室氣體C1=(Amx-n)/(n-1的GWP。燃料乙醇生命周期排放的全球變暖潛其中,Am為判斷矩陣的最大特征根,力為其溫室氣體排放量與相關(guān)溫室氣體GWP系Am=∑Aw,/nW(13)數乘積的和為式中:Aw為列向量Aw的第i行元素;n為判斷矩Pw=∑(7)陣的階數式中:為第i種溫室氣體排放的GWP系數;當CB<0.1時(shí),認為判斷矩陣A的一致性可Ew清單分析每功能單位第i種溫室氣體排放量。以接受;當C>0.1時(shí),認為判斷矩陣A的一致性1.5量化不可以接受。將所有符合一致性檢驗的各專(zhuān)家咨1.5.1標準化詢(xún)權重的算術(shù)平均值作為燃料乙醇生命周期影響首先對燃料乙醇生命周期影響評價(jià)各具體影評價(jià)中各具體影響類(lèi)型的最終權重,如表2所示。響類(lèi)型的特征化結果進(jìn)行標準化處理,消除它們在量綱和量級上的差異為表2燃料乙醇環(huán)境影響權重C/STab 2 Environment impact weight of fuel ethanol式中:N為第i類(lèi)具體影響類(lèi)型標準化結果;C影響類(lèi)型 EU NRDP HTP AQP POCP AP GWP為第讠類(lèi)具體影響類(lèi)型特征化結果;S為第i類(lèi)權重0.1340.0980.2670.1140.1210.1060.160具體影響類(lèi)型標準化基準值1.5.2權重1.5.3環(huán)境影響總水平值本文采用層次分析法和專(zhuān)家咨詢(xún)相結合的方燃料乙醇環(huán)境影響總水平值( overall envi法確定燃料乙醇生命周期中各具體影響類(lèi)型的權onment impact value,OEIV)為各具體影響類(lèi)重。首先以可持續發(fā)展為目標把所有具體影響型特征化值標準化結果的加權和為類(lèi)型歸入可持續發(fā)展目標下的一組,根據重要性Pov=∑NW(14)標度的方法,將不同具體影響類(lèi)型對可持續發(fā)展式中:N為各具體影響類(lèi)型特征化值標準化結的影響程度進(jìn)行兩兩比較,通過(guò)專(zhuān)家咨詢(xún)得到不果;W,為相應影響類(lèi)型的權重同具體影響類(lèi)型對可持續發(fā)展影響的重要性標度,形成兩兩判斷矩陣A=(an),×1,其中a為2木薯燃料乙醇生命周期影響評價(jià)因素a;與a1比較相對可持續發(fā)展目標的重要性2.1中國煤化工標度,且當i=j時(shí),a=1。采用方根法求解(式混合工況)的汽(9),得到判斷矩陣A特征向量W的各個(gè)分量油車(chē)或刀C以M合燃料汽車(chē)行駛W,(i=1,2,…,7),把所得向量W=[W1,W2,…,20萬(wàn)公里為研究對象。以單位公里產(chǎn)生的能源W,]進(jìn)行歸一化處理(式(10))即可獲得各元素消耗及排放所導致的環(huán)境影響為功能單位,對燃內燃機學(xué)報第23卷第3期料乙醇進(jìn)行生命周期影響評價(jià)。變暖潛力的影響為負值?！叭剂仙a(chǎn)”單元對全球2.2數據來(lái)源變暖潛力的影響最大,為3.25×10人/km;其次能量的使用和不可再生資源致竭潛力相關(guān)數是對酸化潛力、不可再生資源致竭潛力和能量據通過(guò)實(shí)地收集獲得。由于國內目前還沒(méi)有關(guān)于使用的影響,分別為2.99×10-5人/km、2.47CO、CO2、NO4、SO4、HC等污染物排放的環(huán)境影105人/km和2.35×10-5人/km?！叭紵?車(chē)輛使響特征化數據,而國外有關(guān)CO、CO2、NO2、SO2、用”單元對光化學(xué)煙霧潛力的影響最大,為6.56HC等污染物排放環(huán)境影響特征化研究成果較Ⅹ10ˉ°人/km;其次是對能量的使用和全球變暖多。而且,大部分污染物排放的環(huán)境影響當量系潛力的影響,分別為5.57×10人/km和3.76數已基本達成共識(例如GWP系數等)。因此,10-5人/km。由于使用的是純乙醇燃料,此生命本文采用國外研究成果中CO、CO2、NO2、SO2、周期階段對不可再生資源致竭潛力的影響為零。HC、CH4、N2O等污染物排放的HTP、POCP、AP和GWP系數-1,結合清單分析中相應污染物8 EU放數據,對木薯燃料乙醇生命周期產(chǎn)生的人體但NRDP口HTP毒性酸化、光化學(xué)煙霧和全球變暖等環(huán)境影響進(jìn)2.PocP選擇190年全球人均能源占有量及人均排放8行特征化處理。2.3標準化結果GWP當量作為EU、NRDP、HTP、AQP、POCP、AP和原料燃料生產(chǎn)燃燒庫車(chē)輛使用GWP的標準化基準。其中能量的使用和不可再生生命周期階段資源致竭基準根據1990世界煤、石油和天然氣消耗總量計算得到,其它標準化基準根據 Guinee圖4木薯燃料乙醇生命周期影響一階段的計算數據選取。標準化后的生命周期影響評價(jià)Fig4 Life cycle impacts of cassavabased ethanol結果如圖3所示?？梢?jiàn),木薯燃料乙醇生命周期中by life cycle stages對能量的使用EU影響最大,其次是POCP,后面依次為GWP、NRDP、AP、HTP和AQP。2.4環(huán)境影響總水平值根據表2確定的權重,得到燃料乙醇生命周期環(huán)境影響總水平值為4.26×10-8人/km。其生命周期各階段產(chǎn)生的環(huán)境影響總水平值如圖5所示?？梢?jiàn),在木薯燃料乙醇生命周期過(guò)程中,“燃燒/車(chē)輛使用”單元產(chǎn)生的環(huán)境影響最大,占整個(gè)生命周期的51.82%;其次為“燃料生產(chǎn)”單元,占41.32%;“原料生產(chǎn)”單元僅占6.86%EU NRDP HTP AQP POCP AP GWP影響指標類(lèi)別圖3木薯燃料乙醇生命周期影響Fig 3 Life cycle impacts of cassava-based ethanol木薯燃料乙醇生命周期各階段生命周期影響評價(jià)如圖4所示?？梢?jiàn),“原料生產(chǎn)”單元對中國煤化工DRP的影響最大,為2.22×105人/km;其次是CNMHG燃燒/車(chē)輛使用對全球變暖潛力和能量的使用的影響,分別為1.69×10-5人/km和1.55×105人/km。由于木圖5木薯燃料乙醇生命周期環(huán)境影響總水平值薯生長(cháng)過(guò)程中吸收CO2,“原料生產(chǎn)”單元對全球Fig 5 Life cycle OEIV of cassavabased ethanol2005年5月胡志遠等:燃料乙醇生命周期影響評價(jià)不同混合比例的木薯燃料乙醇一汽油混合燃南環(huán)境科學(xué),199918(3):30-32料的生命周期環(huán)境影響總水平值如圖6所示?？蒣4] Chang J, Dennis Y C Leung,WuCz,eta.ARe見(jiàn),隨著(zhù)木薯燃料乙醇在汽油中混合比例的增加,view on the Energy Production, Consumption and其生命周期環(huán)境影響總水平值降低。當混合比例Prospect of Renewable Energy in China[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2003,7(5):為100%時(shí),環(huán)境影響總水平值最低,為4.26×453-46810-5人/km。因此,與汽油比較,木薯乙醇產(chǎn)生的[5] onsoli F Allen, Boustead D I, Fava J,etal. Guide環(huán)境影響較小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圖6木薯乙醇一汽油混合燃料生命周期Gasoline Oxygenate in India LJ]. Energy Policy, 30環(huán)境影響總水平值(5):371-384Fig. 6 Life cycle OEIV of cassava-based[9]胡志遠戴杜,張成等木薯乙醇一汽油混合燃ethanol blend gasoline fuels料生命周期評價(jià)[J].內燃機學(xué)報,2003,21(5)3結論341-345.[10]胡志遠,張成,浦耿強,等.木薯乙醇汽油生命周(1)木薯燃料乙醇生命周期中對能量的使期能源、環(huán)境及經(jīng)濟性評價(jià)[冂].內燃機工程,2004,用(EU)影響最大,其次是POCP,后面依次為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“原料生產(chǎn)”單ment[M]. New York: McGraw-Hill, 1996, 212元對NRDP的影響最大,占生命周期相應指標的47.29%;“原料生產(chǎn)”單元對全球變暖潛力的影響[12] Heijungs r, GuineeJB, Huppe G,eta.En為負值;“燃料生產(chǎn)”單元對全球變暖潛力的影響ronmental Life Cycle Assessment of Products. Vol最大,占生命周期相應指標的61.12%;“燃燒/車(chē)I: Guide[M]. Leiden: Center for Environmental Sci輛使用"單元對光化學(xué)煙霧潛力的影響最大,占生[13 Heijungs R, Guinee J B, Huppe g,ecir命周期相應指標的83.58%。mental Life Cycle Assessment of Products. Vol. Il:(3)隨著(zhù)木薯燃料乙醇在汽油中混合比例Backgrounds[ M]. Leiden: Center for Environmen-的增加,其生命周期環(huán)境影響總水平值降低。與tal Science. 1992.31-61汽油比較,木薯乙醇產(chǎn)生的環(huán)境影響較小。[14] Hauschild M, Wenzel H. 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