第23卷(2005)第3期內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)Transactions of CSICEVol.23(2005)No.3文章編號(hào):1000-0909(2005)03-02580623-041燃料乙醇生命周期影響評(píng)價(jià)胡志遠(yuǎn),樓狄明1,浦耿強(qiáng)2(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海201804;2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200030)摘要:建立了中國(guó)燃料乙醇生命周期影響評(píng)價(jià)模型,并以木薯燃料乙醇為例,對(duì)中國(guó)燃料乙醇進(jìn)行了生命周期影響評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:在木薯燃料乙醇生命周期過(guò)程中,“燃燒/車輛使用”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(nèi)燃機(jī);生命周期影響評(píng)價(jià);燃料乙醇:木薯中圖分類號(hào):TK411.7文獻(xiàn)標(biāo)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(yán)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,采取隨著汽車保有量的增加,汽車尾氣排放成為措施節(jié)約石油資源,降低汽車尾氣對(duì)城市環(huán)境的目前世界上導(dǎo)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(guó)于2001重要因素。在我國(guó)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)展使用自于汽車尾氣排放2,百萬(wàn)人口以上城市的大氣車用乙醇汽油試點(diǎn)。污染正由第一代煤煙型向第二代汽車型轉(zhuǎn)化(。生命周期評(píng)價(jià)是一種對(duì)產(chǎn)品、生產(chǎn)工藝以及同時(shí),隨著石油消費(fèi)量的增加,國(guó)內(nèi)石油產(chǎn)量早已活動(dòng)對(duì)環(huán)境的壓力進(jìn)行評(píng)價(jià)的客觀過(guò)程,包括定難以滿足需要。預(yù)計(jì)到2040年,中國(guó)將面臨石油義H中國(guó)煤化工響評(píng)價(jià)和改善分CNMHG收稿日期:200408-04;修訂日期:2004-10-06基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50175070)作者簡(jiǎn)介:胡志遠(yuǎn)(1970-),男,博士后,主要研究方向?yàn)槠嚧萌剂仙芷谠u(píng)價(jià)2005年5月胡志遠(yuǎn)等:燃料乙醇生命周期影響評(píng)價(jià)259析四個(gè)有機(jī)聯(lián)系的部分5。日前,國(guó)外在燃料乙命周期影響評(píng)價(jià)醇生命周期評(píng)價(jià)方面作了大量研究工作8,而國(guó)內(nèi)關(guān)于燃料乙醇生命周期評(píng)價(jià)的研究主要集中1評(píng)價(jià)方法在清單分析上-10。由于清單分析提供的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)對(duì)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)行直觀判斷。因此,有必醇燃燒/車輛使用結(jié)束的系統(tǒng)過(guò)程,由原料生產(chǎn)要對(duì)中國(guó)燃料乙醇進(jìn)行生命周期影響評(píng)價(jià),以便燃料生產(chǎn)和燃燒/車輛使用三個(gè)單元過(guò)程組成,包對(duì)它產(chǎn)生的環(huán)境影響進(jìn)行直觀判斷。括化學(xué)品生產(chǎn)和運(yùn)輸;原料種植和運(yùn)輸;乙醇生產(chǎn)本文建立中國(guó)燃料乙醇生命周期影響評(píng)價(jià)模和變性;燃料乙醇運(yùn)輸及燃燒/車輛使用等階段型,以木薯燃料乙醇為例,對(duì)中國(guó)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(yùn)輸乙醇生產(chǎn)及變性燃燒/車輛使用原料種植及運(yùn)輸燃料乙醇運(yùn)輸圖1燃料乙醇生命周期框架Fig 1 Life cycle framework of fuel ethanol1.2影響類型定義生態(tài)系統(tǒng)影響、人類健康和生態(tài)毒性影響三個(gè)影燃料乙醇生命周期過(guò)程產(chǎn)生的影響種類繁響類別,影響地域分為全球性和區(qū)域性兩類。多,并且也不可能樣樣重要。結(jié)合中國(guó)當(dāng)前的環(huán)1.3清單數(shù)據(jù)歸類境狀況和研究水平,初步確定中國(guó)燃料乙醇生命單數(shù)據(jù)歸類是將清單分析中得到的數(shù)據(jù)歸周期影響評(píng)價(jià)涉及的具體影響類型如表1所列的到不同的具體影響類型中。在清單分析輸出數(shù)據(jù)7種。這些影響類型從大的方面可以歸納為資源中,有的輸出對(duì)不同的影響類型都有影響,如果產(chǎn)消耗和環(huán)境污染兩類,包括對(duì)資源的影響、非生命生的環(huán)境影響是相互獨(dú)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燃料乙醇影響類型果產(chǎn)生的影響在同一個(gè)效應(yīng)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)。燃料影響類別乙醇清單數(shù)據(jù)歸類如圖2所示。具體影響類型資源非生命生態(tài)人類健康和地域1.4特征化系統(tǒng)影響生態(tài)毒性影響類型“特征化”是將每一個(gè)具體影響類型中的不同能量的使用資源區(qū)域性物質(zhì)轉(zhuǎn)化和匯總成為統(tǒng)一的單元,通過(guò)特定的評(píng)消耗不可再生+區(qū)域性估工具,將不同的負(fù)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(qū)域性1.4.1(+)區(qū)域性中國(guó)煤化工污染的使用( Energy人體毒性+區(qū)域性CNMHG人H】那響指標(biāo),它是生氣溶膠區(qū)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(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)第23卷第3期周期清單項(xiàng)目影響類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)煙燃燒車輛使用N2O→全球變暖圖2生命周期清單數(shù)據(jù)歸類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,紫外線的照射下發(fā)生光化學(xué)和熱化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生NRDP表示燃料乙醇生命周期過(guò)程對(duì)煤、天然的以臭氧為主的氧化劑及顆粒物混合物。區(qū)別于氣、石油等不可再生資源的消耗能力,其計(jì)算方法PMn排放導(dǎo)致的氣溶膠潛力,單獨(dú)評(píng)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(shù);ω100R,R為第種不可再生資源剩余可采儲(chǔ)量物乙烯為基準(zhǔn)(光化學(xué)煙霧潛力系數(shù)為.0),某種(單位為年);m,為清單分析中每功能單位對(duì)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(fù)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(shù)量與相關(guān)POCP系人體毒性潛力( Health Toxic Potential,數(shù)乘積的和為HTP)表示污染物質(zhì)導(dǎo)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(shù)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(shù);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(guó)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(dǎo)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(shù)析的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行特征化為乘積的和為2005年5月胡志遠(yuǎn)等:燃料乙醇生命周期影響評(píng)價(jià)(6)的權(quán)重W(i=1,2,…,7)。式中:y為第i種酸化排放的AP系數(shù);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(dǎo)致全球變暖的能通過(guò)一致性比率CR對(duì)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(yàn)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(yīng)與同一瞬時(shí)排放1kg二氧化碳造成的累式中:C為隨機(jī)一致性指標(biāo);R1為平均隨機(jī)一致積輻射效應(yīng)的比值表示。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化性指標(biāo),是多次(大于500隨機(jī)判斷矩陣特征值專門委員會(huì)( Intergovernmental Panel on Climate重復(fù)計(jì)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A(chǔ)m=∑Aw,/nW(13)數(shù)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(shù)式中:為第i種溫室氣體排放的GWP系數(shù);當(dāng)CB<0.1時(shí),認(rèn)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(dāng)C>0.1時(shí),認(rèn)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(yàn)的各專家咨1.5.1標(biāo)準(zhǔn)化詢權(quán)重的算術(shù)平均值作為燃料乙醇生命周期影響首先對(duì)燃料乙醇生命周期影響評(píng)價(jià)各具體影評(píng)價(jià)中各具體影響類型的最終權(quán)重,如表2所示。響類型的特征化結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,消除它們?cè)诹烤V和量級(jí)上的差異為表2燃料乙醇環(huán)境影響權(quán)重C/STab 2 Environment impact weight of fuel ethanol式中:N為第i類具體影響類型標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果;C影響類型 EU NRDP HTP AQP POCP AP GWP為第讠類具體影響類型特征化結(jié)果;S為第i類權(quán)重0.1340.0980.2670.1140.1210.1060.160具體影響類型標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)值1.5.2權(quán)重1.5.3環(huán)境影響總水平值本文采用層次分析法和專家咨詢相結(jié)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型的權(quán)onment impact value,OEIV)為各具體影響類重。首先以可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)把所有具體影響型特征化值標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果的加權(quán)和為類型歸入可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)下的一組,根據(jù)重要性Pov=∑NW(14)標(biāo)度的方法,將不同具體影響類型對(duì)可持續(xù)發(fā)展式中:N為各具體影響類型特征化值標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)的影響程度進(jìn)行兩兩比較,通過(guò)專家咨詢得到不果;W,為相應(yīng)影響類型的權(quán)重同具體影響類型對(duì)可持續(xù)發(fā)展影響的重要性標(biāo)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(píng)價(jià)因素a;與a1比較相對(duì)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的重要性2.1中國(guó)煤化工標(biāo)度,且當(dāng)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)分量油車或刀C以M合燃料汽車行駛W,(i=1,2,…,7),把所得向量W=[W1,W2,…,20萬(wàn)公里為研究對(duì)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(dǎo)致的環(huán)境影響為功能單位,對(duì)燃內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)第23卷第3期料乙醇進(jìn)行生命周期影響評(píng)價(jià)。變暖潛力的影響為負(fù)值?！叭剂仙a(chǎn)”單元對(duì)全球2.2數(shù)據(jù)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(shù)是對(duì)酸化潛力、不可再生資源致竭潛力和能量據(jù)通過(guò)實(shí)地收集獲得。由于國(guó)內(nèi)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?車輛使響特征化數(shù)據(jù),而國(guó)外有關(guān)CO、CO2、NO2、SO2、用”單元對(duì)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(duì)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(dāng)量系潛力的影響,分別為5.57×10人/km和3.76數(shù)已基本達(dá)成共識(shí)(例如GWP系數(shù)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(guó)外研究成果中CO、CO2、NO2、SO2、周期階段對(duì)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(shù)-1,結(jié)合清單分析中相應(yīng)污染物8 EU放數(shù)據(jù),對(duì)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(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果GWP當(dāng)量作為EU、NRDP、HTP、AQP、POCP、AP和原料燃料生產(chǎn)燃燒庫(kù)車輛使用GWP的標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)。其中能量的使用和不可再生生命周期階段資源致竭基準(zhǔn)根據(jù)1990世界煤、石油和天然氣消耗總量計(jì)算得到,其它標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)根據(jù) Guinee圖4木薯燃料乙醇生命周期影響一階段的計(jì)算數(shù)據(jù)選取。標(biāo)準(zhǔn)化后的生命周期影響評(píng)價(jià)Fig4 Life cycle impacts of cassavabased ethanol結(jié)果如圖3所示。可見(jiàn),木薯燃料乙醇生命周期中by life cycle stages對(duì)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(jù)表2確定的權(quán)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(biāo)類別圖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(píng)價(jià)如圖4所示?？梢?jiàn),“原料生產(chǎn)”單元對(duì)中國(guó)煤化工DRP的影響最大,為2.22×105人/km;其次是CNMHG燃燒/車輛使用對(duì)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(zhǎng)過(guò)程中吸收CO2,“原料生產(chǎn)”單元對(duì)全球Fig 5 Life cycle OEIV of cassavabased ethanol2005年5月胡志遠(yuǎn)等:燃料乙醇生命周期影響評(píng)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(dāng)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(yuǎn)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(píng)價(jià)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2003,21(5)3結(jié)論341-345.[10]胡志遠(yuǎn),張成,浦耿強(qiáng),等.木薯乙醇汽油生命周(1)木薯燃料乙醇生命周期中對(duì)能量的使期能源、環(huán)境及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)[冂].內(nèi)燃機(jī)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(duì)NRDP的影響最大,占生命周期相應(yīng)指標(biāo)的47.29%;“原料生產(chǎn)”單元對(duì)全球變暖潛力的影響[12] Heijungs r, GuineeJB, Huppe G,eta.En為負(fù)值;“燃料生產(chǎn)”單元對(duì)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(yīng)指標(biāo)的61.12%;“燃燒/車I: Guide[M]. Leiden: Center for Environmental Sci輛使用"單元對(duì)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(yīng)指標(biāo)的83.58%。mental Life Cycle Assessment of Products. Vol. Il:(3)隨著木薯燃料乙醇在汽油中混合比例Backgrounds[ M]. 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