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先進高強鋼是汽車輕量化的更優選擇

   日期:2019-12-13     來源:世界金屬導報    評論:0       [ 進入汽車材料社區 ] [ 汽車材料館 ]
核心提示: 出于對環境的保護,美國聯邦政府對乘用車和輕型卡車的燃油效率和溫室氣體排放實施監管。為了達到日益嚴格的監管目標,汽車制造商正在研發并應用新技術,包括改進動力系統、增加空氣動力學考量、減少滾動阻力和減輕整車重量等。鋼鐵行業與汽車制造商合作,能夠實現汽車輕量化,為消費者提供具有更優性能的汽車。
   1、背景
  
  出于對環境的保護,美國聯邦政府對乘用車和輕型卡車的燃油效率和溫室氣體排放實施監管。為了達到日益嚴格的監管目標,汽車制造商正在研發并應用新技術,包括改進動力系統、增加空氣動力學考量、減少滾動阻力和減輕整車重量等。鋼鐵行業與汽車制造商合作,能夠實現汽車輕量化,為消費者提供具有更優性能的汽車。先進高強鋼(AHSS)使這些成為可能。材料的高強度使得采用更少材料(降低金屬板的厚度)就可以達到相同甚至改進的性能。而對燃油效率和尾氣排放的關注,加上相關標準的大幅收緊,正推動汽車制造商采用高成本的替代材料,以逐步改進。
  
  表1給出了不同車身結構材料的相對減重潛力及所需材料生產階段的溫室氣體排放對比情況。替換鋼鐵材料進行車體輕量化是否真的是最好解決方案?為此,美國鋼鐵協會(AISI)下屬的鋼鐵循環研究所(SRI)進行了一項綜合研究,評估了使用AHSS和鋁的輕型車輛在全生命周期內(含材料的整個生產階段、使用階段和報廢階段)對環境的總體影響,包括溫室氣體排放和能源消耗。
  
  2、研究概況
  
  本研究采用加州大學圣塔芭芭拉分校建立的經同行評審并公開的汽車材料比較模型(UCSB Model v5)對2016年的五類不同動力系統的汽車進行了評估,這五類汽車包括:配有汽油內燃機的中型轎車、SUV、皮卡、中型混合動力電動汽車(HEV)和緊湊型電池電動車(BEV)。
  
  該研究的主要設計和方法是,分別以鋁和AHSS為基,對基線車輛進行重新設計,以在總體性能相同的情況下減輕整車重量,隨后確定車輛全生命周期各階段和總體的溫室氣體排放量。SUV的溫室氣體排放模型如下圖所示。通過簡單的對比可知,在材料生產階段,AHSS輕量化汽車的溫室氣體排放量最低。使用階段,在只改變車身和車罩,其他部件等效的情況下,鋁輕量化汽車的溫室氣體排放量略低,相當于每加侖燃油效率提高0.8%或每加侖燃油多行駛0.26英里。報廢后,金屬會被再次熔化并重新投入使用。鋁因為其生產所需能源更多產生的負面影響也更大。然而,總體上鋁材在最初生產階段造成的溫室氣體排放的增加即使在生命周期的最后也難以消除。鋁輕量化減排的最好效果是與AHSS等效。
  
  該研究完成后,來自哈佛大學、麻省理工學院、阿貢國家實驗室和ThinkstEP的汽車生命周期評估專家小組對其進行了全面、獨立和具有批判性的審查。專家組證實該項研究符合國際標準化組織(ISO)關于生命周期評價的應用標準,對它給予了第三方認證。
  
  本研究的主要發現和基本結論如下:
  
  (1)針對所研究的每種汽車類別,使用AHSS進行輕量化在汽車全生命周期所產生的溫室氣體排放量都相當于或低于使用鋁進行輕量化的汽車。在每種車型的5000個案例中,超過90%的案例都證明,AHSS輕量化汽車的全生命周期溫室氣體排放量比鋁輕量化汽車要低。
  
  (2)針對所研究的每種汽車,使用鋁替代AHSS進行輕量化,都會導致材料生產階段溫室氣體排放和能源消耗顯著上漲,這些排放發生在汽車生命周期的初始階段。轎車、皮卡、SUV和混合動力汽車在采用鋁代替AHSS時,材料生產階段溫室氣體的排放量增加30%-60%不等。
  
  (3)鋁代替AHSS對汽車進行輕量化導致材料生產階段溫室氣體排放量急劇增加,這種增加在汽車報廢之前不會被抵消,而在某些情況下幾乎永遠不會被抵消。以SUV為例,鋁輕量化的SUV全生命周期溫室氣體排放量較AHSS輕量化SUV增加0-6%不等。
  
  (4)在某些情況下,鋁輕量化汽車全生命周期溫室氣體排放量甚至高于原有的未輕量化的基線汽車。在這種情況下,若只關注溫室氣體排放這一指標,則不輕量化要優于用鋁進行輕量化。
  
  (5)為解決研究和實際操作中存在的不確定性和數值變化問題,本研究采用蒙特卡羅模擬對幾個關鍵變量的數值范圍進行了測試。即使是在輸入數值更利于鋁輕量化汽車時,90%的情況下也是AHSS輕量化汽車具有更低的全生命周期溫室氣體排放量。
  
  (6)原鋁來源對鋁車輛的溫室氣體排放有顯著影響。按重量計算,北美原鋁生產的溫室氣體排放量是鋼材的4-5倍,而進口原鋁的溫室氣體排放量約是鋼材的8-9倍。北美汽車生產中使用的大部分鋼材都是在當地生產的。相比之下,過去幾年,北美的原鋁進口量則大幅增長,2016年進口占比已達42%。
  
  3、現實意義
  
  這項研究的結果在現實世界中意味著什么呢?1千克CO2的排放意味著什么?該研究計算的是每輛汽車溫室氣體排放量的差異,當這個數字乘以特定年份的汽車產量時,溫室氣體排放量就變得非常顯著。
  
  采用AHSS和鋁對2016年的上述五類車型進行輕量化,比較全生命周期中所產生的溫室氣體排放量,AHSS輕量化汽車較后者全年可減少1200萬噸溫室氣體排放(采用美國環境保護署的溫室氣體當量計算法對620萬輛汽車計算所得,這一數量是2016年汽車總量的三分之一),這相當于160萬美國家庭每年用電所產生的溫室氣體排放量,還相當于消耗12億加侖汽油,或一般乘用車行駛267億英里,或全年運行2757臺風力渦輪機,或1280萬英畝的美國森林吸收的CO2。
  
  此外,研究還提到,使用AHSS進行輕量化成本效益更優,并且能夠提供更多的就業機會。生產鋁消耗的能源是生產鋼材的7倍。因此,鋁用于車體結構的成本大約是鋼材的2-3倍。已經發表的幾項研究表明,在一般汽車上采用鋁輕量化部分組件將比采用AHSS的平均成本高出至少600美元。而由成本增加帶來的價格上漲會直接影響汽車的銷量,從而影響與汽車及其零部件生產相關的工作崗位的數量。與此同時,對于消費者來說,汽車成本越高,其保險和修理費用越高,購車和用車的總成本也會增加。此外,采用AHSS進行輕量化對汽車制造商目前的基礎設施的破壞性最小,因為它不會影響目前汽車制造商制造和組裝的進程。
  
  綜上所述,在考慮減輕整車重量時,只關注使用階段的尾氣排放可能會導致輕量化汽車全生命周期的溫室氣體排放總量增加。這一增長是由AHSS和鋁在材料生產階段排放的顯著差異造成的。鋁生產階段溫室氣體排放量的增加可能超過其在汽車使用和回收階段帶來的減排效應。
  
  美國鋼鐵市場開發研究所(SMDI)汽車市場部的副主席Jody Hal l表示,隨著汽車尾氣排放量的逐步減少及達標,生產排放將成為汽車綜合環境影響的一個更為重要的組成部分。如果繼續忽視材料生產階段的溫室氣體排放,那么對環境的負面影響在汽車投入使用之前就已經開始了。鋼鐵材料提供了最佳的環境解決方案,并且是汽車制造商的最佳性能和成本效益解決方案,也為消費者提供了最優價值。
 
 
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