《TRANSPORTATION RESEARCH PART D-TRANSPORT AND ENVIRONMENT》：LCA-based comparisons of alternative powertrains of city buses using real-world driving cycle
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摘要交通运输行业是全球碳排放的主要来源，因此转向公共交通及低排放动力系统至关重要。本研究采用两种方法对柴油车、电池电动公交车以及氢燃料电池电动公交车进行了生命周期评估：一种是基于平均燃油消耗量的综合排放型生命周期评估，另一种则是利用GPS获取的驾驶数据，并结合CMEM和COPER
摘要
交通运输行业是全球碳排放的主要来源，因此转向公共交通及低排放动力系统至关重要。本研究采用两种方法对柴油车、电池电动公交车以及氢燃料电池电动公交车进行了生命周期评估：一种是基于平均燃油消耗量的综合排放型生命周期评估，另一种则是利用GPS获取的驾驶数据，并结合CMEM和COPERT 5.6模型计算每秒排放量的实际驾驶循环生命周期评估。在所有动力系统和能源路径下，实际驾驶循环生命周期评估得出的全球变暖潜力值均高于综合排放型生命周期评估，差异范围从使用可再生能源充电的电池电动公交车的8.66%到柴油公交车的36.48%不等。使用绿色氢能的氢燃料电池电动公交车其全球变暖潜力值比柴油公交车低85.50%，而在包括可再生能源和核能在内的低碳电力供应路径下，电池电动公交车的全球变暖潜力值最低。这些研究结果凸显了在降低交通运输行业全球变暖潜力值时，考虑车辆动力系统及上游能源来源的重要性。
引言
尽管预计可再生能源的使用比例将会上升，但石油燃料仍占据着交通运输领域能源消耗的主导地位（美国能源信息署，2021年）。这类燃料的燃烧是温室气体产生的主要源头之一。在全球范围内，交通运输行业贡献了16.2%的温室气体总排放量，其中公路运输占比11.9%。而在公路运输所产生的排放中，又有60%来自乘用车（Our World in Data，2020年）。为减少交通运输工具的排放，全球各地正在制定并实施更为严格的排放标准及其他汽车相关法规。采用替代能源为交通运输提供动力也是降低排放的另一有效途径。
在交通领域的替代能源中，电动汽车颇具前景。电池电动车辆和氢燃料电池电动车辆均可归类为电动汽车，因为它们都是通过电动机驱动车轮行进。不过，这两种车辆在车载能量存储装置以及将能量转化为机械动力的动力系统方面存在差异。与化石燃料驱动的车辆不同，电动汽车被视为未来清洁的交通工具，因为它们不存在车内燃料燃烧及尾气排放问题。然而，从上游的能源勘探与生产阶段，到电动汽车的使用阶段，依然存在各种排放及其他环境影响。不同的能源来源会导致不同的能源生产路径，进而产生不同的排放量。除了燃料使用阶段的排放外，还有车辆生产、使用以及报废阶段的排放。电池电动车辆完全依赖可充电电池来提供动力，而氢燃料电池电动车辆则采用双能源系统：储存在储罐中的氢气用于为燃料电池供电，同时还有可充电电池在负荷高峰或再生制动时提供辅助动力（Energy，2023年；Friel，2010年；Mitra等人，2022年）。这类可充电电池的生产过程能耗高且排放量大（Qiao等人，2017年；Yang等人，2021年）。将电池电动车辆和氢燃料电池电动车辆的运行排放追溯到上游阶段后，其数值将取决于车辆充电时所使用的电网的碳足迹以及氢气的来源。
除了转向更清洁的替代动力系统外，政策制定者和研究人员还倡导人们多使用公共交通工具而非私人车辆，以此降低人均行驶里程的碳足迹。由于研究人员和政策制定者都将公共交通视为缓解交通拥堵和减少排放的有效手段，因此本研究选择了配备替代动力系统的城市内巴士作为研究对象。
要全面、公正地评估各类替代动力系统的环境影响，就有必要考察从原材料开采到车辆处置，从能源生产到能源使用的各个环节的排放情况。仅关注某一环节很可能会导致错误的结论。只有对整个车辆及其燃料的整个生命周期进行整体评估，才能获得关键信息，为制定科学的政策提供依据。生命周期分析是一种强大的工具，它能够系统地评估产品从诞生到报废整个生命周期内的环境影响，涵盖原材料开采、制造、使用以及报废处理等各个阶段。第3节将对生命周期分析进行详细阐述。
本研究旨在运用生命周期分析框架，评估柴油车、电池电动公交车以及氢燃料电池电动公交车这三种城市公交替代动力系统的环境影响。本研究采用了两种生命周期分析方法：一种是基于平均燃油和能源消耗量的综合排放型生命周期分析，另一种则是结合GPS获取的驾驶数据以及车辆特定功率参数，以反映实际运行情况的实际驾驶循环生命周期分析。研究的目的是量化驾驶动态和载重变化对生命周期分析结果的影响，进而确定在真实的城市运行条件下，哪种动力系统的整体环境影响最小。
以往针对替代公交动力系统的生命周期分析研究，大多依赖于标准化的或模拟的驾驶数据、电网平均能源假设以及简化的能源供应链模型，这些因素限制了它们准确反映实际运行中的变化情况以及新兴的低碳能源发展路径。为弥补这些不足，本研究做出了三项重要贡献：第一，本研究开发并应用了实际驾驶循环生命周期分析框架，该框架整合了GPS获取的驾驶数据、车辆特定功率参数以及载重变化情况，从而更真实地反映城市公交车辆的瞬时运行状况及其对能源消耗和排放的影响；第二，本研究在电池电动公交车和氢燃料电池电动公交车的生命周期分析中明确纳入了本地可再生能源，这使得人们能够清晰地评估那些在以往同类研究中很少被考虑的分散式及站点级电力和氢气供应策略；第三，本研究基于在高密度城市环境中实际运行的公交车辆开展实证性生命周期分析，这类城市环境的特点是车辆频繁启停且载重不断变化，研究结果对于那些交通拥堵的大都市公共交通系统具有普遍参考价值。
本文的其余部分结构如下：第2节将对相关文献进行综述；第3节详细介绍生命周期分析的方法；第4节展示研究结果，并将其与现有研究结果进行对比；第5节则总结主要研究发现并探讨相应的政策启示。
章节节选
文献综述
已有众多研究运用生命周期分析方法，评估各类车辆（如汽车、公交车、卡车）以及不同动力系统（如汽油发动机、柴油发动机、电池电动系统、氢燃料电池系统）的环境影响。这类评估通常采用从燃料生产到最终使用的“从井口到车轮”分析方法，或者采用涵盖车辆制造、使用以及报废处理全流程的“从摇篮到坟墓”综合分析方法。
已有不少研究开展了“从井口到车轮”分析，
生命周期分析
ISO标准14,040（ISO，2006a）和14,044（ISO，2006b）规定了进行产品生命周期分析时应遵循的四个阶段：1.明确分析目标和范围；2.进行清单分析；3.开展影响评估；4.对评估结果进行解读。目标与范围的明确工作在3.1节中介绍，清单分析则在3.2节中阐述。清单分析包括收集现有文献中的数据、构建驾驶循环模型以及估算相关排放量。生命周期分析的影响评估阶段的相关内容在
生命周期分析结果
本节展示了运用综合排放型生命周期分析和实际驾驶循环生命周期分析方法所获得的分析结果。通过将这些方法的分析结果在不同替代动力系统及能源路径下进行直接比较，可以了解这两种方法的差异。同时，为了便于对比，本研究还将柴油公交车作为两种生命周期分析方法中替代动力系统及能源路径的参照对象。不同能源路径下各类替代动力系统的每公里全球变暖潜力值，通过综合排放型生命周期分析和实际驾驶循环生命周期分析得出的结果分别列于
结论与政策启示
本研究从两个方面深入分析了城市公交车辆的生命周期分析问题：其一，比较了综合排放型生命周期分析和实际驾驶循环生命周期分析所得出的分析结果之间的差异；其二，分析了在不同能源路径下各类替代公交动力系统的环境性能表现。本研究分别运用两种评估方法对内燃机驱动的公交车、氢燃料电池电动公交车以及电池电动公交车进行了生命周期分析。虽然基于平均值的分析方法依赖于汇总后的燃油和能源消耗数据，但基于实际驾驶数据的分析方法则能反映瞬时的能源和燃油消耗情况
未来研究方向
本研究证明了在城市公交车辆的生命周期分析中纳入实际驾驶动态数据的重要性，不过仍有若干亟待开展的拓展研究。首先，若能将基于实际驾驶数据的生命周期分析框架应用于不同路线以及交通状况各异的城市运行环境中，就可以进一步评估分析结果的通用性，同时量化交通拥堵程度、站点分布密度以及驾驶行为对车辆整个生命周期环境影响的大小。
第二个需要重点研究的方向是
科学写作中生成式人工智能的使用声明
在撰写本研究的过程中，作者们使用了ChatGPT（OpenAI）来协助编写Python代码以及修正LaTeX语法。在使用该工具之后，作者们对代码和手稿进行了必要的审查和修改，并对最终发表的文章内容负全部责任。
CRediT作者贡献说明
Rokom Perme：负责文章的初稿撰写、方法设计、实验研究、正式数据分析、数据整理以及概念构思工作。Gitakrishnan Ramadurai：负责文章的审阅与编辑、结果验证、研究指导、资源协调、资金筹集以及概念构思工作。
利益冲突声明
作者声明自己不存在任何可能影响本研究结果的已知利益冲突或个人关系。
Rokom Perme|Gitakrishnan Ramadurai
印度泰米尔纳德邦金奈市，印度理工学院马德拉斯分校土木工程系，邮编600036
