Interaction between New Car Design and Recycling Impact on Life Cycle Assessment

Abstract

The use of lightweight materials and multi-material concepts in car manufacturing has been focused to produce more sustainable vehicles. This has resulted in significant reduction of carbon dioxide (CO₂) emissions during use phase to achieve the strict vehicle emission standards. Nevertheless, the varied range of joining techniques used to join multi-material vehicle designs presents challenges at the end-of-life, especially the feasibility of current recycling processes to recover materials in a closed-loop recycling.

Life Cycle Assessment has been widely used to assess the environmental impacts throughout the vehicle life cycle stages. However, the correlation between the increasing development in new multi-material vehicle designs, and the commonly used shredding process for material recovery is not captured well in the current analysis. This paper presents a dynamic hypothesis that illustrates the time effect on life cycle analysis of a car to investigate the challenges associated to the material recovery efficiency. It shows that the short term effective reduction in environmental impact through multi-material structures have consequently created a long term effect of increasing waste produced. Thus, the current evolution in automotive industry adheres to the widely studied “Fixes that Fail” system archetype.

copy; 2015 The Authors. Published by Elsevier B.V. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

Peer-review under responsibility of the scientific committee of The 22nd CIRP conference on Life Cycle Engineering

copy; 2015 The Authors. Published by Elsevier B.V.

Peer-review under responsibility of the International Scientific Committee of the Conference “22nd CIRP conference on Life Cycle

Engineering.

Keywords: Life Cycle Assessment; System Dynamics; lightweight vehicle; joining technologies; recycling efficiency; end-of-life vehicles; waste

Introduction

The use of vehicles powered by fossil fuels has been identified as a major contributor to carbon dioxide (CO₂) emissions and air pollution. In order to curb these environmental issues, implementation of policy initiatives such as the vehicle emissions limit in European Commission Regulation (EU) no 136/2014 [1] has pressured manufacturers to design and produce low-emission vehicles.

In recent years, vehicle manufacturers have been focusing on improving fuel efficiency of cars to meet the strict CO₂ emissions regulation. Many of the design decisions made have targeted a reduction in overall vehicle mass and a decrease in the negative environmental impacts during use phase. Therefore, the adoption of lightweight materials in vehicle design has become widespread. Nevertheless, the choice of

materials used in vehicle design has several crucial impacts such as cost, safety and recyclability of materials.

Multi-material structures have been incorporated with the usage of more lightweight materials such as alternative metals, polymers, and composites to maximise the potential of vehicle mass reduction. This has led to the introduction of a variety of joining techniques. The joining of dissimilar materials in particular for metals and non-metals are limited to choices such as adhesive bonding and mechanical fastenings.

The rapid pace of automotive technology development has shown a significant growth in end-of-life vehicles (ELVs) waste streams globally. The number of ELVs is projected to increase continuously [2]. ELV recycling plays an important role in maximising recovery of high quality materials that can eventually be reused in a closed-loop vehicle manufacturing system. It is crucial to choose the proper combination of materials and joining techniques to achieve the optimal

recycling. Most of the current recycling facilities are only capable of recovering metals cost-effectively [3], and the trend of new car designs is showing an increasing usage of light metals, plastics and composites that are not traditionally recovered. Although there has been many research done to improve the recycling technologies, it still remains a challenge to benefit from such development due to the profit-driven nature of the recycling industry.

To assist in designing and manufacturing low emission vehicles, manufacturers have been using Life Cycle Assessment (LCA) to assess the environmental impacts of the whole vehicle life cycle. In LCA the use phase is often a focus due to the significant contribution to the global warming potential (GWP). This is currently addressed through the use of more lightweight materials and multi-material designs in new vehicles.

This paper investigates the gap between the current recycling practices and its effect on the materials recovery of new car design over time. A sensitivity analysis will be carried out to understand the effect of reducing recycling efficiencies that reflects on the increasing difficulty to recover materials from multi-material design and their associated joining methods, and how this can have an impact on the LCA results. This behaviour is then described with a dynamic hypothesis to account for the environmental impact changes over time.

Background

• 1. Material Evolution in Automotive Industry

Conventional steel has been slowly replaced with high strength-to-weight ratio materials such as aluminium, advanced high strength steel (AHSS), magnesium, and carbon fibre composites. Thus, the total vehicle mass reduced gradually until 1990 and increased slightly thereafter due to the demand for better interior comfort design, performance, and improved safety featur

新车设计与回收对生命周期评估影响的相互作用

摘要

在汽车制造中使用轻质材料和多材料概念一直致力于生产更具可持续性的车辆。这导致在使用阶段期间二氧化碳（CO₂）排放显着减少，以实现严格的车辆排放标准。然而，用于连接多材料车辆设计的各种连接技术在寿命结束时提出了挑战，尤其是当前回收过程在闭环回收中回收材料的可行性。

生命周期评估已被广泛用于评估整个车辆生命周期阶段的环境影响。然而，在当前的分析中没有很好地捕捉到新的多材料车辆设计的增加的发展与用于材料回收的常用的粉碎过程之间的相关性。本文提出了一个动态假设，说明了汽车生命周期分析的时间效应，以研究与材料回收效率相关的挑战。它表明，通过多种材料结构短期有效减少对环境的影响，从而产生了增加产生的废物的长期效果。因此，当前汽车工业的发展遵循广泛研究的“修复失败”系统原型。

关键词：生命周期评估;系统动力学;轻型车辆;加入技术;回收效率;报废车辆;浪费

介绍

使用由化石燃料驱动的车辆已被确定为二氧化碳（CO₂）排放和空气污染的主要原因。为了遏制这些环境问题，欧盟委员会法规（EU）第136/2014号[1]中的车辆排放限制等政策举措的实施迫使制造商设计和生产低排放车辆。

近年来，汽车制造商一直致力于提高汽车的燃油效率，以满足严格的CO₂ 排放法规。制定的许多设计决策都旨在降低整体车辆质量，减少使用阶段的负面环境影响。因此，在车辆设计中采用轻质材料已经变得普遍。尽管如此，选择

用于车辆设计的材料具有若干关键影响，例如材料的成本，安全性和可回收性。

多材料结构已经结合使用更轻质的材料，例如替代金属，聚合物和复合材料，以最大化车辆质量减少的潜力。这导致了各种连接技术的引入。特别是金属和非金属的不同材料的连接局限于诸如粘合剂粘合和机械紧固的选择。

汽车技术发展的快速发展表明全球报废车辆（ELV）废物流量显着增长。ELV的数量预计会不断增加[2]。ELV回收在最大限度地回收高质量材料方面发挥着重要作用，最终可以在闭环车辆制造系统中重复使用。选择适当的材料组合和连接技术以达到最佳效果至关重要

回收。目前大多数回收设施只能经济有效地回收金属[3]，新车设计的趋势显示，传统上不能回收的轻金属，塑料和复合材料的使用量增加。尽管已经进行了许多改进回收技术的研究，但由于回收行业的利润驱动性质，仍然需要从这种开发中受益。

为协助设计和制造低排放车辆，制造商一直在使用生命周期评估（LCA）来评估整个车辆生命周期的环境影响。在LCA中，由于对全球变暖潜能值（GWP）的显着贡献，使用阶段通常是焦点。目前通过在新车辆中使用更轻质的材料和多材料设计来解决这个问题。

本文研究了目前的回收实践与其对新车设计材料回收的影响之间的差距。将进行敏感性分析，以了解降低回收效率的效果，这反映了从多材料设计及其相关连接方法中回收材料的难度增加，以及这对LCA结果的影响。然后用动态假设描述这种行为，以考虑环境影响随时间的变化。

背景

• 1. 汽车工业的材料演变

传统钢材已逐渐被高强度重量比材料取代，如铝，先进高强度钢（AHSS），镁和碳纤维复合材料。因此，由于需要更好的内部舒适性设计，性能和改进的安全性特征，车辆总质量逐渐减少到1990年并随后略有增加[4]。制造商已经付出了巨大努力来替换具有高强度重量比材料的常规钢，以减少质量，同时保持挤压区的刚度，耐久性和能量吸收能力[5]。从图1中可以看出车辆制造中使用的轻质材料的趋势。

通过使用轻质材料和多材料设计，车辆质量减少潜力得到了充分优化[6,7]。材料的选择与高集中载荷区域或加固结构中的强度重量比紧密相关。白车身（BIW）结构通常用于混合材料设计，因为钢的密集使用会显着影响整车质量。例如，莲花工程公司开展了一项案例研究，将2009年丰田Venza基于4种不同材料（如铝，镁，钢和复合材料）的BIW质量控制在40％。然而，不同材料的组合进一步引入了广泛的连接方法，例如结构粘合剂和机械紧固件[8,9]。

• 1. 加入方法

所使用的连接技术的选择受到多种材料组合的强烈影响。过去，焊接技术主要用于连接类似的金属。多材料设计的趋势给两种具有不同机械性能的材料选择正确的连接技术带来了越来越大的困难，从表1中的材料连接矩阵可以看出。连接的选择存在局限性，特别是对于金属和非金属部件。通常使用粘合剂粘合和机械紧固，因为与新引入的连接方法相比成本低。为了加强组合材料之间的连接，混合连接 - 一些连接方法的组合，并涉及至少一种机械连接或粘接 - 已被广泛用于生产高质量的粘接，更广泛应用于超轻材料[10]。

表1：材料连接矩阵。

铝 钢 镁复合材料铝 a b c d a b c a b c b c

钢 a b c d a b c b c

镁 a b c d* b c

复合材料 b c

a：TIG和MIG焊接

b：粘合剂粘合 介绍其他材料

100%

90%

80%

铝和镁

铜，黄铜等

c：机械紧固d：电阻焊接

*不是大规模生产

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0%

1996 1999 2002 2005 2008 2011

金属

塑料/塑料复合材料和其他材料

高中强度钢

普通钢，不锈钢，铸铁件等

• 1. 汽车生命周期评估

基于在整个车辆生命周期阶段（原材料采购，制造，使用和报废（EOL）阶段）执行的LCA，车辆运行阶段已被确定为环境影响的主要贡献者[11,12]。因此，制造商通过广泛的研究强调了车辆质量减少的潜力。虽然通过这项努力已经认识到全球升温潜能值和能源消耗的显着改善，但固体废物的数量却在增加。因此，试图减少车辆使用阶段的负面影响间接地促使产生的废物增加。在车辆设计中使用更多塑料和复合材料尤其如此，这些材料大部分都是在垃圾填埋场中进行的。在设计阶段选择材料及其相关的连接技术会对ELV的可回收性产生不利影响。

图1：在车辆设计中增加轻质材料的使用[5]。

• 1. 汽车回收的挑战

金属粉碎和分选过程是最常用的回收过程，以相对低的成本回收有价值的金属。由于高回报率，钢是回收的主要材料，特别是对于旧车辆结构。然而，不断增加的多材料设计为当前的回收商设置了障碍，以回收高纯度的有价值材料，从而降低其利润率[3]。越来越多地使用塑料和复合材料进一步引入了大量填埋的汽车粉碎残渣[14]。

如图2所示，新车辆设计中使用的连接技术种类越来越多，也阻碍了实现高回收效率的潜力。在之前的研究中，回收金属的百分比通常估计相对较高，约为90-95％[ 11,15]。上述研究并不代表粉碎后混合材料的增加部分。例如，含有铝和镁的组合的切碎部分没有进一步区别，而是保留在铝部分中[16]。

图2：标准ELV回收（改编自[18]）。

新车设计中没有充分考虑当前回收设施应对不同材料回收的能力。尽管在初始车辆设计阶段已经采用了回收和拆卸设计，但从回收商的角度来看，经济方面并没有被考虑[17]。

方法

• 1. 研究目的

本文旨在参考相应的3年：1980年，1995年和2010年评估车辆的环境影响.LCA用于根据ISO对整个车辆生命周期阶段的环境影响进行定性分析。 14040系列[18]。一个

进行敏感性分析以了解回收效率对环境绩效结果的影响。为了解释LCA的时间维度[19]，系统动力学方法用于解释新车辆设计概念，预期环境效益的出现以及可行的ELV回收技术的影响之间的长延迟的影响。动态假设[20]。

• 1. 系统边界

车辆的环境影响评估基于包括运输在内的整个生命周期阶段。该研究仅考虑了当前车辆结构中主要使用的主要材料：常规钢，先进高强度钢（AHSS），铝和玻璃纤维增​​强塑料（GFRP）。分析仅限于汽车使用寿命期间的汽油消耗量。假设在回收阶段未回收的材料被填埋。系统边界如图3所示。

图3：车辆LCA的系统边界。

• 1. 功能单位

功能单元是关于汽车的生产，使用和再循环3年。每种特殊材料的原料提取和制造过程都包含在该分析的生产阶段中。在使用阶段，假设车辆在其寿命期间平均行驶了15万公里，平均为10年。EOL阶段仅考虑粉碎过程，因为它是回收设施最常用的过程。回收材料的环境效益包括在该生命周期分析中。船舶，铁路和卡车等运输包括在流程生命周期清单中规定的各个阶段。

• 1. 生命周期清单（LCI）

LCI包括关于产品系统中的材料和能量分析的输入和输出流。物质流反映了在过程中使用和释放的资源，例如排放到空气中的废物，

土壤和水。在本研究中，包含运输的每种材料（钢，铝和GFRP）的生命周期清单均来自国家可再生能源实验室，该实验室基于北美情景[21]。由于复合材料的数据不可用，GFRP材料近似由聚丙烯和30％E-玻璃[22]生产。

首先，编制了每种特殊材料相对于1kg质量的LCI。LCI中使用的每种材料的制造工艺均来自Puri等[12]，见表2.在使用阶段，污染物排放近似为每种材料质量和燃料效率的函数。每个年度的改善[23,24]。然后将车辆整体切碎以取回有价值的材料。

表2. LCI中的材料流程。

相 铝 钢 GFRP

通过加强和平衡循环的模型可以进一步分为相应的系统原型 - 系统模式行为的表达 - 来理解动态结构的可能结果[26]。在这项研究中，提出了一个影响图来说明新车设计，回收和生命周期分析的影响。然后使用系统原型来反映分析中发现的行为系统。

结果

• 1. 生命周期影响评估结果

影响评估结果是通过使用特征因子并将相关清单数据与每个影响类别相结合而产生的。目前汽车回收的粉碎回收效率估计约为钢铁的96％和铝的25％[27]，

生产 铝土矿提取

冷轧和冲压

铁矿石提取

冷轧和冲压

矿物提取

E-玻璃纤维（30％）和聚丙烯树脂

而复合材料被视为残留物被填埋[12]。这些回收率反映在图4的分析中。

使用 汽油提取，油耗

回收 粉碎工艺，磁选机

pers.year 生产 使用 回收 净结果

6.00

1995

沃斯特

e

格沃普

资源

1980 1995 2010

2010

1980

1980 1995 2010

为了计算不同年份的汽车LCI，计算各年份每种材料的成分。数据如表3所示。

表3.车辆的材料成分和燃料消耗[5,23]。

描述	1980	1995	2010
车辆质量（kg）	1525.43	1675.57	1832.51
铝质量（kg）	58.97	104.78	156.04
钢的质量（kg）	1099.05	1120.83	1093.61
塑料复合材料的质量（kg）	88.45	108.86	171.46
终身燃油消耗（L / kg）	9.94	7.88	5.57

• 1. 生命周期影响评估（LCIA）

5.00

4.00

3.00

2.00

1.00

0.00

-1.00

-2.00

-3.00

图4：每个类别的标准化结果。

LCIA旨在了解与LCI输入和输出数据相关的环境影响[18]。在本研究中，仅基于EDIP 2

资料编号：[5207]

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