面向產(chǎn)品制造過程的碳效率評價(jià)方法研究

孫銘蔚， 狄 飛，2， 李晶瑩， 王 營， 夏 青

（1.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心有限公司， 北京100044； 2.機(jī)械科學(xué)研究總院， 北京 100044）

0 引言

產(chǎn)品制造過程碳排放核算問題一直是全球性的重大環(huán)境議題，隨著《巴黎協(xié)定》的實(shí)施加快了實(shí)現(xiàn)全球低碳轉(zhuǎn)型的進(jìn)程，并繼續(xù)推動各國加強(qiáng)制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，加強(qiáng)布局綠色制造和低碳發(fā)展的規(guī)劃， 為此許多國家都提出了一系列嚴(yán)格的政策上的倡議以促進(jìn)低碳發(fā)展制造業(yè)。 聯(lián)合國政府間氣候變化委員會研究指出：工業(yè)革命之后， 工業(yè)化生產(chǎn)生活是導(dǎo)致大氣中二氧化碳含量增多的主要因素，碳排放主要源于工廠生產(chǎn)制造。 但除少數(shù)先進(jìn)或高端制造企業(yè)外， 大多數(shù)制造業(yè)企業(yè)在低碳轉(zhuǎn)型過程中面臨著技術(shù)、成本和研發(fā)上的難題。

近幾年來， 國內(nèi)外學(xué)者研究并提出了諸多有關(guān)碳足跡與碳效率核算的方法，使得精益低碳生產(chǎn)應(yīng)用于綠色制造中。Cai 等[1]根據(jù)2017 年相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析指出全球制造業(yè)能耗巨大，約45.52 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，約占總能耗的24%，并提出了精益節(jié)能減排理念有效提高能源效率和減少廢物排放，全面追求能源利用率和廢物排放的合理性。 本文將通過分析產(chǎn)品在制造過程中的碳排放形式、 特點(diǎn)等開展碳效率評估方法研究，為決策者提供產(chǎn)品制造過程碳效率評估思路。

1 低碳制造發(fā)展現(xiàn)狀

早在2009 年， 英國政府就提出了英國低碳轉(zhuǎn)化計(jì)劃，并計(jì)劃于2020 年將碳排放量在1990 年基礎(chǔ)上減少到之前的66%，自此“低碳”理念正式拉開帷幕。 截至2021年3 月，《巴黎協(xié)定》簽署方達(dá)195 個(gè)，全球提出碳中和目標(biāo)的國家共有128 個(gè)[2]。 蘇里南及不丹已實(shí)現(xiàn)碳中和，中國及哈薩克斯坦將目標(biāo)年定為2060 年，其余國家將目標(biāo)設(shè)置在2050 年及之前。 這些提出碳中和目標(biāo)的國家約占全球溫室氣體排放的65%，約占全球經(jīng)濟(jì)總量的70%。 以歐盟、德國、美國、英國、日本等為首的發(fā)達(dá)國家地區(qū)碳達(dá)峰、 碳中和發(fā)展路線如表1 所示， 包含了從當(dāng)前至2030年、再到2050 年的減碳消碳計(jì)劃。

表1 世界發(fā)達(dá)國家地區(qū)碳達(dá)峰、碳中和發(fā)展路線

我國作為世界第一制造大國的同時(shí)也是世界第一碳排放國家。根據(jù)英國石油公司BP 與世界銀行2020 年數(shù)據(jù)顯示，中國碳排放總量近99 億噸，占全球30.7%，超過美歐日總和；中國碳排放強(qiáng)度（即單位國民生產(chǎn)總值的增長所產(chǎn)生的二氧化碳排放量）仍處于世界較高水平，是世界平均水平的2.1 倍，美國的3.4 倍，德國的3.6 倍，歐盟的5.3倍；人均碳排放7.1 噸/人，高出世界平均水平（4.2 噸/人）近70%[3]。 因此政府監(jiān)管、社會責(zé)任、市場導(dǎo)向、客戶需求和可持續(xù)發(fā)展等各方需求迫使制造業(yè)企業(yè)向低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。

2 產(chǎn)品制造過程碳效率核算方法

在國內(nèi)能源產(chǎn)業(yè)格局中，產(chǎn)生碳排放的化石能源包括煤炭、石油、天然氣等，占能源消耗總量的84%，而不產(chǎn)生碳排放的水電、風(fēng)電、核能和光伏等僅占16%。隨著能源需求的劇增也伴隨著大量的碳排放產(chǎn)生，實(shí)行碳排放量化核算是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵決策因素，能夠?qū)a(chǎn)量與能源消耗以及環(huán)境排放相結(jié)合。

2.1 制造過程碳排放特點(diǎn)

目前國內(nèi)產(chǎn)品制造系統(tǒng)主要呈現(xiàn)離散型分布與非線性的多層級復(fù)雜制造系統(tǒng)，不同層級間的碳排放在流動過程中具有層次性和交匯特性，且生產(chǎn)系統(tǒng)通常由不止一條工藝鏈構(gòu)成，系統(tǒng)內(nèi)的能量消耗與物質(zhì)消耗情況復(fù)雜[4]。

在產(chǎn)品制造系統(tǒng)中，目前國際上ISO 14064、ISO 14067、GHG Protocol、PAS 2050 規(guī)范等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對于碳排放的分類是根據(jù)其排放特性分為直接碳排放和間接碳排放。 根據(jù)產(chǎn)品在制造過程中的工藝情況也可將其稱為一次排放和多次排放。本文按照ISO 14067 和GB/T 26119-2010《綠色制造 機(jī)械產(chǎn)品生命周期評價(jià)總則》 所規(guī)定的相關(guān)術(shù)語進(jìn)行定義碳效率與碳排放相關(guān)內(nèi)容。 所謂直接排放或一次排放，是在產(chǎn)品制造過程中，物質(zhì)間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的碳排放；間接排放或多次排放，是生產(chǎn)設(shè)備服役過程中、能源消耗、廢棄物處理、工廠車間電能使用過程中的碳排放。依據(jù)碳排放情況將產(chǎn)品制造過程劃分為四個(gè)層級S={S1設(shè)備級，S2工藝級，S3車間級，S4工廠級}，圖1 為四個(gè)層級碳排放流量示意圖，表示當(dāng)制造任務(wù)下達(dá)后，碳排放來源于各層級間在接收訂單到完成生產(chǎn)任務(wù)過程中工藝單元系統(tǒng)內(nèi)的所有設(shè)備對資源消耗后的貢獻(xiàn)量。

圖1 產(chǎn)品制造過程各層級碳排放流量示意圖

2.2 碳足跡與碳效率評價(jià)

就碳足跡而言，Wiedmann 等[5]針對產(chǎn)品全生命周期碳足跡作出定義， 定義指出一方面碳足跡是對某產(chǎn)品或活動在直接或間接情況下產(chǎn)生二氧化碳排放總量的測量， 另一方面這種測量也是對產(chǎn)品生命周期內(nèi)輸入輸出二氧化碳總量的累積計(jì)量。而對于碳效率評價(jià)，是將產(chǎn)品制造過程中的能源消耗情況和環(huán)境影響情況有效結(jié)合在一起，再通過綜合考慮生產(chǎn)時(shí)間、產(chǎn)量、成本等變量因素建立的一種反映產(chǎn)品制造系統(tǒng)生產(chǎn)性能的指標(biāo)。

無論是“碳足跡”還是“碳效率”概念，研究其最根本目的是合理地通過二氧化碳這一指標(biāo)來衡量產(chǎn)品制造過程對全球變暖的影響程度，采用直接碳排放和間接碳排放的方式來分析產(chǎn)品制造過程中碳排放與產(chǎn)品之間的分配關(guān)系，使得在制造過程中有目的、有方向的提高節(jié)能減排水平。 針對產(chǎn)品制造過程動態(tài)的、多層級的碳排放特點(diǎn)，如何對產(chǎn)品制造過程中碳排放進(jìn)行定量核算與分析是實(shí)現(xiàn)低碳制造亟需解決的問題，后續(xù)才能為完善產(chǎn)品全生命周期碳足跡數(shù)據(jù)庫與建立碳足跡標(biāo)簽提供有效數(shù)據(jù)支撐。

面對產(chǎn)品制造過程中碳足跡核算問題，田有全[6]提出了一種基于制造過程碳排放與產(chǎn)品分配關(guān)系的產(chǎn)品制造過程碳足跡計(jì)算方法，并且采用NSGA-Ⅱ算法對制造時(shí)間、碳足跡總量、設(shè)備利用率這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)柔性作業(yè)車間調(diào)度模型優(yōu)化。方旭斌[7]按照工藝流程將機(jī)械零件加工過程碳排放劃分為機(jī)加工、毛坯加工、熱處理以及焊接工藝的碳排放，分別建立了四種碳足跡核算模型，并充分考慮了零件運(yùn)輸設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)備產(chǎn)生的碳排放情況， 通過核算模型能夠方便實(shí)時(shí)監(jiān)測企業(yè)零件生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳足跡情況， 為下游企業(yè)及環(huán)境排放監(jiān)測機(jī)構(gòu)提供產(chǎn)品生命周期碳足跡核算數(shù)據(jù)。

對于碳效率計(jì)算與評價(jià)方法，鄭軍[8]通過分析砂型鑄造過程生產(chǎn)能量、設(shè)備利用率、能源消耗以及生產(chǎn)時(shí)間等影響因素下，建立了基于工序碳源的碳排放計(jì)算模型，并在計(jì)算模型的基礎(chǔ)上利用影響因素構(gòu)建了四個(gè)維度的砂型鑄造過程碳效率計(jì)算模型和綜合碳效率模型，采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)評價(jià)，最后通過實(shí)例驗(yàn)證了該碳效率模型的可行性分析。

2.2.1 碳足跡

產(chǎn)品碳足跡核算方法運(yùn)用比較廣泛的有三種， 分別是生命周期評價(jià)法、輸入輸出生命周期評價(jià)法、混合生命周期評價(jià)法，具體方法內(nèi)容介紹及計(jì)算公式如下：

（1）生命周期評價(jià)法。 生命周期評價(jià)法是面向產(chǎn)品或者產(chǎn)品系統(tǒng)，針對其原材料獲取、產(chǎn)品的生產(chǎn)制造、使用和廢棄后處理等全生命周期過程分析和評估產(chǎn)品在該過程中的溫室氣體排放對環(huán)境的影響。 目前為止，此種方法是評價(jià)方法中一種較為成熟的評估產(chǎn)品環(huán)境影響的指標(biāo)化方法。 生命周期法計(jì)算公式如下：

式中：E—某一產(chǎn)品的碳足跡；Xi—第i 種能源的消耗量；Ci—所對應(yīng)的單位碳排放因子。

該評估方法優(yōu)勢在于，一是能夠系統(tǒng)性地研究每個(gè)階段的能源消耗和溫室氣體排放對環(huán)境的影響； 二是可以量化生命周期內(nèi)的投入產(chǎn)出；三是數(shù)據(jù)可靠，過程詳細(xì)，結(jié)果確定性高，應(yīng)用性較強(qiáng)，為企業(yè)“碳標(biāo)簽”提供量化基礎(chǔ)。 但生命周期法也存在局限性，具體表現(xiàn)為：數(shù)據(jù)不確定性較強(qiáng)，原始數(shù)據(jù)和核算結(jié)果受時(shí)間和地域的限制，當(dāng)時(shí)間和地域不同時(shí)，其數(shù)據(jù)與核算結(jié)果也會發(fā)生變化。

（2）輸入輸出生命周期評價(jià)法。 輸入輸出生命周期評價(jià)法結(jié)合了環(huán)境問題，通過繪制投入產(chǎn)出表，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，計(jì)算溫室氣體排放量。 具體計(jì)算公式如式（2）所示：式中：C—為滿足最終需求而引起的直接或者間接溫室氣體排放量；c—直接排放系數(shù)矩陣，矩陣內(nèi)各項(xiàng)代表某部門每單位貨幣產(chǎn)出直接排放的溫室氣體量；I—單位矩陣；A—直接消耗系數(shù)矩陣；Y—部門最終需求向量。

此種方法填補(bǔ)了生命周期評價(jià)法邊界不易確定的缺陷，同時(shí)投入資源較少，可降低核算成本。 其局限性表現(xiàn)在此種方法數(shù)據(jù)更新速度較慢、時(shí)效性較差，不適用于單一工業(yè)產(chǎn)品。

（3）混合生命周期評價(jià)法。 而混合生命周期評價(jià)法是結(jié)合了上述兩種評價(jià)法的優(yōu)點(diǎn)，具體計(jì)算公式如下：

式中：B—研究對象的直接或間接碳排放量；b—微觀系統(tǒng)的直接碳排放系數(shù)矩陣；A—產(chǎn)品生產(chǎn)過程的技術(shù)矩陣；M—研究對象所在的微觀系統(tǒng)向宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的投入；L—宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)向微觀系統(tǒng)的投入；I—單位矩陣；k—外部需求向量。

此方法可以針對某一產(chǎn)品進(jìn)行評價(jià)或者對整個(gè)生命周期評價(jià)，不僅適用于微觀層面，也適用于宏觀層面，在核算過程中使用輸入輸出表降低了成本。

表2 是對上述三種核算方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。無論采用上述三種方法中的哪種來核算碳足跡， 都需要結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)情況進(jìn)行計(jì)算， 避免發(fā)生某種生產(chǎn)過程中碳排放數(shù)據(jù)的重復(fù)計(jì)入。

表2 三種碳足跡核算方法優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)

2.2.2 碳效率評價(jià)

隨著可持續(xù)發(fā)展研究的繼續(xù)， 生態(tài)效率 （Eco-efficiency）已廣泛應(yīng)用于環(huán)境評價(jià)、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出等層面。 根據(jù)世界可持續(xù)發(fā)展工商理事會WBCSD 研究情況，生態(tài)效率的基本定義如式（4），生態(tài)效率逐步作為衡量環(huán)境管理與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出的指標(biāo)之一[9]。

式中：Pi（ti，mi，eci，mci，costi）—某產(chǎn)品在第i 個(gè)制造工藝過程中該時(shí)間段內(nèi)的生產(chǎn)率， 衡量生產(chǎn)率的指標(biāo)有生產(chǎn)時(shí)長ti、加工零件質(zhì)量mi、生產(chǎn)過程能源消耗量eci、物料使用量mci和制造成本costi等；Ci（ti，vi，ri，fri，mri）—某產(chǎn)品在制造工藝過程i 中該時(shí)間段內(nèi)的碳排放率， 碳排放率ηi是反映生產(chǎn)情況與發(fā)生波動下碳排放量的變化程度， 如設(shè)備發(fā)生故障、 維修以及隨著材料去除量的變化等狀況下生產(chǎn)發(fā)生波動，與之相關(guān)的參數(shù)有產(chǎn)量vi、加工去除率ri、加工故障率fri和維修率mri等。

將式（5）用于產(chǎn)品制造過程系統(tǒng)碳效率排放依據(jù)，計(jì)算結(jié)果用來定量衡量制造過程碳排放情況及其相關(guān)生產(chǎn)情況。 碳效率比較生產(chǎn)效率之間的區(qū)別在于：碳效率主要衡量產(chǎn)品在制造過程中涉及到的物質(zhì)流、 產(chǎn)品流以及工藝流中的碳排放情況， 是在某一特定排放區(qū)間內(nèi)的碳排放量； 碳效率除了考慮時(shí)間問題同時(shí)也將產(chǎn)品制造過程中的制造質(zhì)量mi、 制造成本costi以及產(chǎn)量vi等屬性結(jié)合起來。 因此， 通過碳效率評估使得產(chǎn)品在實(shí)際制造過程中，每個(gè)工藝過程的碳排放情況將完全體現(xiàn)出來。

在實(shí)際制造過程中，根據(jù)文獻(xiàn)[4]中數(shù)據(jù)，YS3116CNC7和YKB3120A 兩款滾齒機(jī)床生命周期95%的碳排放量來自于使用階段，因此先以工藝級中的工藝過程為例進(jìn)行說明。一個(gè)產(chǎn)品的制造通常需要經(jīng)過i 條工藝過程，但在每條工藝過程中的碳排放情況和生產(chǎn)情況各不相同。 為了將碳效率評估更加合理化，圖2 對產(chǎn)品制造過程中工藝級的碳效率評估流程做出了詳細(xì)說明，從下達(dá)制造命令到各制造工藝結(jié)束之后，即從原材料到成品的過程中，按照i 條工藝過程中的碳排放和間接碳排放進(jìn)行分別計(jì)算生產(chǎn)率Pi和碳排放率Ci，為碳效率評價(jià)模型提供定量評價(jià)依據(jù)，再根據(jù)碳效率計(jì)算結(jié)果對該制造過程進(jìn)行評價(jià)， 最終為該產(chǎn)品制造過程提供碳效率優(yōu)化方案。

圖2 產(chǎn)品制造過程中工藝級碳效率評估流程

3 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品低碳制造，通過分析產(chǎn)品制造過程特性，綜合考慮碳排放環(huán)境、生產(chǎn)時(shí)間、產(chǎn)量等可變因素，將碳排放情況作為制造過程中的分析與評估指標(biāo)， 是充分結(jié)合能源消耗與環(huán)境排放情況的具體體現(xiàn)。 同時(shí)構(gòu)建了基于生態(tài)效率定義的產(chǎn)品制造過程碳效率核算評估流程，反映在不同加工工藝過程中的生產(chǎn)情況， 也能夠說明產(chǎn)品制造系統(tǒng)的可靠程度， 有助于解決如何對每個(gè)工藝過程中各種能源和資源消耗進(jìn)行碳排放和經(jīng)濟(jì)效益綜合量化的問題。 后續(xù)將繼續(xù)根據(jù)離散型工廠制造過程建立碳效率評價(jià)模型， 并通過多目標(biāo)優(yōu)化的方式對動態(tài)制造過程碳效率進(jìn)行更為精確的計(jì)算。