汽車生產過程中能源消耗的碳排放計算與分析

周亞蘭 龔本剛 張孝琪

（安徽工程大學管理工程學院，安徽 蕪湖 241000）

1 引言

綜上所述，國內外對能源消耗碳排放的研究多從產業、產品層面出發探究其碳排放特性，多集中于碳排放動態評價模型研究，而針對工藝的研究也主要集中在機械加工工藝，鮮有對汽車生產流程中的能源消耗碳排放的研究。對此，本文對汽車生產制流程中能源消耗與碳排放進行研究，并提出不同工藝環節能源消耗碳排放的計算方法，并給出節能減排對策建議。

2 汽車生產過程中的能源消耗分析

一般來講，汽車的生產過程主要包括沖壓、焊裝、涂裝、總裝這四大工藝，它完成了從原材料、零部件到汽車整車以及測試的過程（見圖1）。汽車在生產制造過程中直接或間接的都會消耗原材料（鋼、鐵等）、輔助材料（刀具等）、能源（電、煤、天然氣等），并產生廢棄物排放（廢屑、廢液、廢氣等），物料和能源的使用都不可避免的產生碳排放。汽車生產過程中能源消耗碳排放主要包括生產過程中四大工藝的能源碳排放以及物料移動的碳排放。

圖1 汽車生產工藝流程及能耗簡圖

2.1 沖壓工藝。沖壓工藝是一種使板料經分離或成形得到制件的加工方法。沖壓加工工序包括有沖裁、切開、切邊、切舌、切斷、擴口、沖孔、沖缺、沖槽、沖中心孔、精沖、連續模、單工序模、組合沖模、壓凸、壓花、成形等。沖壓首先是把鋼板在切割機上切割出合適的大小，然后在一臺沖壓機床進行初始的切割，這個時候一般只進行沖孔、切邊之類的動作，以便于下一操作，在進行簡單的沖孔、切邊后，就會進入真正的沖壓成形工序，而這一系列的沖孔及切邊等工序的主要能耗為電能。沖壓成形由沖壓機床和模具實現，每一個工序大多都是先經過沖壓成形，然后再經過沖孔、切邊、翻邊等等工序，最后才會成為所需要的工件，而沖壓成形的主要能耗為電能和空氣壓縮。切割機械對金屬部件進行切割需消耗電能，沖壓工藝過程碳排放主要來源于產生電能的碳排放。沖壓工藝主要消耗的能源有電能、空氣壓縮、水等。電能的消耗主要是來自沖壓工藝中設備的使用，空氣壓縮主要是沖孔、沖缺、沖槽、沖中心孔、組合沖模、壓凸、壓花、成形等工序的操作，沖壓工藝中厚板用水壓機成形，水壓機需要消耗水。

2.2 焊接工藝。汽車焊裝就是將沖壓好的車身零件用夾具定位，采用焊接的方法將其接合形成車聲總成。焊裝使用的主要設備有懸掛式電焊機、座式電焊機、CO2氣體保護焊機、T型螺柱焊機、釬焊、焊機機器人、激光焊接。焊接工藝的能源消耗主要是來自焊接設備的使用。焊接的能耗主要是電量、壓縮空氣、水、循環用水等。焊裝工藝中的電能的消耗主要是來自焊接設備的使用，水和循環用水主要是用于焊接過后的冷卻。空氣壓縮主要是用于零部件里的鐵屑等的清除。

2.3 涂裝工藝。汽車涂裝工藝對于汽車制造有兩個重要作用，一是對汽車的防腐蝕作用，一是給汽車增加美觀作用。涂裝工藝一般可分為兩大部分：一是涂裝前金屬的表面處理，也叫前處理技術，前處理技術的使用的主要能耗一般為電能和空氣壓縮；二是涂裝的施工工藝，施工工藝的的能耗主要為電能、蒸汽和水。涂裝的工藝流程為預脫脂→脫脂→熱水洗→冷水洗→酸洗→冷水洗→中和→冷水洗→表面調整→磷化→冷水洗→熱水洗→純水洗→干燥。涂裝工藝中的能源消耗的主要是電能的消耗和涂裝的烘干過程。在烘干處理工序中，需使用天然氣等進行燃燒產熱，直接向環境排放二氧化碳。涂裝的能源消耗還包括產生蒸汽、空氣壓縮、水和循環用水的能源消耗。汽車涂裝工藝中水和循環用水的消耗主要是來自各種水洗的工序，空氣壓縮主要是來預脫脂、脫脂和干燥以及清除工件表面的油污、塵土、銹蝕、以及進行修補作業時舊涂料層的清除等，而水蒸氣的消耗主要是熱水洗的需求。

2.4 總裝工藝。汽車裝配工藝就是將車身、發動機、變速器、儀表板、車燈、車門等構成整輛車的各零件裝配起來生產出整車的過程。裝配工藝主要分為四個模塊即前圍裝配、儀表盤裝配、車燈裝配、底盤裝配。裝配過程耗能主要為裝配生產線上各機械設備消耗的電能，因此裝配過程產生碳排放主要是來自生產電能的碳排放。裝配過程的能源消耗還包括空氣壓縮的能源消耗和水量的消耗。水量的消耗主要是來自裝配中的清洗配件。而空氣壓縮主要是用來清除油孔中的鐵屑及油垢以及其他清除工作。

汽車生產流程中的能源消耗和碳排放還包括汽車生產中的車間物料移動的能耗和碳排放。在汽車生產流程中，需要運輸原材料、外購零部件、半成品等。物料移動的能源消耗主要是車間運輸工具的能源消耗。車間運輸工具能耗會產生碳排放。

該航道防沖工程的施工現場空間較小，兩岸堤防設施及景觀設施完善，且周圍居民住宅較多，護岸邊高低壓線路縱橫，采用常規陸地打拔樁機施工將破壞部分堤防景觀及高低壓線路設施，對居民的日常生活產生巨大影響，施工難度較大。

3 汽車生產流程中能源消耗的碳排放計算方法

汽車生產過程中碳排放主要包括制造生產過程中四大工藝的能源消耗發生的碳排放以及物料移動的碳排放。下面分別對汽車生產過程中的沖壓工藝、焊接工藝、涂裝工藝、總裝工藝等四大工藝和物料移動的碳排放計算模型進行設計。

3.1 沖壓工藝。沖壓工藝過程中能耗主要有電量、空氣壓縮量、水量等。沖壓工藝過程中的碳排放計算可以簡化為：

其中，Gi是第i道工序的電能消耗量，Hi是第i道工序的空氣壓縮量，Di是第i道工序的水量，EF電是電能的碳排放系數，EF空是空氣壓縮的碳排放系數，EF水是水的碳排放系數。

3.2 焊接工藝。焊接工藝過程中的能耗主要有電量、空氣壓縮量、水量、循環水量等。焊接工藝過程中的碳排放計算可以簡化為：

其中，Gj是第j道工序的電能消耗量，Hj是第j道工序的空氣壓縮量，Dj是第j道工序的水量，Fj是第j道工序的循環水量，EF環是循環用水的碳排放系數。

3.3 涂裝工藝。涂裝工藝過程中的能耗主要有電量、蒸汽量、天然氣量、空氣壓縮量、水量、循環用水量等。涂裝工藝過程中的碳排放計算可以簡化為：

其中，Gk是第k道工序的電能消耗量，Hk是第k道工序的空氣壓縮量，Dk是第k道工序的水量，Fk是第k道工序的循環水量，Nk是第k道工序的蒸汽消耗量，EF蒸是蒸汽的碳排放系數。Qk是第k道工序的天然氣消耗量，EF氣是天然氣的碳排放系數。

3.4 總裝工藝。汽車裝配是汽車全部制造工藝過程的最終環節，是把經檢驗合格的數以千計的各類零件，按規定的精度標準和技術要求組合成分總成、總成、整車，并經嚴格的檢測程序，確認其是否合格的整個工藝過程。總裝工藝過程中的碳排放計算可以簡化為：

其中，Gl是第l道工序的電能消耗量，Hl是第l道工序的空氣壓縮量，Dl是第l道工序的水量。

在汽車生產流程中，汽車生產過程需要運輸原材料、零部件等，物料移動的碳排放只考慮了汽車產品的運輸，運輸的碳排放主要受運輸距離的影響，則生產過程中運輸碳排放為：

式中：Pe為物料移動碳排放；L為運輸總噸距離；PEi為運輸碳排放系數。

綜合以上分析，汽車生產流程中總碳排放Et的計算公式可以表達為：

4 應用舉例

4.1 數據收集

以某公司乘用車生產過程為例，對生產過程中能源消耗的碳排放進行計算。該公司乘用車生產過程中能源消耗數據見表1。

表1 乘用車能源消耗表

空氣壓縮時實際上是消耗電能驅動壓縮機，所以汽車生產工藝中的空氣壓縮量的碳排放可以轉換成電能的碳排放。空氣壓縮機產氣量338m3的耗電量為108kw·h，而在這里我們把1Nm3就看作是1m3，所以1Nm3的電量消耗為0.32kw·h[14]。蒸汽量的能耗實際上也是電能的消耗，一般低壓蒸汽折標煤系數為0.1286kgce/kg，當量電力折標煤系數為0.1229kgce/kg，所以理論折算比值為0.1286：0.1229。大概就是一噸蒸汽折1000度電左右[12]。當然具體到應該當中，還要看使用設備的熱效率。在這里本文就去取一噸蒸汽折1000度電左右。水循環設備年耗電量為878000kw·h，耗水量為4600m3，所以每噸循環水量的電耗為190.87kw·h[13]。該公司汽車生產過程中的運輸工具的主要能耗是來源于柴油的消耗，而柴油的碳排放系數為3.0959 kg-CO2/kg，而本公司的全年單車柴油量為2.5L。在這里電能、天然氣、柴油的碳排放系數均來自中國合同能源管理網。

綜合以上分析，可計算出各種能耗的碳排放系數如下表2所示。

表2 各種能耗碳排放系數 kgCO2e/kgce

根據以上的調研數據帶入上式（6）得：

4.2 結果分析

將各工藝能耗對系統碳排放量的影響進行比較，可以找出具體某類能源消耗是影響總碳排放的主要因素，為決策者制定節能措施提供依據。在上述實例中，由單車排放直方圖（如圖2）可知，涂裝能耗是影響總碳排放的最主要因素，其次是焊裝能耗。

圖2 汽車生產四大工藝與物料移動單車排放直方圖

圖3 汽車生產工藝能耗碳排放直方圖

圖2、3分別是汽車生產四大工藝與物料移動單車排放直方圖和汽車生產工藝能耗碳排放直方圖，從這兩個圖中均可以看出能耗碳排放主要來源是空氣壓縮和電能，而空氣壓縮的能耗主要是來自電能的消耗，所以汽車生產中節能減排的關鍵在于電能的優化。首先是沖壓車間的節電，沖壓車間的電動機由于生產節拍的限制，長期工作處于25%左右的低負載狀況，電能大量浪費。如果在工藝規劃設計選擇設備時考慮采用變頻器，通過降低電動機轉速來降低液壓泵的輸出功率，使液壓泵的輸出功率與實時負載匹配，提高電動機的功率因素，改善電動機的啟動和停機性能，并且可以減少泵損耗，從而達到節電的效果。其次是焊接車間的焊裝設備可采用節能逆變（IGBT）弧焊設備，與非逆變弧焊設備相比可節能20%左右；采用焊機群控制系統相平衡，避免沖擊負荷可節能20%左右。然后是涂裝車間可通過密封涂膠改用濕碰濕工藝；取消密封膠烘干作業；優化烘房工藝溫度；打破行業常規，降低噴房冬季施工溫濕度范圍等措施來達到節電的效果。最后是總裝車間可選擇總裝車間輸送鏈，積放摩擦式輸送線這種新型輸送線方式比傳統鏈式輸送機效率高、節拍快，輸送速度提高80%左右，從而達到節約電能的效果。除了總裝車間外，在焊裝車間和涂裝車間也可以大量使用輸送鏈，選用節能減排的設備，能夠最大化地達到其節能減排的目標。

總的來說，要減少汽車生產制造過程碳排放就要必須減少能源消耗，因此還可從產品結構設計和工藝設計兩方面入手。在汽車產品結構設計方面，實行減量化設計，以減少產品的能源消耗，從而相應地減少其生產制造過程的碳排放；同時對產品進行節材設計，優先使用CO2排放影響低的材料和提高產品的回收利用率，可以減少產品的溫室氣體排放。在產品工藝設計方面，對現有工藝路線、工藝方法、工藝裝備、工藝參數和工藝方案等進行優化，盡量減少生產制造過程能源消耗。同時通過減少生產制造工藝過程的能源消耗，就能減少生產制造過程產生的廢棄物，從而減少廢棄物處理過程的能耗和碳排放。因此從產品結構設計和工藝設計上入手，通過實現能源消耗最小化，能夠從整體上減少汽車生產制造過程的碳排放。最后可以對產品進行碳排放量化評估，可為設計人員針對降低產品碳排放量進行設計改進提供有針對性的指導，并可以推廣到其他行業。

5 小結

汽車生產制造業作為我國制造業的典型能源消耗大戶，研究其產品制造過程能源消耗碳排放對節能減排的實施具有指導意義。汽車生產流程中能源消耗碳排放的分析工作離不開汽車流程工藝圖，流程圖是基礎。本文在分析說明汽車生產流程工藝圖的基礎上，具體分析汽車生產流程中四大工藝的能源消耗與碳排放，給出了汽車生產流程中能源消耗碳排放的計算方法。結合具體案例數據分析給出節能減排的對策建議。汽車生產企業應在有條件的情況下，盡可能分析汽車生產流程中的所有能源消耗與碳排放，明確所有碳排放源，以找出生產中存在的問題，為進一步節能、降低成本減少碳排放指明途徑。本文在汽車生產制造過程的資源消耗數據收集上采用的是平均消耗數據，更為詳盡的資源消耗隨時間變化的動態規律還有待進一步研究，從而更好地探索能源消耗碳排放的動態性。

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