鋁合金電纜與銅電纜的生命周期評價研究

黨朋，蘇桓，劉斌，鄭秋，曾偉，王樂

1.上海電纜研究所，上海 200093 2.美國通用電纜(中國)，天津 300308 3.特種電纜技術國家重點實驗室，上海 200093

近年來，鋁合金電纜作為一種新型的電纜，因其優越的性能和相對較低的價格而迅速發展成為電纜行業中一股新生的力量，引起越來越多的關注。鋁合金電纜和銅電纜在技術性能和應用場合方面各有優缺點。鋁合金電纜和銅電纜在生產制造及使用過程中涉及大量的銅鋁資源、能源消耗等。據統計，中國電纜行業2011年銅和鋁用量分別達到484萬t(約占全世界銅導體產量的13%)和220萬t[1]，且歷來電工用銅都屬于高品質的99.95%和99.99%銅。而我國銅礦藏匱乏，鋁資源豐富，為鋁及鋁合金在電纜中的應用提供可能，線纜行業專家已經指出，鋁及鋁合金芯電纜的應用空間巨大[2]。在建設資源節約型和環境友好型社會的大背景下，從全生命周期角度分析鋁合金電纜和銅電纜對整個環境的影響，對于這2種電纜的合理使用具有一定的指導意義。

目前國內對電線電纜行業無論是其產品、工藝或服務均鮮有相關的生命周期評價(LCA)分析。而國外僅有少量涉及6類線纜的生命周期評價研究[3]。總體來說，相對于電線電纜行業眾多的產品而言，相關的研究非常少。筆者運用LCA方法研究了鋁合金電纜和銅電纜在整個生命過程中的環境影響，對于了解鋁合金電纜和銅電纜的環境狀況，實施可持續發展戰略具有重要意義。同時對于研究其他電線電纜產品的生命周期評價具有借鑒和參考意義。

1 研究目標與范圍

1.1 產品系統

研究的產品系統為具有相同載流能力的鋁合金電纜和銅電纜，其規格型號和技術參數見表1。

表1 鋁合金電纜和銅電纜主要技術參數

1)沿墻明敷，環境溫度30 ℃。

1.2 產品系統功能單元

選取1 000 m長的電纜作為功能單元。

1.3 系統邊界

鋁合金電纜研究的系統邊界包括原材料(制造導體的鋁桿、絕緣材料和外護套)的獲取及生產，鋁合金電纜的制造、使用、報廢回收整個生命周期過程。

銅電纜系統邊界包括原材料(制造導體的銅桿、絕緣材料和外護套)的獲取，銅電纜的制造、運輸、使用、報廢回收整個生命周期過程。

2 生命周期清單分析

鋁合金電纜和銅電纜的全生命周期可以分為鋁合金桿銅桿制造、電纜制造、運輸、運行使用、報廢回收5個主要單元階段。按其主要單元過程進行數據收集和清單分析。

2.1 鋁合金桿銅桿制造

鋁合金桿和銅桿分別是制造鋁合金電纜和銅電纜的主要原材料，鋁合金桿和銅桿制造環節的主要排放物來自金屬熔煉及精煉過程中的氣體燃料燃燒。制造過程中燃料中絕大部分的碳通過燃燒被氧化成CO2排放到空氣中，還有一部分不完全燃燒后以CO的形式排放，其余部分殘留在剩余的灰和渣中。燃燒過程中，CO2的排放量與燃料消耗量有關，也與燃料本身的屬性和特征有關，還與燃燒設備和技術員操作水平有關，表征燃料本身燃燒特征的一個參數是碳排放系數，它指燃料潛在的碳排放量，主要取決于燃料的各種化學組分中碳的燃燒對于燃料熱值的貢獻，常以kgMJ為計量單位。碳氧化率是表征燃料自身CO2排放特性的另一個指標。

在數據收集過程中，由于現有檢測手段難以對氣體的排放量進行精確計量，主要排放物——CO2、SO2、NOx及CO等排放量需要采用一定的估算方法進行估算。由于鋁合金桿銅桿制造過程中的燃料為天然氣，因此根據天然氣的燃燒來確定排放量[4]。

1)燃燒的CO2排放量計算公式：E=3.67FQKa

式中，E為排放量，kg；F為燃料的消耗量，kg；Q為燃料發熱量，MJkg；K為燃料的碳排放系數，kgMJ；a為燃料的碳氧化率。

天然氣的K為15.30×10-3kgMJ，a為0.995，Q為38.931 MJkg。

2)NOx排放量的估算公式：E=0.001Fb

式中，b為燃料燃燒時NOx排放因子。

天然氣的排放因子為4.10 gm3。

3)CO排放量的估算公式：E=FQc

式中，c為燃料燃燒時CO排放因子。

4)SO2排放量的計算參照環境統計手冊[5]，工業爐燃燒過程中SO2的產生量約為0.000 63 kgm3(以天然氣計)。

通過對工廠有關材料、能量及資源的統計數據進行計算，可以得到相關的環境數據。

2.2 鋁合金電纜銅電纜制造

鋁合金電纜和銅電纜制造過程的主要排放物為含油廢水，對拉制好的鋁合金絲和銅絲，在絞制前要進行表面清洗，以去除鋁合金絲和銅絲表面沾帶的拉絲油。根據工廠的統計數據，含油廢水中的主要污染物COD產量為0.10 kgd，BOD產量為0.03 kgd。

2.3 鋁合金電纜銅電纜運輸階段

電纜運輸過程體現在能源的使用及對應相關的環境排放。按照電纜從工廠到用戶的平均運輸距離為800 km計算，電纜運輸過程中的環境模型及運輸1 t電纜1 km后對環境的影響見表2。

表2 電纜運輸過程中的環境模型[6]

2.4 鋁合金電纜銅電纜運行使用階段

電纜運行過程中體現在電能損耗。電纜在運行年限的能量損耗計算公式[7]：

第1年內能量損耗=(Imax2RlNpNc)T

式中，Imax為第1年內電纜的最大電流，A；R為考慮到集膚效應和鄰近效應(ys，yp)以及金屬屏蔽和鎧裝中損耗(λ1,λ2)導體單位長度的交流電阻，Ωm；l為電纜長度，m；Np為每個回路的相導體數；Nc為類型和負荷值相同的回路數；T為最大能量損耗下的運行時間，h年，即與實際變化負荷電流產生的年能量損耗總和相同所要施加的最大電流(Imax)的時間。

對所有電纜進行相應能耗分析，假設設備運行電流為電纜載流量的90%，工作電壓為380 V，環境溫度為30 ℃，設備的功率因數取0.85，敷設方式采用沿墻明敷，設備運行周期為30年，每年365天，每天24 h，設備最大能量損耗運行時間使用率為0.3。

2.5 鋁合金電纜銅電纜報廢回收

當電纜達到使用壽命30年后，進行電纜回收。電纜分拆環節不考慮。電纜分拆下來的絕緣和護套材料按100%掩埋處理，考慮其占用土地的體積。鋁合金導體材料按廢雜鋁100%回收處理，銅導體材料按再生銅100%回收。

對于電纜分拆下來的絕緣和護套材料按其密度計算其體積，進而確定其掩埋空間。按PE密度為940 kgm3，PVC密度為1 500 kgm3計算。

電纜導體回收過程中的環境影響以能耗為主，根據上海市再生鋁能耗要求[8]，每t廢雜鋁的綜合能耗限定值為150 kg(以標煤計，下同)。根據工業和信息化部、科學技術部、財政部《再生有色金屬產業發展推進計劃》[9]，再生銅熔煉(雜銅-陰極銅)能耗低于290 kgt，因此其能耗按最低值290 kgt計算。

2.6 數據清單

通過整理和計算鋁合金電纜和銅電纜所有單元過程的清單數據，可以得出單位產品(LCA中稱為功能單位)的生命周期清單表，即該產品在整個生命周期模型所涵蓋的過程中，總共消耗的各種資源的數量和造成的各種環境排放的數量(表3和表4)。

表3 1 000 m TC90-4×240鋁合金電纜清單數據

表4 1 000 m YJV-4×150銅電纜清單數據整理

3 生命周期影響評價

3.1 計算影響類型指標

在清單數據的基礎上，可以采用特征化因子將清單中的各種數據匯總為針對主要環境影響類型的特征化指標。國際上的LCA大多采用8種影響類型：資源(包括礦石資源和化石資源)消耗、氣候變化、酸化、富營養化、臭氧損耗、光化學污染、人體毒性、生態毒性。結合鋁合金電纜的全生命周期清單數據，其生命周期涉及到其中7種影響類型(表5)。

表5 環境影響類型及其要素

產品生命周期總是涉及多種資源的消耗，而且各種資源的稀缺度不同。為綜合評價產品的資源消耗水平，在LCA方法中，首先需要得到反映各種資源稀缺度的特征化因子，然后與產品生命周期的各種資源消耗量相乘并求和，從而得出產品的綜合資源消耗評價指標，以衡量產品生命周期總體的資源消耗水平。

文獻[10]中給出了中國資源消耗潛值(Chinese abiotic depletion potential，CADPi)的計算公式：

式中，ADPi為世界范圍資源i的稀缺度因子；SRi為該資源的中國自給率；下標ref代表基準資源。

CADP選擇了煤作為基準資源，文中涉及的資源CADP見表6。

表6 資源CADP

表7 各種能源折標煤參考系數

對于計算酸化潛值模型[12]，以潛在的H+當量值表達潛在的酸沉降，允許排放的酸性氣體按它們形成H+的能力累計。假設1個SO2分子產生2個H+，1個NOx分子產生1.4個H+。所以NOx的酸化潛力等于相對于SO2，每kg NOx釋放的H+數。酸性氣體的特征化因子如表8所示。

表8 酸性氣體的特征化因子

對于全球暖化，由政府間氣候變化專門委員會[13](IPCC)提出的全球變暖潛力(GWP)是被普遍使用的描述全球暖化的模型。目前最新版本是IPCC2007。表9為IPCC模型中溫室氣體的特征化因子。

表9 溫室氣體的特征化因子

在評價富營養化的各模型中，只有CML2002[12]提供了不包含本地化信息的可普遍適用的特征化因子，且特征化因子可同時適用于水體以及陸地富營養化。該模型特征化因子基于化學計量學中N和P的固定比值(來源于藻類的平均化學組成)。同時以BOD或COD表示的有機物的特征化因子。因此選擇該模型中的富營養化潛值(EP)作為評價富營養化的指標。表10為CML2002模型中富營養化物質的特征化因子。

表10 富營養化物質的特征化因子

3.2 生命周期影響評價

按照3.1節特征化值計算方法，對表3和表4中的數據進行歸類計算，分別得到1 000 m TC90-4×240鋁合金電纜和YJV-4×150銅電纜在其全生命周期內的環境影響特征化指標，如表11所示。

表11 1 000 m TC90-4×240鋁合金電纜和YJV-4×150銅電纜的環境影響特征化指標

4 生命周期解釋

4.1 完整性檢查

完整性檢查的目的是確保解釋所需的所有相關信息和數據已經獲得，并且是完整的。

鋁合金電纜主要由鋁合金和外層絕緣以及護套材料組成，在其整個生命周期階段完成后，最終鋁合金以回收的方式回到初始的鋁錠，而外層絕緣以及護套材料以掩埋的方式完成。銅電纜主要由銅和外層絕緣以及護套材料組成，在其整個生命周期階段完成后，最終銅以回收的方式回到初始的電解銅板，而外層絕緣和護套材料以掩埋的方式完成。因此整個生命周期邊界是閉環，其單元過程是完整的。

在其單元過程中所涉及的材料、能量、資源等輸入量，連同產品、排放物、廢物等輸出量均被考慮，因此數據的收集是完整的。

4.2 一致性檢查

一致性檢查的目的是確認假設、方法和數據與目的和范圍的要求相一致。

通過對單元過程所收集數據及計算模型的檢查，與鋁合金電纜和銅電纜生命周期評價的目的和范圍相一致。

4.3 數據質量評估

數據質量評估只要是評估數據的可靠性和穩定性。

鋁合金電纜和銅電纜生命周期一手數據均為美國通用電纜(中國)天津工廠實際收集統計而來，具有可靠性。相關數據計算模型和方法已得到廣泛認可。因此計算得來的數據具有穩定性。

5 討論

假定銅電纜的各項特征化值為1，將鋁合金電纜與銅電纜的特征化數值進行比較得出表12。

表12 鋁合金電纜與銅纜特征化值比例

由表11和表12可以得出以下結論:

1)鋁合金電纜和銅電纜生命周期中，對環境的影響主要集中在中國資源消耗、能源消耗以及全球變暖這3個指標上，而在其余4種指標上的影響較小。

2)在中國資源消耗潛值的這一特征化指標上，銅電纜遠高于鋁合金電纜，達到3個數量級以上。由于中國銅資源少，對外依存度高達70%[14]，自給率低。而中國的鋁資源豐富，自給率高。因此銅與鋁的中國本地化的資源消耗潛值差別巨大：銅為9.32×103，而鋁僅為2.88×101。導致銅電纜的資源消耗潛值在中國遠大于鋁合金電纜。

3)在能源消耗潛值這一特征化指標上，銅電纜和鋁合金電纜的值在一個數量級上。但銅電纜要大于鋁合金電纜，這說明整個生命周期過程中，銅電纜的能源消耗要大于鋁合金電纜。詳細分析鋁合金電纜及銅電纜各單元過程的能源消耗潛值及其所占比例(表13)，可以發現，無論是鋁合金電纜還是銅電纜，在生命周期中，運行階段的能源消耗所占比例均超過99%。說明不論選擇哪種材質的電纜，適當的選型對降低電纜生命周期的能源消耗是最為有效的方式。

4)在以上7個特征化指標中，銅電纜在中國資源消耗潛值、能源消耗潛值、酸化潛值、全球變暖潛值、富營養化潛值和工業用水量這6個特征值上要大于鋁合金電纜。只有在土地資源潛值(LRP)這一特征化值上，銅電纜比鋁合金電纜小。

圖1對比了銅電纜和鋁合金電纜在7個特征化指標上的區別。由圖1可以看出，只有在LRP指標上，鋁合金電纜的值高于銅電纜。在能源消耗潛值指標上相對相差最小，而在中國資源消耗潛值指標上相差最大。

表13 鋁合金電纜與銅電纜單元過程能源消耗潛值(EDP)對比

圖1 銅電纜和鋁合金電纜特征化指標對比Fig.1 The chart of characteristic indicators of aluminum alloy cable and copper cable

6 結論

鋁合金電纜在中國資源消耗潛值、能源消耗潛值、酸化潛值、全球變暖潛值、富營養化潛值和工業用水量6個特征值上要優于銅電纜，且在中國資源消耗潛值方面優勢顯著。只有在土地資源潛值這一特征化指標上，鋁合金電纜的值高于銅電纜。經過該生命周期的分析表明，鋁合金電纜在該應用前提條件下，整個生命周期對環境的影響要低于銅電纜。因此推廣鋁合金電纜在適用條件下替代銅電纜不僅是可行的，而且具有積極的社會、環境及經濟意義，完全符合資源節約、環境友好的可持續發展的國家戰略思想。

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