零部件生命周期碳排放核算技術(shù)研究

徐家明，龔俊川

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

引言

1 零部件產(chǎn)品碳排放核算原則

由于零部件碳排放核算階段較短，為盡可能考慮碳排放量的完整性，設(shè)計如下核算原則[2-3]：

（1）生命周期視角：本方法核算零部件產(chǎn)品碳排放，包括原材料獲取和生產(chǎn)過程的碳排放。

（2）功能單位：零部件產(chǎn)品碳排放核算是圍繞功能單位進行的，結(jié)果是相對于這個功能單位進行計算的。

（3）優(yōu)先順序：在核算零部件碳排放時，優(yōu)先選擇自然科學(xué)（如物理、化學(xué)、生物學(xué)）方法。

（4）一致性：在零部件產(chǎn)品碳排放核算中，按同樣方式應(yīng)用假設(shè)、方法和數(shù)據(jù)，以根據(jù)目標和范圍定義得出結(jié)論。

（5）精確度：零部件產(chǎn)品碳排放的核算是準確的、可驗證的、相關(guān)的和不誤導(dǎo)的，并且盡可能減少偏差和不確定性。

（6）透明度：以開放、綜合和易懂的方式呈現(xiàn)并記錄所有相關(guān)問題，披露任何相關(guān)的假設(shè)，清楚地解釋任何估計值

2020 年3 月4 日，歐盟決定以立法的形式明確到2050年實現(xiàn)“碳中和”的政治目標，所有機構(gòu)和成員國，包括汽車行業(yè)在內(nèi)，都需采取必要措施以實現(xiàn)上述目標。歐盟也將在2023 年前，評估建立統(tǒng)一的生命周期 CO2排放評價方法和數(shù)據(jù)發(fā)送方法；到2025 年，每一輛出口到歐盟市場的汽車需要核算發(fā)布其生命周期CO2的排放；中國也將在2025 發(fā)布乘用車的碳排放核算限值標準。為滿足國內(nèi)外法規(guī)要求，低碳的零部件勢必成為零件采購環(huán)節(jié)的重要考慮因素之一。

本文基于國內(nèi)外碳排放研究的相關(guān)進展，結(jié)合整車生產(chǎn)企業(yè)的材料、生產(chǎn)管控經(jīng)驗，并參考車輛在實際生產(chǎn)中的碳排放過程，建立統(tǒng)一的零部件生命周期碳排放核算方法。并避免偏差，并對所使用的方法和數(shù)據(jù)來源給出相關(guān)說明。

（7）重復(fù)計算：避免在核算范圍內(nèi)重復(fù)計算溫室氣體的排放量。

2 零部件產(chǎn)品碳排放核算范圍

本方法以單個零部件為功能單位。這里通過一組準則確定哪些單元過程屬于產(chǎn)品系統(tǒng)的一部分，定義為系統(tǒng)邊界。

單個零部件產(chǎn)品生命周期碳排放的系統(tǒng)邊界包括原材料獲取階段和生產(chǎn)階段。在實際核算過程中，首先需要確認零部件產(chǎn)品的系統(tǒng)邊界。以發(fā)動機產(chǎn)品舉例：其他零部件參照執(zhí)行。

發(fā)動機生命周期碳排放的核算范圍包括缸體、缸蓋、氣缸蓋罩、曲軸、凸輪軸、活塞、連桿、齒輪、飛輪、進氣歧管、排氣歧管、油底殼等部件上的材料以及熔煉、鑄造、機加工等生產(chǎn)過程的碳排放，具體邊界如圖1 所示。

圖1 發(fā)動機生命周期碳排放的核算邊界

另外，本標準只考慮零部件在生產(chǎn)過程中能源利用、燃燒過程、化學(xué)反應(yīng)等過程中輸入和輸出所產(chǎn)生的碳排放，不考慮土地利用和土地利用變化。

3 計算方法

零部件單位產(chǎn)品生命周期碳排放量應(yīng)按式（1）計算，計算結(jié)果圓整（四舍五入）至小數(shù)點后兩位：

式中：

C——單位產(chǎn)品生命周期碳排放量，kgCO2e；

CMaterials——原材料獲取階段碳排放量，kgCO2e；

CProduction——生產(chǎn)階段碳排放量，kgCO2e。

原材料獲取階段碳排放量應(yīng)按式（2）計算，計算結(jié)果圓整（四舍五入）至小數(shù)點后兩位：

式中：

Mmaterial i——零部件中材料i 的重量，kg；

CEFmaterial i——零部件中材料i 的碳排放因子，kgCO2e/kg。

材料的碳排放因子，可使用材料的缺省值，也可使用具體場地數(shù)據(jù)。

零部件生產(chǎn)階段碳排放量應(yīng)按式（3）計算，計算結(jié)果圓整（四舍五入）至小數(shù)點后兩位：

式中：

CProduction——生產(chǎn)階段碳排放量，kgCO2e；

Er——燃料r 的消耗量；

CEFr——燃料r 生產(chǎn)的碳排放因子；

CEF’r——燃料r 使用的碳排放因子。

4 方法應(yīng)用實例

以市場某車型左前翼子板為例，零件重量為2.017 kg。翼子板是位于車輛前輪上方的外覆蓋件。

圖2 左前翼子板圖片

如圖3 所示，翼子板系統(tǒng)邊界中考慮了從原材料生產(chǎn)地到生產(chǎn)廠，以及生產(chǎn)階段廢棄物到回收處理廠的實際運輸方式和距離；邊界中考慮了生產(chǎn)階段的產(chǎn)品及半成品廠內(nèi)運輸方式和距離；邊界不包含現(xiàn)場建筑、機械設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施的生產(chǎn)制造過程。

圖3 左前翼子板生命周期系統(tǒng)邊界

4.1 原材料獲取階段

如表1 所示，左前翼子板生產(chǎn)階段所需的原材料主要包括鋼鐵，單個左前翼子板生產(chǎn)需消耗高強度鋼3.586 kg。生產(chǎn)所輸入的鋼鐵材料的生命周期背景數(shù)據(jù)來自CALCD。

表1 生產(chǎn)單個左前翼子板材料輸入清單

4.2 生產(chǎn)階段

左前翼子板生產(chǎn)階段主要為鋼板沖壓過程，沖壓過程所使用的能源為電力。如表2 所示，單個左前翼子板的生產(chǎn)階段共消耗0.643 kWh 的電，此數(shù)據(jù)通過沖壓線總電量除以沖壓線體總產(chǎn)量得到。

表2 生產(chǎn)單個左前翼子板能源資源輸入清單

如表3 所示，生產(chǎn)單個左前翼子板生產(chǎn)階段會產(chǎn)生1.569 kg 的鋼鐵廢料，這些鋼鐵廢料100%的由進出口貿(mào)易有限公司回收。廢棄材料的回收利用相當(dāng)于節(jié)約了原材料的使用，將此部分環(huán)境影響納入到原材料的獲取階段。左前翼子板生產(chǎn)階段不產(chǎn)生大氣污染物和水體污染物。

表3 生產(chǎn)單個左前翼子板污染物輸出清單

確定本次評價的目的和范圍，并在清單分析和影響評價的基礎(chǔ)上，得到了一個左前翼子板的全球增溫潛勢（GWP 100a）、酸化潛勢（AP）、光化學(xué)氧化劑生產(chǎn)潛勢（POCP）、富營養(yǎng)化潛勢（EP）和臭氧層損耗潛勢（ODP）這5 個方面的指標值[4]。由于計算得到的ODP 的值很小，本研究中重點討論前四個方面的環(huán)境影響，產(chǎn)品生命周期環(huán)境影響匯總情況如表4 所示。

表4 單個左前翼子板生命周期環(huán)境影響匯總表

4.3 研究結(jié)果

4.3.1 全球增溫潛勢（GWP 100 年）

一個左前翼子板生命周期產(chǎn)生的全球增溫潛勢總計為3.64E+00kgCO2e，生命周期各階段的全球增溫潛勢如圖4 所示。由圖可知，原材料的獲取階段產(chǎn)生的GWP 最大，為2.75E+00kgCO2e，貢獻了總量的75.5%；其中，鋼鐵材料生產(chǎn)階段貢獻了總量的199.2%；廢鋼鐵材料的回收利用減少了總量的123.6%。左前翼子板生產(chǎn)階段GWP 為8.85E-01kgCO2e，占總量的24.3%。

圖4 左前翼子板生命周期各階段全球增溫潛勢

4.3.2 酸化潛勢（AP）

一個左前翼子板生命周期產(chǎn)生的酸化潛勢總計為2.39E-02kgSO2e，生命周期各階段的酸化潛勢如圖5 所示。由圖可知，原材料的獲取階段產(chǎn)生的AP 最大，為1.49E-02kgSO2e，貢獻了總量的62.3%；其中，鋼鐵材料生產(chǎn)階段貢獻了總量的104.6%；廢鋼鐵材料的回收利用減少了總量的42.2%。左前翼子板生產(chǎn)階段AP 為8.95E-03kgSO2e，占總量的37.4%。

圖5 左前翼子板生命周期各階段酸化潛勢

4.3.3 光化學(xué)氧化劑生成潛勢（POCP）

一個左前翼子板生命周期產(chǎn)生的光化學(xué)氧化劑生成潛勢總計為9.16E—04kgC2H4e，生命周期各階段的光化學(xué)氧化劑生成潛勢如圖6 所示。由圖可知，原材料的獲取階段產(chǎn)生的POCP 最大，為5.65E—04kgC2H4e，貢獻了總量的61.7%；其中，鋼鐵材料生產(chǎn)階段貢獻了總量的101.0%；廢鋼鐵材料的回收利用減少了總量的39.3%。左前翼子板生產(chǎn)階段POCP為3.51E-04kgC2H4e，占總量的38.3%。

圖6 左前翼子板生命周期各階段光化學(xué)氧化劑生成潛勢

4.3.4 富營養(yǎng)化潛勢（EP）

一個左前翼子板生命周期產(chǎn)生的富營養(yǎng)化潛勢總計為1.47E-03kgPO43-e，生命周期各階段的富營養(yǎng)化潛勢如圖7 所示。由圖可知，原材料的獲取階段產(chǎn)生的EP 最大，為0.96E-03kgPO43-e，貢獻了總量的65.3%；其中，鋼鐵材料生產(chǎn)階段貢獻了總量的125.9%；廢鋼鐵材料的回收利用減少了總量的60.5%。左前翼子板生產(chǎn)階段EP 為5.11E-04kgPO43-e，占總量的34.8%。

圖7 左前翼子板生命周期各階段富營養(yǎng)化潛勢

4.3.5 重大問題識別

圖8 展示了左前翼子板生命周期各階段環(huán)境影響百分比。在GWP、AP、POCP 和EP 這四種類型的環(huán)境影響指標中，均是原材料的獲取階段的貢獻最大，占環(huán)境影響總量的62%～76%；其中，鋼鐵材料生產(chǎn)階段的貢獻最大，其占總量的百分比的101%～199%；對廢棄鋼鐵材料的回收利用，相當(dāng)于抵消了部分原材料獲取階段的環(huán)境影響，可以減少66%左右的環(huán)境影響。各種類型的環(huán)境影響中，左前翼子板生產(chǎn)階段的貢獻在24%～38%。

圖8 左前翼子板生命周期各階段環(huán)境影響百分比

原材料的獲取階段中鋼鐵材料所產(chǎn)生環(huán)境影響較大，可以通過減少原材料，增加環(huán)保材料的使用等方式降低原材料的獲取階段的環(huán)境影響；對于零部件的生產(chǎn)階段所產(chǎn)生的環(huán)境影響，通過建立能源管理系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)階段的節(jié)能減排。

5 結(jié)束語

隨著國內(nèi)外碳排放法規(guī)的日趨完善，環(huán)境問題越來越得到公眾的關(guān)注，通過零部件產(chǎn)品碳排放的核算研究，為零件材料選項和工藝設(shè)計提供新的思路，給整車碳減排提供整改方向。