面向產品制造過程的碳效率評價方法研究

孫銘蔚， 狄 飛，2， 李晶瑩， 王 營， 夏 青

（1.中機生產力促進中心有限公司， 北京100044； 2.機械科學研究總院， 北京 100044）

0 引言

產品制造過程碳排放核算問題一直是全球性的重大環境議題，隨著《巴黎協定》的實施加快了實現全球低碳轉型的進程，并繼續推動各國加強制定可持續發展戰略，加強布局綠色制造和低碳發展的規劃， 為此許多國家都提出了一系列嚴格的政策上的倡議以促進低碳發展制造業。 聯合國政府間氣候變化委員會研究指出：工業革命之后， 工業化生產生活是導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制造。 但除少數先進或高端制造企業外， 大多數制造業企業在低碳轉型過程中面臨著技術、成本和研發上的難題。

近幾年來， 國內外學者研究并提出了諸多有關碳足跡與碳效率核算的方法，使得精益低碳生產應用于綠色制造中。Cai 等[1]根據2017 年相關統計數據分析指出全球制造業能耗巨大，約45.52 億噸標準煤，約占總能耗的24%，并提出了精益節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。 本文將通過分析產品在制造過程中的碳排放形式、 特點等開展碳效率評估方法研究，為決策者提供產品制造過程碳效率評估思路。

1 低碳制造發展現狀

早在2009 年， 英國政府就提出了英國低碳轉化計劃，并計劃于2020 年將碳排放量在1990 年基礎上減少到之前的66%，自此“低碳”理念正式拉開帷幕。 截至2021年3 月，《巴黎協定》簽署方達195 個，全球提出碳中和目標的國家共有128 個[2]。 蘇里南及不丹已實現碳中和，中國及哈薩克斯坦將目標年定為2060 年，其余國家將目標設置在2050 年及之前。 這些提出碳中和目標的國家約占全球溫室氣體排放的65%，約占全球經濟總量的70%。 以歐盟、德國、美國、英國、日本等為首的發達國家地區碳達峰、 碳中和發展路線如表1 所示， 包含了從當前至2030年、再到2050 年的減碳消碳計劃。

表1 世界發達國家地區碳達峰、碳中和發展路線

我國作為世界第一制造大國的同時也是世界第一碳排放國家。根據英國石油公司BP 與世界銀行2020 年數據顯示，中國碳排放總量近99 億噸，占全球30.7%，超過美歐日總和；中國碳排放強度（即單位國民生產總值的增長所產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]。 因此政府監管、社會責任、市場導向、客戶需求和可持續發展等各方需求迫使制造業企業向低碳經濟轉型。

2 產品制造過程碳效率核算方法

在國內能源產業格局中，產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%，而不產生碳排放的水電、風電、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生，實行碳排放量化核算是實現節能減排的關鍵決策因素，能夠將產量與能源消耗以及環境排放相結合。

2.1 制造過程碳排放特點

目前國內產品制造系統主要呈現離散型分布與非線性的多層級復雜制造系統，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，且生產系統通常由不止一條工藝鏈構成，系統內的能量消耗與物質消耗情況復雜[4]。

在產品制造系統中，目前國際上ISO 14064、ISO 14067、GHG Protocol、PAS 2050 規范等相關標準規范對于碳排放的分類是根據其排放特性分為直接碳排放和間接碳排放。 根據產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 機械產品生命周期評價總則》 所規定的相關術語進行定義碳效率與碳排放相關內容。 所謂直接排放或一次排放，是在產品制造過程中，物質間發生化學反應產生的碳排放；間接排放或多次排放，是生產設備服役過程中、能源消耗、廢棄物處理、工廠車間電能使用過程中的碳排放。依據碳排放情況將產品制造過程劃分為四個層級S={S1設備級，S2工藝級，S3車間級，S4工廠級}，圖1 為四個層級碳排放流量示意圖，表示當制造任務下達后，碳排放來源于各層級間在接收訂單到完成生產任務過程中工藝單元系統內的所有設備對資源消耗后的貢獻量。

圖1 產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

就碳足跡而言，Wiedmann 等[5]針對產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品或活動在直接或間接情況下產生二氧化碳排放總量的測量， 另一方面這種測量也是對產品生命周期內輸入輸出二氧化碳總量的累積計量。而對于碳效率評價，是將產品制造過程中的能源消耗情況和環境影響情況有效結合在一起，再通過綜合考慮生產時間、產量、成本等變量因素建立的一種反映產品制造系統生產性能的指標。

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來衡量產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品制造過程中碳排放與產品之間的分配關系，使得在制造過程中有目的、有方向的提高節能減排水平。 針對產品制造過程動態的、多層級的碳排放特點，如何對產品制造過程中碳排放進行定量核算與分析是實現低碳制造亟需解決的問題，后續才能為完善產品全生命周期碳足跡數據庫與建立碳足跡標簽提供有效數據支撐。

面對產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品分配關系的產品制造過程碳足跡計算方法，并且采用NSGA-Ⅱ算法對制造時間、碳足跡總量、設備利用率這三個參數進行多目標柔性作業車間調度模型優化。方旭斌[7]按照工藝流程將機械零件加工過程碳排放劃分為機加工、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輸設備和基礎設備產生的碳排放情況， 通過核算模型能夠方便實時監測企業零件生產過程中產生的碳足跡情況， 為下游企業及環境排放監測機構提供產品生命周期碳足跡核算數據。

對于碳效率計算與評價方法，鄭軍[8]通過分析砂型鑄造過程生產能量、設備利用率、能源消耗以及生產時間等影響因素下，建立了基于工序碳源的碳排放計算模型，并在計算模型的基礎上利用影響因素構建了四個維度的砂型鑄造過程碳效率計算模型和綜合碳效率模型，采用灰色關聯分析方法實現最優評價，最后通過實例驗證了該碳效率模型的可行性分析。

2.2.1 碳足跡

產品碳足跡核算方法運用比較廣泛的有三種， 分別是生命周期評價法、輸入輸出生命周期評價法、混合生命周期評價法，具體方法內容介紹及計算公式如下：

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

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

該評估方法優勢在于，一是能夠系統性地研究每個階段的能源消耗和溫室氣體排放對環境的影響； 二是可以量化生命周期內的投入產出；三是數據可靠，過程詳細，結果確定性高，應用性較強，為企業“碳標簽”提供量化基礎。 但生命周期法也存在局限性，具體表現為：數據不確定性較強，原始數據和核算結果受時間和地域的限制，當時間和地域不同時，其數據與核算結果也會發生變化。

（2）輸入輸出生命周期評價法。 輸入輸出生命周期評價法結合了環境問題，通過繪制投入產出表，構建數學模型，計算溫室氣體排放量。 具體計算公式如式（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—直接排放系數矩陣，矩陣內各項代表某部門每單位貨幣產出直接排放的溫室氣體量；I—單位矩陣；A—直接消耗系數矩陣；Y—部門最終需求向量。

此種方法填補了生命周期評價法邊界不易確定的缺陷，同時投入資源較少，可降低核算成本。 其局限性表現在此種方法數據更新速度較慢、時效性較差，不適用于單一工業產品。

（3）混合生命周期評價法。 而混合生命周期評價法是結合了上述兩種評價法的優點，具體計算公式如下：

式中：B—研究對象的直接或間接碳排放量；b—微觀系統的直接碳排放系數矩陣；A—產品生產過程的技術矩陣；M—研究對象所在的微觀系統向宏觀經濟系統的投入；L—宏觀經濟系統向微觀系統的投入；I—單位矩陣；k—外部需求向量。

此方法可以針對某一產品進行評價或者對整個生命周期評價，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缺點進行了比較。無論采用上述三種方法中的哪種來核算碳足跡， 都需要結合實際的生產情況進行計算， 避免發生某種生產過程中碳排放數據的重復計入。

表2 三種碳足跡核算方法優缺點總結

2.2.2 碳效率評價

隨著可持續發展研究的繼續， 生態效率 （Eco-efficiency）已廣泛應用于環境評價、經濟產出等層面。 根據世界可持續發展工商理事會WBCSD 研究情況，生態效率的基本定義如式（4），生態效率逐步作為衡量環境管理與經濟產出的指標之一[9]。

式中：Pi（ti，mi，eci，mci，costi）—某產品在第i 個制造工藝過程中該時間段內的生產率， 衡量生產率的指標有生產時長ti、加工零件質量mi、生產過程能源消耗量eci、物料使用量mci和制造成本costi等；Ci（ti，vi，ri，fri，mri）—某產品在制造工藝過程i 中該時間段內的碳排放率， 碳排放率ηi是反映生產情況與發生波動下碳排放量的變化程度， 如設備發生故障、 維修以及隨著材料去除量的變化等狀況下生產發生波動，與之相關的參數有產量vi、加工去除率ri、加工故障率fri和維修率mri等。

將式（5）用于產品制造過程系統碳效率排放依據，計算結果用來定量衡量制造過程碳排放情況及其相關生產情況。 碳效率比較生產效率之間的區別在于：碳效率主要衡量產品在制造過程中涉及到的物質流、 產品流以及工藝流中的碳排放情況， 是在某一特定排放區間內的碳排放量； 碳效率除了考慮時間問題同時也將產品制造過程中的制造質量mi、 制造成本costi以及產量vi等屬性結合起來。 因此， 通過碳效率評估使得產品在實際制造過程中，每個工藝過程的碳排放情況將完全體現出來。

在實際制造過程中，根據文獻[4]中數據，YS3116CNC7和YKB3120A 兩款滾齒機床生命周期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行說明。一個產品的制造通常需要經過i 條工藝過程，但在每條工藝過程中的碳排放情況和生產情況各不相同。 為了將碳效率評估更加合理化，圖2 對產品制造過程中工藝級的碳效率評估流程做出了詳細說明，從下達制造命令到各制造工藝結束之后，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行分別計算生產率Pi和碳排放率Ci，為碳效率評價模型提供定量評價依據，再根據碳效率計算結果對該制造過程進行評價， 最終為該產品制造過程提供碳效率優化方案。

圖2 產品制造過程中工藝級碳效率評估流程

3 結論

為實現產品低碳制造，通過分析產品制造過程特性，綜合考慮碳排放環境、生產時間、產量等可變因素，將碳排放情況作為制造過程中的分析與評估指標， 是充分結合能源消耗與環境排放情況的具體體現。 同時構建了基于生態效率定義的產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情況， 也能夠說明產品制造系統的可靠程度， 有助于解決如何對每個工藝過程中各種能源和資源消耗進行碳排放和經濟效益綜合量化的問題。 后續將繼續根據離散型工廠制造過程建立碳效率評價模型， 并通過多目標優化的方式對動態制造過程碳效率進行更為精確的計算。