基于碳足跡的再制造產(chǎn)品供應(yīng)鏈碳成本模型構(gòu)建

黃靜文，倪方良，周 敏

（1.武漢科技大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081；2.武漢科技大學(xué)精密制造研究院，湖北 武漢 430081；3.山東大學(xué) 管理學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100；4.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081）

0 引言

再制造是中國(guó)制造業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向[1]。通過(guò)對(duì)廢舊產(chǎn)品實(shí)施一系列再制造措施和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)其從性能損耗甚至是損壞到能夠使用、且功能等于或大于原產(chǎn)品的更新。因此，發(fā)展再制造符合當(dāng)今強(qiáng)調(diào)低碳經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展的要求。

二十大報(bào)告中也明確指出要積極穩(wěn)妥推進(jìn)碳達(dá)峰碳中和，立足于我國(guó)能源資源稟賦，將碳排放量與再制造供應(yīng)鏈相結(jié)合，發(fā)揮碳足跡在再制造供應(yīng)鏈碳排放中的關(guān)鍵作用；完善再制造供應(yīng)鏈在如今市場(chǎng)中的不足之處；提升再制造業(yè)市場(chǎng)比重；實(shí)現(xiàn)高端再制造；促進(jìn)再制造產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，會(huì)成為今后研究的重點(diǎn)。因此，研究考慮碳足跡的再制造產(chǎn)品供應(yīng)碳成本模型具有重要意義。

在研究再制造供應(yīng)鏈方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要集中在傳統(tǒng)的供應(yīng)鏈管理方式下，對(duì)于考慮碳足跡的再制造供應(yīng)鏈碳成本研究較少。Qian，等[2]研究了某種活動(dòng)在整個(gè)生命周期或特定時(shí)間內(nèi)排放到環(huán)境中的CO2、CH4、N2O 等氣體的量。夏西強(qiáng)，等[3]基于授權(quán)再制造對(duì)比三種碳減排政策下原始制造商和再制造商博弈模型，并研究了政府碳減排政策對(duì)授權(quán)再制造供應(yīng)鏈的影響。梁佳平，等[4]考慮了制造商分開(kāi)銷售新產(chǎn)品和再制品時(shí)的三種渠道結(jié)構(gòu)模型，借助數(shù)值分析不同渠道結(jié)構(gòu)下政府碳排放獎(jiǎng)懲力度對(duì)渠道成員的最優(yōu)定價(jià)以及渠道選擇的影響。楊金海，等[5]對(duì)我國(guó)汽車零部件再制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了概述，提出了發(fā)展汽車零部件再制造業(yè)的對(duì)策建議。劉秀磊，等[6]構(gòu)建了不同政策下的多目標(biāo)情景-模糊優(yōu)化模型，通過(guò)算例，證明了再制造補(bǔ)貼、碳稅政策的實(shí)施均能顯著降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的碳排放量。潘瓊[7]構(gòu)建了制造商和再制造商的供應(yīng)鏈博弈模型，考慮了消費(fèi)者環(huán)保意識(shí)、碳交易價(jià)格、再造品的單位碳排放系數(shù)對(duì)外包再制造供應(yīng)鏈的影響問(wèn)題。Zhang，等[8]通過(guò)使用遺傳算法，進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)求解庫(kù)存策略，分別在不同情景下對(duì)模型參數(shù)敏感性進(jìn)行了分析。

針對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)少有基于碳足跡的再制造產(chǎn)品供應(yīng)鏈碳成本量化模型，本文構(gòu)建了一個(gè)由回收商、再制造商、分銷商以及消費(fèi)者組成的再制造供應(yīng)鏈系統(tǒng)，綜合考慮現(xiàn)有文獻(xiàn)的一些不足之處，結(jié)合再制造回收特點(diǎn)，基于碳足跡的生命周期法建立了回收商、再制造商、分銷商和消費(fèi)者的碳排放量模型。核算再制造產(chǎn)品全生命周期碳排放量，優(yōu)化供應(yīng)鏈的協(xié)調(diào)機(jī)制設(shè)計(jì)問(wèn)題?？紤]碳排放的再制造產(chǎn)品供應(yīng)鏈碳成本模型研究具有更全面的角度，能夠深入研究和實(shí)現(xiàn)再制造產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益雙重目標(biāo)。再制造產(chǎn)品碳足跡研究技術(shù)框架如圖1所示。

圖1 再制造產(chǎn)品碳足跡研究技術(shù)框架

1 再制造產(chǎn)品碳足跡生命周期研究與分析

當(dāng)前采用的碳足跡計(jì)量方法主要有以下幾種：排放系數(shù)法、投入產(chǎn)出法、生命周期法以及過(guò)程分析法[9]。其中，生命周期法是通過(guò)對(duì)生命周期各個(gè)過(guò)程進(jìn)行分布計(jì)算，最終匯總得到碳排放總量，是研究產(chǎn)品在其整個(gè)生命周期中對(duì)環(huán)境影響最有利的工具。

因此，本文選擇生命周期法研究碳足跡模型，如圖2所示。

圖2 基于生命周期的供應(yīng)鏈碳足跡計(jì)算框架

1.1 目的的確定

目的的確定是進(jìn)行再制造供應(yīng)鏈碳足跡計(jì)算的第一步。根據(jù)研究目標(biāo)以及再制造產(chǎn)品企業(yè)的需求，本文的研究范圍包括：回收拆解、再制造生產(chǎn)、產(chǎn)品銷售、使用維護(hù)四個(gè)階段的能源、物料的輸入和碳排放量，其中包括了各階段的物流運(yùn)輸過(guò)程。

1.2 計(jì)算邊界的確定

確定計(jì)算邊界是再制造供應(yīng)鏈進(jìn)行碳足跡計(jì)算的重要一環(huán)，基于碳足跡的計(jì)算邊界由再制造供應(yīng)鏈的各階段組織邊界構(gòu)成。

再制造產(chǎn)品的全生命周期碳排放計(jì)算覆蓋一個(gè)產(chǎn)品的完整生命周期，還包括產(chǎn)品使用階段和產(chǎn)品處置（如報(bào)廢）產(chǎn)生的碳排放。

基于再制造產(chǎn)品供應(yīng)鏈的碳足跡的計(jì)算邊界如圖3所示。

圖3 基于再制造產(chǎn)品供應(yīng)鏈的碳足跡計(jì)算邊界

1.3 碳排放源分析

本文將碳排放源劃分為來(lái)源于回收商、再制造商、分銷商、消費(fèi)者等，指導(dǎo)再制造產(chǎn)品從回收拆解到再制造生產(chǎn)、銷售、使用維護(hù)階段的節(jié)能減排工作。具體內(nèi)容如下：

（1）源于回收商。回收商檢測(cè)中心的碳排放源主要有三種：第一種是回收中心作業(yè)造成的碳排放；第二種是回收中心內(nèi)部運(yùn)輸過(guò)程中造成的碳排放；第三種是拆解過(guò)程中的碳排放。

（2）源于再制造商。整個(gè)再制造生產(chǎn)過(guò)程中碳排放的主要來(lái)源是再制造工廠生產(chǎn)作業(yè)活動(dòng)造成的碳排放，主要是化石、電力燃料燃燒產(chǎn)生的排放、凈購(gòu)入使用電力產(chǎn)生的排放等。

（3）源于分銷商。分銷商造成的碳排放過(guò)程中，再制造產(chǎn)品的存儲(chǔ)和運(yùn)輸是主要來(lái)源。再制造產(chǎn)品存儲(chǔ)過(guò)程中的碳排放源主要是對(duì)產(chǎn)品保管中電能的消耗等。運(yùn)輸中的碳排放來(lái)源主要是各種交通工具（汽車）的使用消耗等。

（4）源于消費(fèi)者。以再制造產(chǎn)品供應(yīng)鏈為例，消費(fèi)者在使用維護(hù)再制造產(chǎn)品中造成的碳排放是其所在的再制造供應(yīng)鏈中碳排放不可或缺的部分。

2 再制造產(chǎn)品供應(yīng)鏈碳足跡計(jì)算模型構(gòu)建

2.1 回收商的回收拆解階段碳足跡計(jì)算模型

某公司回收一批汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的再制造產(chǎn)品拆分后存在i（i=1,2，…,n）個(gè)組件，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模型計(jì)算。

2.1.1 廢舊產(chǎn)品回收產(chǎn)生的溫室氣體GHG（Greenhouse Gas）排放量。本文用rR表示廢舊產(chǎn)品磨損率，將產(chǎn)品回收再利用階段的重量用Qw表示。

式中，Q：產(chǎn)品的重量（kg）；

rR：產(chǎn)品的磨損率（%）；

EFR,r：廢舊產(chǎn)品回收過(guò)程產(chǎn)生的GHG 排放系數(shù)（kg-CO2e/kg）；

Qw：廢舊產(chǎn)品回收時(shí)的重量（kg）；

ER,r：廢舊產(chǎn)品回收過(guò)程產(chǎn)生的GHG排放量（kgCO2e）；

2.1.2 廢舊產(chǎn)品材料拆解的GHG排放量。廢舊產(chǎn)品的材料拆解再利用可分為兩部分，一部分是廢舊產(chǎn)品拆解中可生產(chǎn)金屬零部件、合金材料生產(chǎn)的主體部分，重量為QW,m1，對(duì)再制造產(chǎn)品主體部分的轉(zhuǎn)化效率用η表示，回收轉(zhuǎn)化率和廢舊產(chǎn)品的回收質(zhì)量相關(guān)，用ηy表示。另一部分是廢舊產(chǎn)品中所含的廢棄件，重量為QW,m2。

①可生產(chǎn)主體部分的GHG排放量。生產(chǎn)金屬零部件材料所產(chǎn)生的GHG排放量如式（2）所示：

式中，AD1：電力能源消耗量（kWh）；

EF1：電力能源排放系數(shù)（kgCO2e/kWh）；

AD2：化石能源消耗量（m3、kg）；

EF2：化石能源排放系數(shù)（kgCO2e/m3）；

QW,m1：廢舊產(chǎn)品中可回收的零部件重量（kg）；

ηy：廢舊產(chǎn)品的可用零部件轉(zhuǎn)化率。

②不可生產(chǎn)部分的GHG排放量。對(duì)再制造產(chǎn)品中所含有的拆解零部件所產(chǎn)生的棄料進(jìn)行廢棄處理，包括運(yùn)輸和處理兩個(gè)部分，如式（3）所示：

式中，ER,m2：廢舊產(chǎn)品不可生產(chǎn)部分進(jìn)行廢棄處理的GHG排放量（kgCO2e）；

EFR,h：廢舊產(chǎn)品不可生產(chǎn)部分進(jìn)行處理的GHG排放系數(shù)（kgCO2e/kg）；

QW,m2：廢舊產(chǎn)品中所含的廢棄件的重量（kg）；

EFR,t：廢舊產(chǎn)品運(yùn)輸途中的GHG 排放系數(shù)（kgCO2e/kg）。

綜上，廢舊產(chǎn)品回收拆解過(guò)程中的GHG排放量由如式（4）所示：

式中，Er：廢舊產(chǎn)品材料回收拆解階段的GHG排放量（kgCO2e）。

2.2 再制造商的再制造生產(chǎn)階段碳足跡計(jì)算模型

2.2.1 廢舊產(chǎn)品電能再利用的GHG排放量。再制造生產(chǎn)階段中所消耗的化石能源和電力能源所產(chǎn)生的GHG排放量如式（5）、式（6）所示：

Ely，j和Chy，j分別表示為質(zhì)量級(jí)別為y的組件以再制造工藝步驟j所消耗的能源系數(shù)。

2.2.2 廢舊產(chǎn)品熱能再利用的GHG排放量。本研究中再制造產(chǎn)品碳元素的含量設(shè)定為P。

廢舊產(chǎn)品燃燒時(shí)GHG排放量如式（7）所示：

式中，ER,h：廢舊產(chǎn)品燃燒產(chǎn)生的GHG 排放量（kg-CO2e）。

2.2.3 廢舊產(chǎn)品材料的再制造生產(chǎn)階段全部的GHG排放量，具體如式（8）所示：

2.3 分銷商的產(chǎn)品銷售階段碳足跡計(jì)算模型

銷售階段的GHG排放量如式（9）所示：

式中，Es：再制造產(chǎn)品銷售階段的GHG 排放量（kg-CO2e）；EFR,S：再制造產(chǎn)品銷售運(yùn)輸階段的GHG 排放系數(shù)（kgCO2e/kg）。

2.4 消費(fèi)者使用維護(hù)階段的碳足跡計(jì)算模型

使用維護(hù)階段的GHG排放量是求出產(chǎn)品從消費(fèi)者開(kāi)始使用到最終報(bào)廢過(guò)程中的GHG排放總量，按其貢獻(xiàn)率進(jìn)行計(jì)算。

產(chǎn)品使用階段的GHG排放量如式（10）所示：

式中，

Eu：使用維護(hù)階段產(chǎn)生的GHG 排放量（kgCO2e）；L：使用壽命（km）；ADf,u：汽車運(yùn)輸?shù)挠秃模↙/km）；EFf,u：汽車運(yùn)輸燃油的GHG排放系數(shù)（kgCO2e/L）；γ：燃料貢獻(xiàn)率。

2.5 碳足跡計(jì)算總模型

各階段的碳排放核算公式見(jiàn)表1。

表1 各階段的碳排放核算公式

3 考慮碳足跡的再制造產(chǎn)品供應(yīng)鏈成本分析與模型構(gòu)建

通過(guò)閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，針對(duì)我國(guó)再制造產(chǎn)品供應(yīng)鏈的產(chǎn)品特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)外碳稅的實(shí)踐和我國(guó)碳稅的相關(guān)研究，設(shè)定了各階段的碳稅稅率，見(jiàn)表2。

表2 再制造產(chǎn)品供應(yīng)鏈碳稅稅率表

在第2節(jié)中計(jì)算出了回收拆解、再制造生產(chǎn)、產(chǎn)品銷售、使用維護(hù)的碳排放分別為Er,Ep,Es,Eu，結(jié)合表2中再制造供應(yīng)鏈各階段的碳稅稅率，可以分別計(jì)算出各階段的碳成本，如式（11）所示。

式中，C4:再制造產(chǎn)品供應(yīng)鏈生命周期碳成本折現(xiàn)值。

4 案例分析

為驗(yàn)證上述模型的可靠性，以A公司回收的一批再制造發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的碳足跡成本變化為例，計(jì)算出最優(yōu)的再制造產(chǎn)品碳成本[10]。

4.1 再制造發(fā)動(dòng)機(jī)回收拆解階段碳足跡計(jì)算

4.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)零部件回收的碳足跡。一般發(fā)動(dòng)機(jī)在回收拆解過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生10%-18%的損耗。本次研究將再制造發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損率定為15%。再制造發(fā)動(dòng)機(jī)回收的碳足跡見(jiàn)表3，經(jīng)過(guò)計(jì)算的結(jié)果如式（12）所示。

表3 再制造發(fā)動(dòng)機(jī)回收階段碳足跡

4.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)拆解再利用的碳足跡

①可生產(chǎn)主體部分的排放。在主體零部件的拆解利用過(guò)程中，根據(jù)公式（2），計(jì)算出可生產(chǎn)部分材料產(chǎn)生的排放量，見(jiàn)表4。

表4 生產(chǎn)每千克主體零部件的排放量

結(jié)合表4中的數(shù)值信息，可回收的零部件部分重量為95kg，廢舊發(fā)動(dòng)機(jī)的金屬主體零部件的轉(zhuǎn)化率設(shè)定為90%。求出拆解過(guò)程中所產(chǎn)生的排放如式（13）所示。

②不可生產(chǎn)部分廢棄處理產(chǎn)生的排放。在發(fā)動(dòng)機(jī)拆解階段，根據(jù)公式（3），結(jié)合表5，計(jì)算出不可生產(chǎn)部分產(chǎn)生的排放如式（14）所示。

表5 不可生產(chǎn)部分的排放量

廢舊產(chǎn)品材料的回收拆解階段全部的GHG排放量如式（15）所示。

4.2 再制造發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)階段碳足跡計(jì)算

根據(jù)式（5）-式（7），計(jì)算出生產(chǎn)每千克再制造發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的排放量見(jiàn)表6。

表6 生產(chǎn)每千克再制造發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的排放量

根據(jù)表6中再制造發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的排放信息，參照式（8），廢舊產(chǎn)品中碳元素的含量為0.067。求出再制造發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的碳足跡如式（16）所示。

4.3 再制造發(fā)動(dòng)機(jī)銷售階段碳足跡計(jì)算

參照公式（9)，結(jié)合再制造發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，銷售運(yùn)輸階段的GHG排放系數(shù)為0.21。求出再制造發(fā)動(dòng)機(jī)銷售階段的碳足跡如式（17）所示。

4.4 再制造發(fā)動(dòng)機(jī)使用維護(hù)階段碳足跡計(jì)算

根據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)資料顯示，一般汽車再制造發(fā)動(dòng)機(jī)有5年的使用壽命，再制造發(fā)動(dòng)機(jī)的平均壽命達(dá)到150 000km，再制造發(fā)動(dòng)機(jī)百公里油耗為6.87L。汽車運(yùn)輸燃油的GHG排放系數(shù)為2.925，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)使用的整個(gè)生命周期中，再制造發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料貢獻(xiàn)率為0.25。參照式（10），求出再制造發(fā)動(dòng)機(jī)使用階段的碳足跡，如式（18）所示。

根據(jù)結(jié)果可知再制造發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期的碳排放總量為7 667.8kgCO2e，其中使用維護(hù)階段最高，碳排放量為7 535.53kgCO2e；其次是回收拆解階段，排放量為64.49kgCO2e；然后是再制造生產(chǎn)階段，排放量36.28kgCO2e；最后是產(chǎn)品銷售階段為31.5kgCO2e。再制造發(fā)動(dòng)機(jī)生命周期的碳排放量見(jiàn)表7。

表7 再制造發(fā)動(dòng)機(jī)生命周期碳排放量

根據(jù)碳稅政策，在不考慮使用維護(hù)階段的碳價(jià)格時(shí)，求得再制造發(fā)動(dòng)機(jī)生命周期每個(gè)階段的碳成本為C4：

5 結(jié)語(yǔ)

（1）建立了再制造產(chǎn)品生命周期碳足跡核算模型?；谏芷诶碚?，參照PAS 2050規(guī)范，該模型由目的的確定、計(jì)算邊界的確定、碳排放源分析、計(jì)算方法的選擇四部分組成，對(duì)再制造供應(yīng)鏈碳足跡的路徑進(jìn)行深入的研究與分析。

（2）基于生命周期理論，建立生命周期各階段的碳足跡核算模型。將碳足跡的計(jì)算分為：回收拆解、再制造生產(chǎn)、生產(chǎn)銷售、使用維護(hù)四個(gè)部分。

（3）構(gòu)建了一套針對(duì)再制造發(fā)動(dòng)機(jī)具體的碳足跡核算模型。本文在汽車行業(yè)還沒(méi)有出臺(tái)碳足跡核算標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，選取再制造發(fā)動(dòng)機(jī)碳足跡為研究對(duì)象，基于排放系數(shù)和生命周期方法，構(gòu)建了碳足跡核算模型，將生命周期劃分為回收拆解、再制造生產(chǎn)、產(chǎn)品銷售、使用維護(hù)四個(gè)階段，并對(duì)各個(gè)階段以及整個(gè)生命周期的碳排放進(jìn)行計(jì)算，有利于再制造商核算再制造汽車的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。