铝合金电缆与铜电缆的生命周期评价研究

党朋，苏桓，刘斌，郑秋，曾伟，王乐

1.上海电缆研究所，上海 200093 2.美国通用电缆(中国)，天津 300308 3.特种电缆技术国家重点实验室，上海 200093

近年来，铝合金电缆作为一种新型的电缆，因其优越的性能和相对较低的价格而迅速发展成为电缆行业中一股新生的力量，引起越来越多的关注。铝合金电缆和铜电缆在技术性能和应用场合方面各有优缺点。铝合金电缆和铜电缆在生产制造及使用过程中涉及大量的铜铝资源、能源消耗等。据统计，中国电缆行业2011年铜和铝用量分别达到484万t(约占全世界铜导体产量的13%)和220万t[1]，且历来电工用铜都属于高品质的99.95%和99.99%铜。而我国铜矿藏匮乏，铝资源丰富，为铝及铝合金在电缆中的应用提供可能，线缆行业专家已经指出，铝及铝合金芯电缆的应用空间巨大[2]。在建设资源节约型和环境友好型社会的大背景下，从全生命周期角度分析铝合金电缆和铜电缆对整个环境的影响，对于这2种电缆的合理使用具有一定的指导意义。

目前国内对电线电缆行业无论是其产品、工艺或服务均鲜有相关的生命周期评价(LCA)分析。而国外仅有少量涉及6类线缆的生命周期评价研究[3]。总体来说，相对于电线电缆行业众多的产品而言，相关的研究非常少。笔者运用LCA方法研究了铝合金电缆和铜电缆在整个生命过程中的环境影响，对于了解铝合金电缆和铜电缆的环境状况，实施可持续发展战略具有重要意义。同时对于研究其他电线电缆产品的生命周期评价具有借鉴和参考意义。

1 研究目标与范围

1.1 产品系统

研究的产品系统为具有相同载流能力的铝合金电缆和铜电缆，其规格型号和技术参数见表1。

表1 铝合金电缆和铜电缆主要技术参数

1)沿墙明敷，环境温度30 ℃。

1.2 产品系统功能单元

选取1 000 m长的电缆作为功能单元。

1.3 系统边界

铝合金电缆研究的系统边界包括原材料(制造导体的铝杆、绝缘材料和外护套)的获取及生产，铝合金电缆的制造、使用、报废回收整个生命周期过程。

铜电缆系统边界包括原材料(制造导体的铜杆、绝缘材料和外护套)的获取，铜电缆的制造、运输、使用、报废回收整个生命周期过程。

2 生命周期清单分析

铝合金电缆和铜电缆的全生命周期可以分为铝合金杆铜杆制造、电缆制造、运输、运行使用、报废回收5个主要单元阶段。按其主要单元过程进行数据收集和清单分析。

2.1 铝合金杆铜杆制造

铝合金杆和铜杆分别是制造铝合金电缆和铜电缆的主要原材料，铝合金杆和铜杆制造环节的主要排放物来自金属熔炼及精炼过程中的气体燃料燃烧。制造过程中燃料中绝大部分的碳通过燃烧被氧化成CO2排放到空气中，还有一部分不完全燃烧后以CO的形式排放，其余部分残留在剩余的灰和渣中。燃烧过程中，CO2的排放量与燃料消耗量有关，也与燃料本身的属性和特征有关，还与燃烧设备和技术员操作水平有关，表征燃料本身燃烧特征的一个参数是碳排放系数，它指燃料潜在的碳排放量，主要取决于燃料的各种化学组分中碳的燃烧对于燃料热值的贡献，常以kgMJ为计量单位。碳氧化率是表征燃料自身CO2排放特性的另一个指标。

在数据收集过程中，由于现有检测手段难以对气体的排放量进行精确计量，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进行估算。由于铝合金杆铜杆制造过程中的燃料为天然气，因此根据天然气的燃烧来确定排放量[4]。

1)燃烧的CO2排放量计算公式：E=3.67FQKa

式中，E为排放量，kg；F为燃料的消耗量，kg；Q为燃料发热量，MJkg；K为燃料的碳排放系数，kgMJ；a为燃料的碳氧化率。

天然气的K为15.30×10-3kgMJ，a为0.995，Q为38.931 MJkg。

2)NOx排放量的估算公式：E=0.001Fb

式中，b为燃料燃烧时NOx排放因子。

天然气的排放因子为4.10 gm3。

3)CO排放量的估算公式：E=FQc

式中，c为燃料燃烧时CO排放因子。

4)SO2排放量的计算参照环境统计手册[5]，工业炉燃烧过程中SO2的产生量约为0.000 63 kgm3(以天然气计)。

通过对工厂有关材料、能量及资源的统计数据进行计算，可以得到相关的环境数据。

2.2 铝合金电缆铜电缆制造

铝合金电缆和铜电缆制造过程的主要排放物为含油废水，对拉制好的铝合金丝和铜丝，在绞制前要进行表面清洗，以去除铝合金丝和铜丝表面沾带的拉丝油。根据工厂的统计数据，含油废水中的主要污染物COD产量为0.10 kgd，BOD产量为0.03 kgd。

2.3 铝合金电缆铜电缆运输阶段

电缆运输过程体现在能源的使用及对应相关的环境排放。按照电缆从工厂到用户的平均运输距离为800 km计算，电缆运输过程中的环境模型及运输1 t电缆1 km后对环境的影响见表2。

表2 电缆运输过程中的环境模型[6]

2.4 铝合金电缆铜电缆运行使用阶段

电缆运行过程中体现在电能损耗。电缆在运行年限的能量损耗计算公式[7]：

第1年内能量损耗=(Imax2RlNpNc)T

式中，Imax为第1年内电缆的最大电流，A；R为考虑到集肤效应和邻近效应(ys，yp)以及金属屏蔽和铠装中损耗(λ1,λ2)导体单位长度的交流电阻，Ωm；l为电缆长度，m；Np为每个回路的相导体数；Nc为类型和负荷值相同的回路数；T为最大能量损耗下的运行时间，h年，即与实际变化负荷电流产生的年能量损耗总和相同所要施加的最大电流(Imax)的时间。

对所有电缆进行相应能耗分析，假设设备运行电流为电缆载流量的90%，工作电压为380 V，环境温度为30 ℃，设备的功率因数取0.85，敷设方式采用沿墙明敷，设备运行周期为30年，每年365天，每天24 h，设备最大能量损耗运行时间使用率为0.3。

2.5 铝合金电缆铜电缆报废回收

当电缆达到使用寿命30年后，进行电缆回收。电缆分拆环节不考虑。电缆分拆下来的绝缘和护套材料按100%掩埋处理，考虑其占用土地的体积。铝合金导体材料按废杂铝100%回收处理，铜导体材料按再生铜100%回收。

对于电缆分拆下来的绝缘和护套材料按其密度计算其体积，进而确定其掩埋空间。按PE密度为940 kgm3，PVC密度为1 500 kgm3计算。

电缆导体回收过程中的环境影响以能耗为主，根据上海市再生铝能耗要求[8]，每t废杂铝的综合能耗限定值为150 kg(以标煤计，下同)。根据工业和信息化部、科学技术部、财政部《再生有色金属产业发展推进计划》[9]，再生铜熔炼(杂铜-阴极铜)能耗低于290 kgt，因此其能耗按最低值290 kgt计算。

2.6 数据清单

通过整理和计算铝合金电缆和铜电缆所有单元过程的清单数据，可以得出单位产品(LCA中称为功能单位)的生命周期清单表，即该产品在整个生命周期模型所涵盖的过程中，总共消耗的各种资源的数量和造成的各种环境排放的数量(表3和表4)。

表3 1 000 m TC90-4×240铝合金电缆清单数据

表4 1 000 m YJV-4×150铜电缆清单数据整理

3 生命周期影响评价

3.1 计算影响类型指标

在清单数据的基础上，可以采用特征化因子将清单中的各种数据汇总为针对主要环境影响类型的特征化指标。国际上的LCA大多采用8种影响类型：资源(包括矿石资源和化石资源)消耗、气候变化、酸化、富营养化、臭氧损耗、光化学污染、人体毒性、生态毒性。结合铝合金电缆的全生命周期清单数据，其生命周期涉及到其中7种影响类型(表5)。

表5 环境影响类型及其要素

产品生命周期总是涉及多种资源的消耗，而且各种资源的稀缺度不同。为综合评价产品的资源消耗水平，在LCA方法中，首先需要得到反映各种资源稀缺度的特征化因子，然后与产品生命周期的各种资源消耗量相乘并求和，从而得出产品的综合资源消耗评价指标，以衡量产品生命周期总体的资源消耗水平。

文献[10]中给出了中国资源消耗潜值(Chinese abiotic depletion potential，CADPi)的计算公式：

式中，ADPi为世界范围资源i的稀缺度因子；SRi为该资源的中国自给率；下标ref代表基准资源。

CADP选择了煤作为基准资源，文中涉及的资源CADP见表6。

表6 资源CADP

表7 各种能源折标煤参考系数

对于计算酸化潜值模型[12]，以潜在的H+当量值表达潜在的酸沉降，允许排放的酸性气体按它们形成H+的能力累计。假设1个SO2分子产生2个H+，1个NOx分子产生1.4个H+。所以NOx的酸化潜力等于相对于SO2，每kg NOx释放的H+数。酸性气体的特征化因子如表8所示。

表8 酸性气体的特征化因子

对于全球暖化，由政府间气候变化专门委员会[13](IPCC)提出的全球变暖潜力(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为IPCC模型中温室气体的特征化因子。

表9 温室气体的特征化因子

在评价富营养化的各模型中，只有CML2002[12]提供了不包含本地化信息的可普遍适用的特征化因子，且特征化因子可同时适用于水体以及陆地富营养化。该模型特征化因子基于化学计量学中N和P的固定比值(来源于藻类的平均化学组成)。同时以BOD或COD表示的有机物的特征化因子。因此选择该模型中的富营养化潜值(EP)作为评价富营养化的指标。表10为CML2002模型中富营养化物质的特征化因子。

表10 富营养化物质的特征化因子

3.2 生命周期影响评价

按照3.1节特征化值计算方法，对表3和表4中的数据进行归类计算，分别得到1 000 m TC90-4×240铝合金电缆和YJV-4×150铜电缆在其全生命周期内的环境影响特征化指标，如表11所示。

表11 1 000 m TC90-4×240铝合金电缆和YJV-4×150铜电缆的环境影响特征化指标

4 生命周期解释

4.1 完整性检查

完整性检查的目的是确保解释所需的所有相关信息和数据已经获得，并且是完整的。

铝合金电缆主要由铝合金和外层绝缘以及护套材料组成，在其整个生命周期阶段完成后，最终铝合金以回收的方式回到初始的铝锭，而外层绝缘以及护套材料以掩埋的方式完成。铜电缆主要由铜和外层绝缘以及护套材料组成，在其整个生命周期阶段完成后，最终铜以回收的方式回到初始的电解铜板，而外层绝缘和护套材料以掩埋的方式完成。因此整个生命周期边界是闭环，其单元过程是完整的。

在其单元过程中所涉及的材料、能量、资源等输入量，连同产品、排放物、废物等输出量均被考虑，因此数据的收集是完整的。

4.2 一致性检查

一致性检查的目的是确认假设、方法和数据与目的和范围的要求相一致。

通过对单元过程所收集数据及计算模型的检查，与铝合金电缆和铜电缆生命周期评价的目的和范围相一致。

4.3 数据质量评估

数据质量评估只要是评估数据的可靠性和稳定性。

铝合金电缆和铜电缆生命周期一手数据均为美国通用电缆(中国)天津工厂实际收集统计而来，具有可靠性。相关数据计算模型和方法已得到广泛认可。因此计算得来的数据具有稳定性。

5 讨论

假定铜电缆的各项特征化值为1，将铝合金电缆与铜电缆的特征化数值进行比较得出表12。

表12 铝合金电缆与铜缆特征化值比例

由表11和表12可以得出以下结论:

1)铝合金电缆和铜电缆生命周期中，对环境的影响主要集中在中国资源消耗、能源消耗以及全球变暖这3个指标上，而在其余4种指标上的影响较小。

2)在中国资源消耗潜值的这一特征化指标上，铜电缆远高于铝合金电缆，达到3个数量级以上。由于中国铜资源少，对外依存度高达70%[14]，自给率低。而中国的铝资源丰富，自给率高。因此铜与铝的中国本地化的资源消耗潜值差别巨大：铜为9.32×103，而铝仅为2.88×101。导致铜电缆的资源消耗潜值在中国远大于铝合金电缆。

3)在能源消耗潜值这一特征化指标上，铜电缆和铝合金电缆的值在一个数量级上。但铜电缆要大于铝合金电缆，这说明整个生命周期过程中，铜电缆的能源消耗要大于铝合金电缆。详细分析铝合金电缆及铜电缆各单元过程的能源消耗潜值及其所占比例(表13)，可以发现，无论是铝合金电缆还是铜电缆，在生命周期中，运行阶段的能源消耗所占比例均超过99%。说明不论选择哪种材质的电缆，适当的选型对降低电缆生命周期的能源消耗是最为有效的方式。

4)在以上7个特征化指标中，铜电缆在中国资源消耗潜值、能源消耗潜值、酸化潜值、全球变暖潜值、富营养化潜值和工业用水量这6个特征值上要大于铝合金电缆。只有在土地资源潜值(LRP)这一特征化值上，铜电缆比铝合金电缆小。

图1对比了铜电缆和铝合金电缆在7个特征化指标上的区别。由图1可以看出，只有在LRP指标上，铝合金电缆的值高于铜电缆。在能源消耗潜值指标上相对相差最小，而在中国资源消耗潜值指标上相差最大。

表13 铝合金电缆与铜电缆单元过程能源消耗潜值(EDP)对比

图1 铜电缆和铝合金电缆特征化指标对比Fig.1 The chart of characteristic indicators of aluminum alloy cable and copper cable

6 结论

铝合金电缆在中国资源消耗潜值、能源消耗潜值、酸化潜值、全球变暖潜值、富营养化潜值和工业用水量6个特征值上要优于铜电缆，且在中国资源消耗潜值方面优势显著。只有在土地资源潜值这一特征化指标上，铝合金电缆的值高于铜电缆。经过该生命周期的分析表明，铝合金电缆在该应用前提条件下，整个生命周期对环境的影响要低于铜电缆。因此推广铝合金电缆在适用条件下替代铜电缆不仅是可行的，而且具有积极的社会、环境及经济意义，完全符合资源节约、环境友好的可持续发展的国家战略思想。

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