面向产品制造过程的碳效率评价方法研究

孙铭蔚， 狄 飞，2， 李晶莹， 王 营， 夏 青

（1.中机生产力促进中心有限公司， 北京100044； 2.机械科学研究总院， 北京 100044）

0 引言

产品制造过程碳排放核算问题一直是全球性的重大环境议题，随着《巴黎协定》的实施加快了实现全球低碳转型的进程，并继续推动各国加强制定可持续发展战略，加强布局绿色制造和低碳发展的规划， 为此许多国家都提出了一系列严格的政策上的倡议以促进低碳发展制造业。 联合国政府间气候变化委员会研究指出：工业革命之后， 工业化生产生活是导致大气中二氧化碳含量增多的主要因素，碳排放主要源于工厂生产制造。 但除少数先进或高端制造企业外， 大多数制造业企业在低碳转型过程中面临着技术、成本和研发上的难题。

近几年来， 国内外学者研究并提出了诸多有关碳足迹与碳效率核算的方法，使得精益低碳生产应用于绿色制造中。Cai 等[1]根据2017 年相关统计数据分析指出全球制造业能耗巨大，约45.52 亿吨标准煤，约占总能耗的24%，并提出了精益节能减排理念有效提高能源效率和减少废物排放，全面追求能源利用率和废物排放的合理性。 本文将通过分析产品在制造过程中的碳排放形式、 特点等开展碳效率评估方法研究，为决策者提供产品制造过程碳效率评估思路。

1 低碳制造发展现状

早在2009 年， 英国政府就提出了英国低碳转化计划，并计划于2020 年将碳排放量在1990 年基础上减少到之前的66%，自此“低碳”理念正式拉开帷幕。 截至2021年3 月，《巴黎协定》签署方达195 个，全球提出碳中和目标的国家共有128 个[2]。 苏里南及不丹已实现碳中和，中国及哈萨克斯坦将目标年定为2060 年，其余国家将目标设置在2050 年及之前。 这些提出碳中和目标的国家约占全球温室气体排放的65%，约占全球经济总量的70%。 以欧盟、德国、美国、英国、日本等为首的发达国家地区碳达峰、 碳中和发展路线如表1 所示， 包含了从当前至2030年、再到2050 年的减碳消碳计划。

表1 世界发达国家地区碳达峰、碳中和发展路线

我国作为世界第一制造大国的同时也是世界第一碳排放国家。根据英国石油公司BP 与世界银行2020 年数据显示，中国碳排放总量近99 亿吨，占全球30.7%，超过美欧日总和；中国碳排放强度（即单位国民生产总值的增长所产生的二氧化碳排放量）仍处于世界较高水平，是世界平均水平的2.1 倍，美国的3.4 倍，德国的3.6 倍，欧盟的5.3倍；人均碳排放7.1 吨/人，高出世界平均水平（4.2 吨/人）近70%[3]。 因此政府监管、社会责任、市场导向、客户需求和可持续发展等各方需求迫使制造业企业向低碳经济转型。

2 产品制造过程碳效率核算方法

在国内能源产业格局中，产生碳排放的化石能源包括煤炭、石油、天然气等，占能源消耗总量的84%，而不产生碳排放的水电、风电、核能和光伏等仅占16%。随着能源需求的剧增也伴随着大量的碳排放产生，实行碳排放量化核算是实现节能减排的关键决策因素，能够将产量与能源消耗以及环境排放相结合。

2.1 制造过程碳排放特点

目前国内产品制造系统主要呈现离散型分布与非线性的多层级复杂制造系统，不同层级间的碳排放在流动过程中具有层次性和交汇特性，且生产系统通常由不止一条工艺链构成，系统内的能量消耗与物质消耗情况复杂[4]。

在产品制造系统中，目前国际上ISO 14064、ISO 14067、GHG Protocol、PAS 2050 规范等相关标准规范对于碳排放的分类是根据其排放特性分为直接碳排放和间接碳排放。 根据产品在制造过程中的工艺情况也可将其称为一次排放和多次排放。本文按照ISO 14067 和GB/T 26119-2010《绿色制造 机械产品生命周期评价总则》 所规定的相关术语进行定义碳效率与碳排放相关内容。 所谓直接排放或一次排放，是在产品制造过程中，物质间发生化学反应产生的碳排放；间接排放或多次排放，是生产设备服役过程中、能源消耗、废弃物处理、工厂车间电能使用过程中的碳排放。依据碳排放情况将产品制造过程划分为四个层级S={S1设备级，S2工艺级，S3车间级，S4工厂级}，图1 为四个层级碳排放流量示意图，表示当制造任务下达后，碳排放来源于各层级间在接收订单到完成生产任务过程中工艺单元系统内的所有设备对资源消耗后的贡献量。

图1 产品制造过程各层级碳排放流量示意图

2.2 碳足迹与碳效率评价

就碳足迹而言，Wiedmann 等[5]针对产品全生命周期碳足迹作出定义， 定义指出一方面碳足迹是对某产品或活动在直接或间接情况下产生二氧化碳排放总量的测量， 另一方面这种测量也是对产品生命周期内输入输出二氧化碳总量的累积计量。而对于碳效率评价，是将产品制造过程中的能源消耗情况和环境影响情况有效结合在一起，再通过综合考虑生产时间、产量、成本等变量因素建立的一种反映产品制造系统生产性能的指标。

无论是“碳足迹”还是“碳效率”概念，研究其最根本目的是合理地通过二氧化碳这一指标来衡量产品制造过程对全球变暖的影响程度，采用直接碳排放和间接碳排放的方式来分析产品制造过程中碳排放与产品之间的分配关系，使得在制造过程中有目的、有方向的提高节能减排水平。 针对产品制造过程动态的、多层级的碳排放特点，如何对产品制造过程中碳排放进行定量核算与分析是实现低碳制造亟需解决的问题，后续才能为完善产品全生命周期碳足迹数据库与建立碳足迹标签提供有效数据支撑。

面对产品制造过程中碳足迹核算问题，田有全[6]提出了一种基于制造过程碳排放与产品分配关系的产品制造过程碳足迹计算方法，并且采用NSGA-Ⅱ算法对制造时间、碳足迹总量、设备利用率这三个参数进行多目标柔性作业车间调度模型优化。方旭斌[7]按照工艺流程将机械零件加工过程碳排放划分为机加工、毛坯加工、热处理以及焊接工艺的碳排放，分别建立了四种碳足迹核算模型，并充分考虑了零件运输设备和基础设备产生的碳排放情况， 通过核算模型能够方便实时监测企业零件生产过程中产生的碳足迹情况， 为下游企业及环境排放监测机构提供产品生命周期碳足迹核算数据。

对于碳效率计算与评价方法，郑军[8]通过分析砂型铸造过程生产能量、设备利用率、能源消耗以及生产时间等影响因素下，建立了基于工序碳源的碳排放计算模型，并在计算模型的基础上利用影响因素构建了四个维度的砂型铸造过程碳效率计算模型和综合碳效率模型，采用灰色关联分析方法实现最优评价，最后通过实例验证了该碳效率模型的可行性分析。

2.2.1 碳足迹

产品碳足迹核算方法运用比较广泛的有三种， 分别是生命周期评价法、输入输出生命周期评价法、混合生命周期评价法，具体方法内容介绍及计算公式如下：

（1）生命周期评价法。 生命周期评价法是面向产品或者产品系统，针对其原材料获取、产品的生产制造、使用和废弃后处理等全生命周期过程分析和评估产品在该过程中的温室气体排放对环境的影响。 目前为止，此种方法是评价方法中一种较为成熟的评估产品环境影响的指标化方法。 生命周期法计算公式如下：

式中：E—某一产品的碳足迹；Xi—第i 种能源的消耗量；Ci—所对应的单位碳排放因子。

该评估方法优势在于，一是能够系统性地研究每个阶段的能源消耗和温室气体排放对环境的影响； 二是可以量化生命周期内的投入产出；三是数据可靠，过程详细，结果确定性高，应用性较强，为企业“碳标签”提供量化基础。 但生命周期法也存在局限性，具体表现为：数据不确定性较强，原始数据和核算结果受时间和地域的限制，当时间和地域不同时，其数据与核算结果也会发生变化。

（2）输入输出生命周期评价法。 输入输出生命周期评价法结合了环境问题，通过绘制投入产出表，构建数学模型，计算温室气体排放量。 具体计算公式如式（2）所示：式中：C—为满足最终需求而引起的直接或者间接温室气体排放量；c—直接排放系数矩阵，矩阵内各项代表某部门每单位货币产出直接排放的温室气体量；I—单位矩阵；A—直接消耗系数矩阵；Y—部门最终需求向量。

此种方法填补了生命周期评价法边界不易确定的缺陷，同时投入资源较少，可降低核算成本。 其局限性表现在此种方法数据更新速度较慢、时效性较差，不适用于单一工业产品。

（3）混合生命周期评价法。 而混合生命周期评价法是结合了上述两种评价法的优点，具体计算公式如下：

式中：B—研究对象的直接或间接碳排放量；b—微观系统的直接碳排放系数矩阵；A—产品生产过程的技术矩阵；M—研究对象所在的微观系统向宏观经济系统的投入；L—宏观经济系统向微观系统的投入；I—单位矩阵；k—外部需求向量。

此方法可以针对某一产品进行评价或者对整个生命周期评价，不仅适用于微观层面，也适用于宏观层面，在核算过程中使用输入输出表降低了成本。

表2 是对上述三种核算方法的优缺点进行了比较。无论采用上述三种方法中的哪种来核算碳足迹， 都需要结合实际的生产情况进行计算， 避免发生某种生产过程中碳排放数据的重复计入。

表2 三种碳足迹核算方法优缺点总结

2.2.2 碳效率评价

随着可持续发展研究的继续， 生态效率 （Eco-efficiency）已广泛应用于环境评价、经济产出等层面。 根据世界可持续发展工商理事会WBCSD 研究情况，生态效率的基本定义如式（4），生态效率逐步作为衡量环境管理与经济产出的指标之一[9]。

式中：Pi（ti，mi，eci，mci，costi）—某产品在第i 个制造工艺过程中该时间段内的生产率， 衡量生产率的指标有生产时长ti、加工零件质量mi、生产过程能源消耗量eci、物料使用量mci和制造成本costi等；Ci（ti，vi，ri，fri，mri）—某产品在制造工艺过程i 中该时间段内的碳排放率， 碳排放率ηi是反映生产情况与发生波动下碳排放量的变化程度， 如设备发生故障、 维修以及随着材料去除量的变化等状况下生产发生波动，与之相关的参数有产量vi、加工去除率ri、加工故障率fri和维修率mri等。

将式（5）用于产品制造过程系统碳效率排放依据，计算结果用来定量衡量制造过程碳排放情况及其相关生产情况。 碳效率比较生产效率之间的区别在于：碳效率主要衡量产品在制造过程中涉及到的物质流、 产品流以及工艺流中的碳排放情况， 是在某一特定排放区间内的碳排放量； 碳效率除了考虑时间问题同时也将产品制造过程中的制造质量mi、 制造成本costi以及产量vi等属性结合起来。 因此， 通过碳效率评估使得产品在实际制造过程中，每个工艺过程的碳排放情况将完全体现出来。

在实际制造过程中，根据文献[4]中数据，YS3116CNC7和YKB3120A 两款滚齿机床生命周期95%的碳排放量来自于使用阶段，因此先以工艺级中的工艺过程为例进行说明。一个产品的制造通常需要经过i 条工艺过程，但在每条工艺过程中的碳排放情况和生产情况各不相同。 为了将碳效率评估更加合理化，图2 对产品制造过程中工艺级的碳效率评估流程做出了详细说明，从下达制造命令到各制造工艺结束之后，即从原材料到成品的过程中，按照i 条工艺过程中的碳排放和间接碳排放进行分别计算生产率Pi和碳排放率Ci，为碳效率评价模型提供定量评价依据，再根据碳效率计算结果对该制造过程进行评价， 最终为该产品制造过程提供碳效率优化方案。

图2 产品制造过程中工艺级碳效率评估流程

3 结论

为实现产品低碳制造，通过分析产品制造过程特性，综合考虑碳排放环境、生产时间、产量等可变因素，将碳排放情况作为制造过程中的分析与评估指标， 是充分结合能源消耗与环境排放情况的具体体现。 同时构建了基于生态效率定义的产品制造过程碳效率核算评估流程，反映在不同加工工艺过程中的生产情况， 也能够说明产品制造系统的可靠程度， 有助于解决如何对每个工艺过程中各种能源和资源消耗进行碳排放和经济效益综合量化的问题。 后续将继续根据离散型工厂制造过程建立碳效率评价模型， 并通过多目标优化的方式对动态制造过程碳效率进行更为精确的计算。