機電產品碳足跡評估方法研究綜述

王玲 張光立 姜豐

1.中國電器科學研究院股份有限公司 廣東廣州 510300；

2.合肥工業大學機械工程學院 安徽合肥 230009

0 引言

作為世界上最大的發展中國家，我國工業的快速發展雖然促進了經濟和社會的增長，但也導致了嚴重的環境污染。特別是在欠發達的經濟體系中，工業活動會產生更大的環境外部性。因此，“低能耗、低污染和低排放”的生態概念在世界范圍內獲得了青睞。在低碳經濟形勢與大眾發展的背景下，“高能耗、高污染、高排放”題問給當前制造業的發展帶來了極大的困難與挑戰。為實現國家自主貢獻目標，我國針對重工業低碳發展制定了一系列規劃。低碳技術的發展和創新是提高能源效率和實現節能減排的基本手段。因此，制造企業實施的低碳技術創新符合當前的發展趨勢。

1 碳足跡評估研究

碳排放是一個多物理學科的研究領域，它是對溫室氣體排放的一種簡要概述。碳排放的溫室效應以及國際上對氣候變暖效應的政治反應已經引起了科學界的注意。此外，國內外研究人員對碳排放和碳減排的多視角、多學科理論解釋和實證檢驗，為制定相關減少碳排放的政策提供了理論支撐。在這種政治和經濟背景下，全球范圍內與碳排放和碳減排相關的科學和經濟研究日益增多。

產品碳足跡在學術上的定義是產品全生命周期各階段運行過程中生產的溫室氣體排放量，但是現有的研究中對碳足跡的量化并沒有形成普遍認可的評價計算方法。在各類產品的研究中，碳足跡均是基于ISO 14040系列的標準框架進行實施產品全生命周期的評價，這一系列的評價主要包括確定目標和范圍、清單分析、影響評價以及解釋說明。典型的碳足跡評估方案流程如圖1所示。

圖1 典型碳足跡評估方案流程

碳足跡影響因素的分解模型較多，不同評估模型的提出是基于不同的思路，但是都有相同的基礎模型。隨著國內碳足跡評估研究的逐漸深入，國內學者從不同的角度、對象和方法對其進行研究。其中，碳足跡評估的準確性與未來機電產品應繳納的碳稅額度相關聯，故此碳足跡評估的準確性研究是碳足跡量化的重點研究內容之一。

為了實現碳減排，許多研究人員通過建立一系列的碳排放相關模型來計算碳排放量，為后續碳排放優化提供更加便利的條件。雖然目前對碳排放量的計算方法有很多種，但是使用最多的有生命周期法（Life Cycle Assessment，LCA）、投入產出法以及IPCC法（Intergovernmental Panel on Climate Change）?；贚CA的碳足跡評估計算流程如圖2所示。

圖2 基于LCA的碳足跡評估計算流程

1.1 LCA法

LCA法是核算產品在其全生命周期或者整個階段中所有投入和產出對環境造成影響的方法。LCA是通過生命周期清單所得研究對象的輸入、輸出清單，計算其全生命周期中直接和間接產生的碳排放，建立“輸入=累積+輸出”的平衡方程式。

Jeswiet等[1]提出了一種將制造中使用的電能直接與使用電能產生的碳排放（CE）聯系起來的方法，使用碳排放簽名（CES?）查找零件碳排放量；Maria等[2]通過考慮七種沖擊方法，對電動汽車動力總成的關鍵部件進行詳細的生命周期分析，結果表明，高能資源消耗產生的影響最大，其次是金屬，最后是礦產資源。Hoang等[3]基于生命周期提出一種可持續算法來求解最小二氧化碳的排放量，與傳統方法相比，優化后的碳排放總量減少了5.3%～17.7%；王欣等[4]針對產品碳足跡評估計算問題，通過建立碳足跡評價流程實現對產品整個運行過程的全面理解，分析影響產品碳排放因素并制定減排關鍵措施；Chen等[5]根據自行車生產、運營和回收過程中消耗的資源量，利用生命周期碳排放評估來計算共享單車行業的減排閾值，為探索共享經濟與環境之間的關系提供了新的視角；Wei等[6]在生命周期評估的基礎上評估軋鋼生產產生的水、碳和化石能源足跡，并查明了歸因于這些環境影響的主要貢獻者，以便探討其潛在的緩解措施，最后使用蒙特卡羅模型進行不確定性分析，為決策提供可靠的結果。吳百苗等[7]基于全生命周期（LCA）框架，建立全生命周期碳足跡、環境、經濟綜合影響評價模型（LCA-CEE）；劉濤等[8]提出應用生命周期評價（LCA）對鋼鐵企業低碳發展規劃的方法。

采用基于生命周期的評價方法，可以更好地從產品的全生命周期階段，更加全面地評估碳足跡。但是對于LCA來說，數據的獲取是關鍵，而在實際過程中，很難具體獲取到各個過程的初始數據，并且很難將所有影響因素考慮進去，從而影響到碳評估的準確性。

1.2 投入產出法

投入產出法也稱投入產出分析，是研究經濟活動中各產業之間、各企業之間、企業內部各工序之間或各產品之間投入量與產出量平衡關系的一種方法。通過統計企業各部門溫室氣體排放，利用投入產出法分析在整個生產鏈上產生的溫室氣體碳排放量。

徐愷飛[9]基于全球國家為了應對日益嚴重的環境問題而調整經濟模式的大背景和中國產業結構現狀的考慮，測算完全碳排放，從而對碳排放的驅動因素進行分析；楊璐瑤[10]建立了實物量的區域間公路貨運投入產出表；Yang.W等[11]采用投入產出分析和生態網絡分析，從系統角度探討如何減輕企業信息門戶（Enterprise Information Portal，EIP）產品或服務中體現的碳排放，該研究可能有助于EIP的低碳管理；Wiedmann等[12]在經濟學中基于產品生命周期提出一種投入—產出法，并且討論該方法在碳足跡評估中的適用性。除此之外，孫良峰等[13]采用相對碳排放因子方法構建低碳設計產品結構多層集成模型，形成一種從上向下的分層遞減碳排放表達機制，該模型可以較好的對設計過程中碳足跡的量化進行實時反饋；Alessandro等[14]為了提供一種全新的多標準優化方法，基于生命周期評估的可持續性定量分析與公司成本評估方法相結合，并進行實驗，結果表明：將該方法用于燃氣輪機的單個組件，從而降低了供應成本和溫室氣體排放；Jiang等[15]從投入產出調研的角度出發，采用投入產出法、結構分解法、能源利用法的擴展形式，對2007—2015年我國電力和供熱行業結構性排放減少情況進行了研究，為電力供熱行業從投入輸出角度控制CO2排放增長提供假設分析依據，也為電采暖行業更精準地減少供給側能源品種排放提供準確路徑；Zhu等[16]提出了各個國家間投入產出分解框架，該框架可以區分國內企業和多國企業，并重新計算全球價值鏈排放量，包括國際貿易（與貿易有關的全球價值鏈排放）、外國直接投資（與外國直接投資有關的全球價值鏈排放）和兩者（與貿易和與外國直接投資有關的全球價值鏈排放）所體現的排放量。

由上述研究發現，基于投入產出法的碳足跡評估研究主要集中于區域、集團、產業等宏觀方面，很少應用到機電產品上，因此，投入產出法在碳足跡評估上的應用還具有很大的研究空間。投入產出法的相關研究在我國起步較晚，無論是技術還是經驗上都落后于歐美國家。并且由于我國的區域經濟差異，導致數據缺乏可靠性，進而導致分析結果產生系統誤差。

1.3 IPCC法

IPCC法是一種通用型的核算方法，該方法適用于不同尺度的碳足跡核算，其通用公式為：碳排放量=活動數據×排放因子。

在IPCC法方面，國內外的學者做了一些研究，其中Jun Peng等[17]針對機電產品中碳足跡分析與設計方法中結構難以與低碳設計相結合的問題，提出一種基于能源礦物燃燒排放量（IPCC法）的碳足跡評估方法，通過實驗驗證了該方法的有效性；李濤等[18]針對數控機床中碳足跡評估問題，提出基于能源消耗構建碳足跡評估模型，并且對設計方案進行綠色度評價，該模型用于五軸聯動立式加工中心的設計中進行評估，驗證了該方法的有效性；Giulia等[19]針對奶酪生產機器中碳足跡和水足跡評估問題，采用IPCC2013的方法對機器在生產過程中的碳足跡進行評估計算，結果表明，該方法的使用可以有效地計算機器運行過程中的碳排放量；徐峰等[20]針對谷物聯合收割機的燃油消耗問題，運用IPCC法評估出碳減排；吳漢棟等[21]針對燃煤火電行業中電機組的碳排放量評估，提出基于IPCC法的碳足跡評估方法，以300 MW亞臨界燃煤火電機組為例，并利用工程數據計算該機組年度二氧化碳的排放量，并指出了IPCC法在計算過程中的優點；Maurizio Cellura等[22]針對城市能源消耗對環境的影響問題，應用IPCC與LCA的方法對城市中碳排放量進行評估計算，研究表明，通過IPCC方法計算溫室氣體的排放量減少約7%。

以上對機電產品的研究中主要是利用IPCC法對機電產品運行過程中的碳足跡進行評估計算，可以根據清單因子對生產過程進行精確的碳排放量計算；但是現有的研究中針對機電產品使用過程中利用IPCC法進行碳足跡評估的研究很少，主要是針對城市、畜牧業、林場等使用IPCC法進行碳足跡評估。因此，還需要針對機電產品加大相關研究力度。

以上均是針對如何進行碳足跡評估方法的研究，研究主要集中在LCA法、投入產出法、IPCC法。每種方法都有著其本身的優點和局限性，如何通過充分利用和完善改良碳足跡評估的方法來提升產品碳足跡評估的準確性，在未來的研究中將變得至關重要。

2 機電產品碳足跡評估研究的熱點、難點及存在的主要問題

2.1 機電產品碳足跡評估研究的熱點

結合前面所論述的內容，制造業目前迫切需要滿足資源環境壓力下的綠色與低碳需求，因此，國內外企業及研究機構開展了對應的機電產品碳足跡評估領域內研究，主要涵蓋工程機械、電子電器、機械裝備等多種機電產品領域。

目前，碳足跡評估研究熱點主要是集中于針對某類具體產品的碳足跡模型，制造過程中某個具體過程或技術的碳排放分析，以及各類產品生命周期階段的碳數據分析與評估。但距離從產品頂層設計或制造系統規劃等系統層面出發的碳信息體系、碳評估技術及低碳設計仍存在一定差距。

2.2 機電產品碳足跡評估研究的難點

目前，機電產品的碳足跡評估涵蓋了多個領域與學科，如產品設計、信息處理等，其中重點關注內容復雜，且存在一定的技術沖突，其相關研究面臨諸多難點：

（1）碳足跡數據搜集及準確性

機電產品涉及的零部件和原材料構成復雜，將產品零部件拆解得到各零部件碳足跡的數據搜集工作量巨大、準確性難以保證，且碳足跡數據包含但不限于原材料的開采、產品的設計、制造、運輸、銷售、使用、維修保養、廢棄處理，涉及到生命周期各個階段，是機電產品實施碳足跡評估最主要的難點之一。

（2）碳足跡模型構建

由于機電產品所選用原料多源、制造過程復雜、服役環境不確定、回收方式多樣等各類影響因素，導致構建生命周期下碳足跡模型難度較高，且其模型分析精度較低，無法有效支撐后續的碳足跡分析及優化目標。因而，構建準確的數學或物理過程模型來描述機電產品全生命周期碳足跡分布規律存在較大的困難。

（3）碳足跡評估

由于要合理評估機電產品的碳足跡，采用對應的減碳技術來優化關鍵環節，一般需要花費一定的時間和人力成本，形成長時間和大范圍的反映碳排放影響因素與其碳足跡之間對應的關系，并積累相應的數據，以實現機電產品的全球碳足跡評估，實現有效的減碳優化，這也是目前低碳制造中比較復雜的研究領域。

2.3 機電產品碳足跡評估存在的主要問題

結合上文所述，盡管研究人員針對不同機電產品提出了各種碳足跡評估方法，且以上碳足跡評估方法具備其各自優勢，但在具體實踐與工業化應用中仍面臨諸多困難：

（1）碳足跡數據缺失

國內碳足跡核算標準體系和數據庫缺失。近幾年，我國包括機電產品在內的產品在出口歐洲國家時遭遇了綠色碳壁壘，越來越多的企業在建立數據庫，但現階段尚未建立統一的數據庫，沒有推動國際互相認可，缺乏客觀反應我國生產技術水平、具有時間地域代表性的高質量碳足跡排放因子數據。

（2）生命周期數據共享

機電產品碳足跡的有效分析與評估是基于其高質量生命周期數據之上的，而部分核心數據，尤其是企業內部運行與產品研發數據，其使用權限是受到約束的，迫切需要解決機電產品生命周期數據使用、管理及共享問題。

（3）規范及監管平臺

由于機電低碳制造技術體系關系到國家社會的多個層面，如能源行業、居民生活等，其關鍵技術應用效果會進一步影響至各個環節，如新材料應用、資源循環、新能源替代等，在其實施過程中需要得到相關標準及規范指導，以及相關部門的有效推動及監管。

3 總結

節能減排是依據可持續發展戰略而提出的新生產理念。由于資源稀缺和環境立法，生產機電產品的相關企業面臨著愈來愈多的壓力，并且隨著社會的發展，能源與供給需求的矛盾愈發嚴重。因此，碳足跡評估與低碳技術對相關制造企業進行技術升級革新，是不可或缺的一種措施。通過分析上述研究成果，展示了碳足跡評估的研究現狀、技術特征、研究熱點及當前問題，以進一步推動機電產品低碳制造技術的發展與應用。