汽车涂装车间全生命周期碳排放是多少？

01

根据ISO 14040，目标与范围的定义必须作为标准LCA研究的第一步。在ISO 14044中它被定义为：LCA的目标和范围应明确界定，并应与预期的应用相一致。由于LCA是一个迭代过程，在研究期间需要不断完善范围的界定。目标是由进行LCA研究的组织进行定义的，通常向公众提供对应用范围、利益实现、目标群体等方面的解释。在范围定义中描述了产品系统、功能单元和系统边界。功能单元定义了产品已识别功能（性能特征）的量化，而系统边界定义了要包含在系统中的单元过程，它们的定义都是为了简化不同复杂流程或服务之间的比较。ISO建议的取舍规则（cut off规则）适用于整个产品系统以及和质量、能源、环境相关的单个单元过程。它是以环境影响的大小决定该单元过程是否可以忽略，通常规定小于1%时可以忽略，但总共忽略的部分不应超过5%。

根据ISO 14040，生命周期清单分析被定义为：生命周期评估中涉及产品整个生命周期的投入和产出的汇总和量化的阶段。作为基于简化（线性）系统的物质和能量分析，生命周期清单考虑了与产品相关的所有环境输入和输出，包括原料和能量的输入，以及污染物和所有废物流的排放。在定义单元过程之后，必须对过程进行量化，而后包含所有原始数据和中间结果的表格将会呈现清单分析的结果。这里需要重点说明的是，目标和范围定义中包含的所有功能单元、系统边界等都不能缺失。最后，确定生命周期清单的结果，然后用于接下来的生命周期影响评估。

根据ISO 14040，生命周期影响评估被定义为：生命周期评估中旨在了解和评估产品系统在产品的整个生命周期中潜在环境影响的程度和重要性的阶段。一般来说，生命周期影响评估的流程包括将清单数据与特定环境影响类别及类别指标相关联，以量化这些影响。此外，生命周期解释说明阶段所需的信息也可以由生命周期影响评估阶段提供。值得注意的是，影响评估中可能会包含迭代过程，以确认LCA研究的目标是否已实现，或者在评估显示无法实现时修改目标和范围。生命周期影响评估可以通过将产品生命周期中大量具有不同环境相关性的资源提取和物质排放转化为有限数量的环境影响评分，以便于接下来的生命周期解释说明阶段。这可以通过表征因子来实现，包括中点（问题导向）指标和终点（损害导向）指标。本文应用ReCiPe2016影响评估法，将生命周期清单数据转化为统一的表征因子,此方法总共包含18个中点指标和3个终点指标。

影响类别和表征因子的选择取决于研究的焦点。由于本文主要聚焦于追踪涂装车间生产过程中主要能源使用产生的碳足迹，故中点影响类别仅选择了气候变化（climate change）一项，目的是研究涂装车间生产过程中不同能源类型以及不同过程工艺间碳排放产生的环境影响的对比。

气候变化（也称全球变暖，global warming）这一影响类别的主要影响途径为：温室气体（greenhouse gas,GHG）排放将增加大气中温室气体的浓度，进而增强辐射强迫能力，导致全球平均温度升高，最终会对人类健康以及陆地和淡水生态系统造成损害。由于在大多数LCA研究中，CO₂是导致全球变暖最重要的温室气体，因此通常用全球变暖潜能值（global warming potential,GWP）计算其他温室气体（如甲烷、一氧化二氮、六氟化硫、氯氟烃等）排放影响的相对值。GWP表示与释放1 kg其他温室气体产生相同影响的CO₂质量，其单位为千克二氧化碳当量（kg CO₂-eq.）。然而，由于各种温室气体产生影响的寿命不同，因此需要一个时间范围来计算有效期，这个范围通常选择100年（表示为GWP₁₀₀)，一些主要温室气体的GWP₁₀₀如表1所列。

表1 主要温室气体的全球变暖潜能值

（GWP₁₀₀)

作为生命周期评估的最后一个阶段，解释说明总结了从清单分析和影响评估中得出的结果，并根据研究目标提出建议。换句话说，它展示了进行这项研究的原因。根据ISO 14040，其被定义为：生命周期评估的解释说明阶段将清单分析和影响评估的结果一并考虑，该阶段应提供与既定目标和范围一致的结果，并得出结论，解释局限性和提供建议。同时，根据ISO 14044，解释说明阶段应包含以下步骤：1）根据生命周期清单分析和影响评估阶段的结果识别出重要的问题；2）完整性、敏感性和一致性检查的评估；3）结论、局限性和建议。

评估这些结果的另一种方法是敏感性分析，其可评价由于数据质量、取舍规则和影响类别的选择等引起的LCA结果的不确定性。此外，在解释说明阶段可能需要迭代过程来检查LCA研究的目标和范围是否得到满足。

02

文中生命周期评估研究的目标是，通过分别追踪某涂装车间生产过程中两大主要能源———电和天然气的使用，以及涂装生产各主要过程和单元（前处理电泳、密封胶、面漆、注蜡、公用动力）的电和天然气的使用，在涂装车身全生命周期生产过程中产生的碳足迹，并分别进行对比，定量化评估该涂装车间的主要能源使用对环境产生的影响。此外在生命周期解释说明阶段的敏感性分析中还会对比评估该涂装车间整体生产过程中使用不同电力来源造成的环境影响的差异。

文中涂装车间生产过程被分解成一系列连续的需要能源输入的单一过程，其流程如图2所示。图中所示的LCA边界内的所有对象，包括每个单一过程中主要能源（电和天然气）的消耗以及CO₂的产生和排放都被纳入本LCA研究的范围。由于本文仅研究涂装车间生产过程中主要能源的使用产生的碳足迹对环境产生的影响，故生产过程中的物质输入与输出（原辅料的使用及其产生的废弃物的排放和处理）不纳入研究范围之列。另外根据取舍规则，主要能源之外的次要能源消耗（如蒸气、热能、压缩空气等）及其产生的碳排放，由于相对主要能源来说对环境影响较小，可忽略不计，故不纳入本LCA研究的范围。

图2 涂装车间生产过程LCA范围及边界

由于目前还没有可供涂装生产过程直接利用的LCA研究数据，并且本文的重点在于涂装车身生产制造过程的LCA研究，属于整个产业链中的其中一个增值过程，因此本文选择了从门到门（gate-to-gate）的研究方法。离开LCA系统边界的最终产品是涂装车身，这里选择了一辆涂装车身作为功能单元。

为了将LCA研究归一化并作为标准基础，在生命周期清单分析中将一辆涂装车身作为功能单元。在可持续发展研究中，CO₂碳的排放通常涵盖两部分，即在企业直接控制的范围内产生的直接排放，如燃气消耗，以及企业外购能源产生的间接排放，如电力消耗。清单分析中所有能耗数据来自实际生产过程中的统计，而CO₂排放则是基于中国产品全生命周期温室气体排放系数库提供的2020年中国电网平均碳排放因子（0.581 kg CO₂-eq./kW·h）、天然气碳排放因子（2.16 kg CO₂-eq./Nm3）和太阳能发电碳排放因子（0.09 kg CO₂-eq./kW·h），并结合能源消耗情况计算得来。单台涂装车身在涂装车间全生命周期制造过程中主要能源消耗及CO₂排放，单台涂装车身在涂装生产各主要过程（前处理电泳、密封胶、面漆、注蜡、公用动力）的能源消耗及CO₂排放，以及单台涂装车身在涂装车间全生命周期制造过程中使用来自电网供电和光伏发电所产生的CO₂排放见表2～4。

表2 单台涂装车身全生命周期

制造过程中能源消耗及CO₂排放

表3 单台涂装车身在涂装

生产过程中能源消耗及CO₂碳排放

表4 单台涂装车身全生命周期

制造过程中使用不同电力来源所产生的CO₂排放

根据ReCiPe方法，使用中点指标和终点指标来评估涂装车间生产过程中对环境产生的影响，这里使用“Hierarchist”(H）模型进行影响评估。中点指标的选择是基于对受LCA研究范围内的过程影响最显著的环境类别的评估，由于文中LCA研究的目标是基于涂装车间生产过程中的主要能源消耗及其产生的CO₂碳排放追踪其碳足迹，进而评估其对环境产生的影响，所以这里选择的中点指标为气候变化，使用全球变暖潜能值（GWP₁₀₀）来定量化表征其对人类健康和生态环境的损害，这也是LCA研究选择的终点指标。根据表1,1 kg CO₂气体的GWP₁₀₀值为1 kg CO₂-eq.，进而我们可以分别得出单台涂装车身在涂装车间全生命周期制造过程中主要能源消耗产生的环境影响（见表5），单台涂装车身在涂装生产各主要过程能源消耗产生的环境影响（见表6），以及单台涂装车身在涂装车间全生命周期制造过程中使用来自电网供电和光伏发电所产生的环境影响（见表7）。

表5 单台涂装车身全生命周期

制造过程中能源消耗的GWP₁₀₀值

表6 单台涂装车身在涂装

生产过程中能源消耗的GWP₁₀₀值

表7 单台涂装车身制造过程中

使用不同电力来源的GWP₁₀₀值

根据ISO 14040定义的规则对2.2和2.3章节中的数据进行分析，并对影响评估的结果进行解释，其目的是核实清单分析和影响评估的可靠性。此外还进行了敏感性分析，将涂装生产过程中使用来自电网供电和光伏发电所产生的环境影响进行了比较。

03

目前，以碳达峰和碳中和为核心的双碳目标已经得到了全球范围一致的认可，同时其也已上升至国家战略层面。在目前整车制造业全行业聚焦电动化、智能化、网联化转型的同时，绿色低碳生产车间的建设也同样重要。随着生命周期评估法的广泛应用，更高效、更环保、更经济的生产模式和制造工艺将会被不断发掘与应用，这在技术、经济和社会方面都是有益的。在LCA理论的指导下，可以为涂装车间乃至整个汽车制造业针对性的实施节能减排提供指导方向，为全行业的绿色低碳发展提供先进的思想和科学的方法。