劉志峰，黃海鴻，李磊，劉赟

1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工業(yè)綠色設(shè)計與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 安徽合肥 230009 2.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 安徽合肥 230009

1 序言

20世紀(jì)以來，隨著經(jīng)濟(jì)和生活水平的快速提高，制造業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)主體，規(guī)模不斷擴(kuò)大。一方面創(chuàng)造了前所未有的巨大財富，推進(jìn)了人類文明的進(jìn)步與發(fā)展，另一方面也帶來了資源耗竭、環(huán)境污染及溫室效應(yīng)等一系列問題，限制了人類生活質(zhì)量的進(jìn)一步提高。據(jù)估計，全球每年向大氣中排放約510億t溫室氣體，其中制造業(yè)占比超過50%[1]，并且呈現(xiàn)逐年增長的趨勢。若不及時采取措施，21世紀(jì)末全球氣溫將上升5℃以上，糧食將減產(chǎn)50%，多達(dá)75%的物種將面臨滅絕[2]。二氧化碳作為溫室氣體最主要的組成部分，減少其排放量被視為解決氣候問題最主要的途徑。

為承擔(dān)解決氣候變化問題中的大國責(zé)任、推動我國生態(tài)文明建設(shè)與高質(zhì)量發(fā)展，我國提出了“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[3]。”為了進(jìn)一步落實(shí)碳達(dá)峰、碳中和的相關(guān)舉措，中央財經(jīng)委員會第九次會議指出：“要實(shí)施重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域減污降碳行動，工業(yè)領(lǐng)域要推進(jìn)綠色制造”。綠色制造已經(jīng)成為制造業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展的重要目標(biāo)和發(fā)展范式。

綠色制造是在保證產(chǎn)品的功能、質(zhì)量、成本的前提下，綜合考慮制造系統(tǒng)的環(huán)境影響和資源效率，最終使產(chǎn)品從設(shè)計、制造、使用到報廢的整個生命周期中不產(chǎn)生環(huán)境污染或環(huán)境污染最小化，對生態(tài)環(huán)境無害或危害極小，資源利用率最高，能源消耗、排放最低[4]。綠色制造的目標(biāo)是充分利用各種新材料、新技術(shù)和新方法，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的節(jié)材、節(jié)能并減少各類不利于生態(tài)環(huán)境的排放，可從資源和能源消耗的源頭解決生命周期二氧化碳排放高的問題。

為此，本文將從碳排放的產(chǎn)生及降低途徑、綠色制造的理論基礎(chǔ)和技術(shù)體系角度，說明綠色制造是碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下制造業(yè)的必然選擇。并在分析國內(nèi)外綠色制造技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)上，提出綠色制造的發(fā)展趨勢，以期加快制造業(yè)節(jié)能減排的進(jìn)程，助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2 “雙碳”目標(biāo)與綠色制造的關(guān)系

2.1 碳排放產(chǎn)生及降低途徑

從制造業(yè)的角度看，碳排放的產(chǎn)生來源于產(chǎn)品生命周期的各個階段，如原材料的獲取、生產(chǎn)過程、運(yùn)輸過程、使用過程及回收處理過程等，而每個階段的碳排放主要是由于能源消耗和材料消耗帶來的，如圖1所示。對能源和材料的產(chǎn)生過程進(jìn)行溯源，碳排放的產(chǎn)生大部分來源于電力生產(chǎn)和原材料的獲取，如通過煤、石油等發(fā)電、冶金及石化等。

圖1 產(chǎn)品生命周期碳排放的產(chǎn)生

要想降低碳排放，需要分別從供給側(cè)和需求側(cè)兩方面進(jìn)行考慮。從供給側(cè)看，發(fā)展非化石能源和減少化石能源的使用是降低碳排放的必要手段。因此，應(yīng)該大力發(fā)展風(fēng)能、太陽能、潮汐能、生物能、地?zé)崮芗昂四艿刃履茉醇夹g(shù)，著力突破新能源發(fā)展技術(shù)瓶頸，增強(qiáng)綠色可再生能源的市場競爭力，促進(jìn)綠色可再生能源供給機(jī)制創(chuàng)新，為新能源的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造條件[5]。從需求側(cè)來看，碳排放的降低應(yīng)貫穿于產(chǎn)品生命周期全過程，涉及到設(shè)計、制造、包裝、運(yùn)輸、使用和回收處理多個階段。同時也應(yīng)加強(qiáng)對碳匯的投入，通過植樹造林、植被恢復(fù)等措施，吸收大氣中的二氧化碳，從而減少溫室氣體的排放，如圖2所示。

圖2 實(shí)現(xiàn)碳減排的主要措施

2.2 綠色制造的理論基礎(chǔ)與技術(shù)體系

綠色制造以工業(yè)生態(tài)學(xué)、可持續(xù)制造、循環(huán)經(jīng)濟(jì)和清潔生產(chǎn)等為理論基礎(chǔ)，利用產(chǎn)品全生命周期中各階段的綠色技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源利用率最高、能源消耗與排放最低。從綠色制造的技術(shù)體系來看，可以將綠色制造分為綠色設(shè)計、綠色生產(chǎn)、綠色物流、綠色運(yùn)行和回收處理五大部分。其中，綠色設(shè)計包含了高能效設(shè)計、輕量化設(shè)計、可回收性設(shè)計等；綠色生產(chǎn)包含了綠色產(chǎn)品技術(shù)、綠色工藝技術(shù)、車間節(jié)能調(diào)度等；綠色運(yùn)維包含了產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)的在線檢測、主動再制造服務(wù)等；再利用涉及到產(chǎn)品逆向物流、梯次利用及再資源化等，如圖3所示。

圖3 綠色制造的體系架構(gòu)

由此可知，綠色制造關(guān)鍵技術(shù)圍繞供給側(cè)和需求側(cè)的減排，通過提高生產(chǎn)效率、最大限度地利用資源和減少廢棄物，有效配置資源、合理利用資源，使經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源利用與環(huán)境保持相互協(xié)調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的低碳制造。可見，實(shí)現(xiàn)綠色制造與雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)在目標(biāo)上是一致的，可以為其提供關(guān)鍵的技術(shù)支持，是碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下制造業(yè)的必然選擇。

3 國內(nèi)外綠色制造技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

3.1 國外綠色制造技術(shù)的進(jìn)展

國外發(fā)達(dá)國家或地區(qū)的工業(yè)化進(jìn)程相對較早，其資源、能源和環(huán)境問題也較早地凸顯。為了解決這些問題，率先提出了綠色制造的理念，并從政策支持、技術(shù)規(guī)范及企業(yè)應(yīng)用等方面不斷推進(jìn)和完善。

在國家層面，美國在20世紀(jì)80年代開始推進(jìn)綠色制造，最早將推進(jìn)綠色制造和低碳經(jīng)濟(jì)寫入法律文本。并于2007年，《低碳經(jīng)濟(jì)法案》設(shè)計了減少溫室氣體排放的戰(zhàn)略目標(biāo)[6]。2005年，歐洲EuP指令對耗能產(chǎn)品提出了能效標(biāo)準(zhǔn)框架性政策，通過強(qiáng)化生態(tài)設(shè)計改善產(chǎn)品的性能，提高能源利用效率，大幅度地減少對環(huán)境的負(fù)面影響[7]。2007年，日本《綠色經(jīng)濟(jì)與社會變革》提出了構(gòu)建低碳社會、實(shí)現(xiàn)與自然和諧共生的社會等中長期方針，強(qiáng)調(diào)了發(fā)展綠色社會資本、綠色消費(fèi)、綠色投資及綠色技術(shù)創(chuàng)新等多方面的重要意義[8,9]。

在企業(yè)層面，綠色制造理念進(jìn)行了廣泛普及和實(shí)施，綠色制造的生態(tài)環(huán)境已基本形成，通過系統(tǒng)化的綠色制造技術(shù)革新與升級，努力實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減排的關(guān)鍵目標(biāo)。如“歐洲綠色之都”拉赫蒂利用創(chuàng)新技術(shù)為整個垃圾處理價值鏈提供支持，實(shí)現(xiàn)50%的垃圾被循環(huán)利用，46%的垃圾則轉(zhuǎn)化為能源[10]。歐萊雅集團(tuán)在亞太地區(qū)建成“零碳工廠”，以生物質(zhì)氣體為原料制備綠色蒸汽及生物電，促進(jìn)廠內(nèi)“多能互補(bǔ)”，滿足每年約18000t的全部蒸汽用量[11]。歐洲空中客車公司將激光焊接技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身，機(jī)翼的內(nèi)隔板與加強(qiáng)筋的連接取代了原有的鉚接工藝，使得機(jī)身重量減輕18%，成本下降21.4%～24.3%[12]。

不僅如此，企業(yè)通過技術(shù)進(jìn)步和革新，形成了系列化標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，如國際和區(qū)域性的環(huán)保公約、ISO14040環(huán)境管理體系和環(huán)境標(biāo)志等自愿性措施，對我國的產(chǎn)品出口形成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

3.2 我國綠色制造技術(shù)的進(jìn)展

隨著我國環(huán)境、資源、能源問題日益凸出，國際競爭環(huán)境的不斷改變，為了改善環(huán)境質(zhì)量，防止環(huán)境污染進(jìn)一步加劇，我國從20世紀(jì)90年代初期開始關(guān)注綠色制造及其相關(guān)技術(shù)。通過加強(qiáng)規(guī)劃引導(dǎo)、完善扶持政策，將綠色經(jīng)濟(jì)、低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念和相關(guān)發(fā)展目標(biāo)納入各個“五年”規(guī)劃和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中，制訂了相關(guān)的法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來約束產(chǎn)品的制造過程及其相關(guān)活動。同時，在企業(yè)層面，主要從企業(yè)發(fā)展規(guī)劃、綠色管理和服務(wù)、落實(shí)清潔生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)等方面不斷實(shí)踐與推廣綠色制造技術(shù)。在國家政策引導(dǎo)下，國家相關(guān)部門對綠色制造的研究與應(yīng)用也給予了大力支持。

經(jīng)過近30余年的發(fā)展，我國突破了面向關(guān)鍵行業(yè)和領(lǐng)域的系列綠色制造關(guān)鍵技術(shù)，如面向全生命周期的家電產(chǎn)品綠色設(shè)計與制造關(guān)鍵技術(shù)、增材制造綠色工藝[13]、高端裝備再制造檢測與修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)[14]以及復(fù)合材料的再資源化技術(shù)與裝備[15]等，使得我國綠色制造水平明顯提升，綠色制造體系初步建立。與 2015 年相比，政府、企業(yè)等的綠色發(fā)展理念顯著增強(qiáng)，傳統(tǒng)制造業(yè)物耗、能耗、水耗、污染物和碳排放強(qiáng)度顯著下降，節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。綠色制造能力穩(wěn)步提高，一大批綠色制造關(guān)鍵共性技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，初步建成較為完善的綠色制造相關(guān)評價標(biāo)準(zhǔn)體系和認(rèn)證機(jī)制，綠色制造市場化推進(jìn)機(jī)制基本形成[16]。

但是與國外相比，我國的工業(yè)綠色化和綠色制造依然存在不足之處，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1）粗放生產(chǎn)方式依然存在，制造業(yè)及其產(chǎn)品能耗占全國能耗比重居高不下。

2）資源利用效率與國際先進(jìn)水平尚存在差距，單位產(chǎn)品能耗高出國際先進(jìn)水平20%以上。

3）重點(diǎn)工業(yè)產(chǎn)品綠色設(shè)計能力較弱，自主品牌占比明顯偏低，部分關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備遭遇“卡脖子”問題嚴(yán)重。

4）制造工藝與裝備水平不高，污染較嚴(yán)重，工業(yè)報廢品再利用率低，資源化利用二次污染仍然較為嚴(yán)重。

5）法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系不完善[17]。

4 綠色制造技術(shù)的發(fā)展趨勢

“雙碳”目標(biāo)的達(dá)成離不開綠色制造關(guān)鍵技術(shù)的支撐，而綠色制造技術(shù)的發(fā)展離不開自動化、檢測與傳感、大數(shù)據(jù)及物聯(lián)網(wǎng)等眾多領(lǐng)域的支持，特別是在制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級及智能制造快速發(fā)展的背景下，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)/云制造技術(shù)、人工智能/機(jī)器人技術(shù)及3D打印技術(shù)等一大批新理論、新方法、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，大大加速了與制造業(yè)的融合發(fā)展，為綠色制造技術(shù)的發(fā)展提供了許多新的契機(jī)。

在這樣的背景下，我國制造業(yè)的綠色發(fā)展需進(jìn)一步拓展與完善綠色制造技術(shù)體系，與多學(xué)科和多技術(shù)進(jìn)行深度融合，其主要發(fā)展趨勢包括以下幾方面。

1）加強(qiáng)綠色設(shè)計理論與方法的研究。針對重點(diǎn)行業(yè)，開發(fā)綠色設(shè)計工具軟件，從源頭助力綠色制造的應(yīng)用與發(fā)展。

2）突破綠色工藝與裝備。開發(fā)推廣具備能源高效利用、污染減量化、廢棄物資源化利用和無害化處理等功能的綠色工藝技術(shù)和裝備，突破清潔生產(chǎn)、再制造與再資源化的關(guān)鍵核心技術(shù)。

3）構(gòu)建綠色制造服務(wù)平臺。完善重點(diǎn)行業(yè)綠色制造與服務(wù)平臺和標(biāo)準(zhǔn)體系，開發(fā)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫公共服務(wù)平臺對接的軟件系統(tǒng)，為綠色認(rèn)證和評價提供數(shù)據(jù)支持。

4）探索智能綠色制造技術(shù)。推動互聯(lián)網(wǎng)與綠色制造融合發(fā)展，提升能源、資源及環(huán)境智慧化管理水平，探索數(shù)據(jù)、知識及智能學(xué)習(xí)方法驅(qū)動下的綠色制造技術(shù)。

5 結(jié)束語

綠色制造是一種理念，它要求我們在思考問題、策劃方案、設(shè)計產(chǎn)品與工藝等活動中必須具有全生命周期思維；綠色制造更是一種實(shí)踐，它要求我們要將綠色理念與具體應(yīng)用場景相結(jié)合，進(jìn)行綠色設(shè)計、開發(fā)綠色制造工藝與設(shè)備、高效環(huán)?；厥绽脧U舊產(chǎn)品和養(yǎng)成綠色消費(fèi)習(xí)慣。同時，綠色制造理論與實(shí)踐相結(jié)合，能夠不斷把綠色制造的實(shí)施成效推向深入，既可為我國制造業(yè)高質(zhì)量綠色發(fā)展貢獻(xiàn)力量，也能為全球碳排放的減少提供支持。綠色制造任重道遠(yuǎn)，前途光明。