趙宏飛，馬秀娟，馬添翼，柳雙翠，林小杰，徐家豪，黃 曦

（1. 浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，杭州 310027；2. 浙江華電器材檢測研究院有限公司，杭州 310015；3. 長春市地震速測速報中心，長春 130012；4. 東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000）

0 引言

目前，中國溫室氣體總排放量已經(jīng)超越美國，成為世界第一，其中23%的排放量源于先進產(chǎn)品制造［1］。以浙江省為例，2019 年浙江省工業(yè)部門CO2排放總量為3.29 億t，約占全省碳排放總量的61%［2］。降低工業(yè)碳排放是實現(xiàn)“雙碳”目標的關(guān)鍵［3-8］，謝寶江等［9］在工商業(yè)園區(qū)模型中考慮了能質(zhì)系數(shù)，以降低碳排放并提高能源的梯級利用；翁格平等［10］在綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟調(diào)度模型中引入了時變電碳因子，以降低系統(tǒng)的碳排放水平。為了定量評價碳排放影響，輔助制定科學(xué)合理的碳減排計劃，碳足跡分析方法與碳手印分析方法被相繼提出［11-12］。目前應(yīng)用范圍較廣的評價手段為碳足跡分析方法，其中碳足跡是指某一產(chǎn)品或服務(wù)系統(tǒng)在其全生命周期內(nèi)的碳排放總量，或活動主體（包括個人、組織、部門等）在某一活動過程中直接和間接的碳排放總量［13］。

計算碳足跡是評價產(chǎn)品或活動環(huán)境影響的重要途徑，碳足跡的計算結(jié)果為產(chǎn)品全生命周期各種溫室氣體排放量的加權(quán)和，以CO2e（二氧化碳當(dāng)量）表示，單位為tCO2e/t［14］。目前碳足跡的核算主要有3種方法：投入產(chǎn)出分析、生命周期評價以及混合生命周期評價［15-16］。其中，投入產(chǎn)出分析法是自上而下計算碳足跡的一種方法，以整個經(jīng)濟系統(tǒng)為邊界，具有綜合性和魯棒性，且核算碳足跡所需的人力、物力資源較少，適用于宏觀系統(tǒng)的分析［9］；生命周期評價是自下而上計算碳足跡的一種方法，分析結(jié)果具有針對性，適合于微觀系統(tǒng)的碳足跡核算［15］；混合生命周期評價則將投入產(chǎn)出分析和生命周期評價整合在同一框架內(nèi)，既能減少人力、物力投入，也能保留針對性［17］。國內(nèi)也有諸多學(xué)者開展了碳足跡核算相關(guān)研究，如沈衛(wèi)國等［18］用生命周期評價方法對水泥生命周期的碳排放量進行了定量計算；馮志亮［19］采用建立了廢舊輪胎全生命周期的碳足跡模型；胡博等［20］結(jié)合園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的供能特點，提出了全過程碳足跡的概念，以實現(xiàn)園區(qū)深度減排。

當(dāng)前碳足跡研究集中于對產(chǎn)品生產(chǎn)流程中碳排放量進行核算，理論研究較為完善，但碳足跡對于產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展指導(dǎo)意義不足，在實際應(yīng)用中存在一定局限性。此外，基于全生命周期評價的產(chǎn)品碳足跡核算方法在碳排放責(zé)任的上下游分攤上存在爭議。針對這一問題，部分學(xué)者開始關(guān)注減排項目在產(chǎn)品上下游分別產(chǎn)生的影響。碳手印的概念在2007 年由聯(lián)合國教科文組織首次提出，并由Gronman 等［12］進行了完善，表示為某種方案相較于基準方案所減少的碳足跡。碳手印將對碳排放量的關(guān)注點從降低產(chǎn)品和活動的負面影響轉(zhuǎn)向了提高其積極影響，能夠驅(qū)動碳評價的實際應(yīng)用，并且將產(chǎn)品本身的變化給下游帶來的環(huán)境影響變化量納入評價范圍，明確了減排項目環(huán)境影響的分攤機制，可以用于宣傳對環(huán)境的積極影響，提升企業(yè)在市場上的競爭力。Beckmann等［21］提出將減少自己的碳排放量（例如在生產(chǎn)階段）作為產(chǎn)生碳手印的一種方法，可以認為這與減少自己的足跡重疊；Kasurinen 等［22］評估了應(yīng)用一種新型液冷基站技術(shù)到傳統(tǒng)風(fēng)冷基站所帶來的碳手?。籐akanen 等［23］研究發(fā)現(xiàn)城市的碳手印可根據(jù)所有權(quán)、運營環(huán)境和項目3個主要機制確定，并為城市低碳化提供了有效方案。

1 研究方法

本文以某企業(yè)工業(yè)過程中制造的水輪發(fā)電機配套水發(fā)定子線圈為研究對象，采用了碳足跡方法與碳手印方法進行碳排放影響分析，進行了邊界劃分、碳足跡核算、碳手印核算及分析。針對《溫室氣體核算體系》中范圍3企業(yè)自主決定納入的排放活動，提出了核算邊界外的3 種降碳改造方案，得出了3種方案所產(chǎn)生的效率增量、壽命增量及碳手印，從而對該企業(yè)的降碳改造提供了有效指導(dǎo)。

1.1 碳足跡方法

目前，企業(yè)通常采用系數(shù)法進行碳排放核查，其中的典型代表是溫室氣體核算體系和ISO 14000系列。本文采用核算因子法（系數(shù)法），首先確定企業(yè)應(yīng)納入碳盤查的活動，其次根據(jù)活動數(shù)據(jù)和參考文獻，選擇最合適的排放因子，由此計算出全生命周期的排放總量。在摸底過程中，溫室氣體核算體系GHG Protocol 將排放分為3 個范圍，并指導(dǎo)企業(yè)按范圍1、范圍2 和范圍3 梳理企業(yè)相關(guān)活動，評估企業(yè)在各范圍活動內(nèi)的排放量。

范圍1溫室氣體直接排放，指企業(yè)燃燒燃料直接產(chǎn)生的溫室氣體排放；范圍2 溫室氣體間接排放，指由其他企業(yè)生產(chǎn)并由核算企業(yè)購入的電力、熱力和制冷所產(chǎn)生的溫室氣體排放；范圍3其他間接排放，指除范圍1、范圍2，由企業(yè)運作造成的間接排放，包括上下游排放，具體見表1。

表1 碳基線盤查范圍清單Table 1 List of carbon baseline inventory scope

具體而言，范圍1指燃燒化石燃料直接產(chǎn)生的排放，自有車輛施工、裝卸、投料的排放和化工生產(chǎn)的主要排放，新建碳匯作為負因素統(tǒng)計在內(nèi)。范圍2指企業(yè)外購電力、熱力以及制冷所產(chǎn)生的溫室氣體排放，制冷暫時未考慮。范圍3是與企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營有關(guān)的其他排放，其邊界較模糊，涉及產(chǎn)業(yè)鏈上下游、外購商品和服務(wù)、員工通勤等。下游的運輸?shù)仁菍儆谙乱黄髽I(yè)的，生活碳排放因難以統(tǒng)計暫不計入。范圍1和范圍2是企業(yè)實現(xiàn)碳中和的必選項，范圍3的排放通常是可選的，企業(yè)可根據(jù)自身情況綜合考慮范圍3內(nèi)容，社會責(zé)任感強的企業(yè)也會將范圍3考慮其中。進行企業(yè)碳足跡盤查能夠明確產(chǎn)品生命周期的溫室氣體排放情況，幫助企業(yè)識別能耗高、碳排放量大的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并針對減排潛力高的環(huán)節(jié)采取改進措施，實現(xiàn)節(jié)能降碳。

碳足跡的核算流程如圖1 所示，其主要步驟為：確定核算邊界；識別排放源n；確定數(shù)據(jù)需求-活動水平數(shù)據(jù)和排放因子；計算出排放源n的排放；報告主體碳排放的匯總。

圖1 碳足跡核算流程Fig.1 Flowchart of carbon footprint calculation

碳足跡計算方法如式（1）所示。

式中：EGHG為產(chǎn)品的總排放量；Efuel為生產(chǎn)過程燃料燃燒的排放量；Eele為運輸過程的交通碳排放量；Epro為生產(chǎn)工藝流程中的排放量；Etran為交通運輸過程的排放量；Edis為廢棄物處理過程的排放量；R為CO2回收量。

凈購入使用電力產(chǎn)生的二氧化碳排放量如式（2）所示。

運輸過程碳排放量如式（3）所示。

式中：AD為購入電力；δe為區(qū)域電網(wǎng)電力排放因子；M為物料運輸毛重；L為物料運輸距離；δtran為運輸類型對應(yīng)的單位重量距離碳排放因子。

1.2 碳手印方法

碳手印核算流程如圖2所示：定義客戶和碳手印產(chǎn)生源；定義基線，一方面，新生產(chǎn)方案的碳足跡與原方案的碳足跡進行比較，另一方面，客戶對產(chǎn)品的使用也需要與其他產(chǎn)品進行比較，還是因為客戶有很多種產(chǎn)品可以選擇，所以不能制定單一的產(chǎn)品進行比較，選擇工業(yè)級市售產(chǎn)品的平均消耗和性能，以統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基準；定義功能單元；定義系統(tǒng)邊界，采用全生命周期方法進行計算；結(jié)果統(tǒng)計。

圖2 碳手印核算流程Fig.2 Flowchart of carbon handprint calculation

通過計算降碳改造后內(nèi)部的碳足跡相對基線場景的差值，以及產(chǎn)品不同下游使用方產(chǎn)品使用過程碳足跡與基線場景的差值，統(tǒng)計得出工業(yè)過程產(chǎn)品碳手印和下游使用過程碳手印。

碳手印的計算方法如式（4）、式（5）所示。

式中：E′GHG為企業(yè)改進生產(chǎn)方案后的碳足跡；EGHG外部使用產(chǎn)品的客戶產(chǎn)生的碳手印；W為工業(yè)園區(qū)中第i類客戶的年產(chǎn)量；δ0為原方案產(chǎn)品排放系數(shù)；δ1為改進方案產(chǎn)品排放系數(shù)；εi為第i類產(chǎn)品使用過程占比。

碳足跡方法和碳手印方法為企業(yè)在提供產(chǎn)品優(yōu)化方案或服務(wù)解決方案時，量化下游碳排放變化量提供了一種可行方案。碳足跡關(guān)注活動如何增加溫室氣體排放，而碳手印關(guān)注如何通過積極行動來減少或避免這些排放，兩者都是評估和應(yīng)對氣候變化的重要工具。表2為兩種方法的對比。

表2 碳足跡與碳手印對比Table1 Comparison of footprint and handprint

工業(yè)產(chǎn)品對于電力系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在電力系統(tǒng)排放因子上，電力系統(tǒng)上游產(chǎn)品通過改變電力系統(tǒng)的碳排放特性可以產(chǎn)生碳手印?，F(xiàn)行電力系統(tǒng)排放因子的計算過程中，主要考慮OM（電量邊際排放因子）和BM（容量邊際排放因子），通過對OM 和BM 賦予權(quán)重得到并網(wǎng)發(fā)電的組合邊際排放因子。其中，OM 方法適用于計算溫室氣體排放量，而BM 方法適用于計算溫室氣體減排量。

式中：EFi為第i個電廠的單位電量排放因子；GENi為第i個電廠的凈發(fā)電量；EFnet，in為凈調(diào)入電量的單位電量排放因子；GENnet，in為凈調(diào)入電量；EFnet，out為凈調(diào)出電量的單位電量排放因子；GENnet，out為凈調(diào)出電量；n為本地電廠的數(shù)量。EFj為第j個新增機組樣本的供電排放因子；GENj為第j個新增機組樣本的供電量；m為新增機組樣本的數(shù)量。

2 案例介紹

本文研究對象為某企業(yè)的線圈生產(chǎn)工業(yè)過程。線圈生產(chǎn)流程如圖3所示，包括下料、墊包、直線膠化、固化、封焊、包扎、VPI、成型、防暈烘焙及試驗等10個步驟。

圖3 線圈生產(chǎn)流程及各節(jié)點碳足跡Fig.3 Coil production process and the carbon footprint at each node

廠內(nèi)生產(chǎn)過程中物料碳足跡核算清單如表3所示，其中各材料的排放因子數(shù)據(jù)主要基于《ISO 14067：2018 Greenhouse gases—Carbon footprint of products—Requirements and guidelines for quantification》的基本原則和方法，來源包括：文獻［24］、CPCD（中國產(chǎn)品全生命周期溫室氣體排放系數(shù)庫）［27］以及瑞士Ecoinvent數(shù)據(jù)庫［28］。

表3 廠內(nèi)生產(chǎn)過程物料碳足跡核算清單Table 3 List of carbon footprint accounting for materials in the in-plant production process

計算結(jié)果可知，線圈產(chǎn)品碳足跡為663.2 kg CO2-eq/支，其中物料碳排放204.0 kgCO2-eq/支，能源碳排放459.2 kgCO2-eq/支。

研究邊界為分廠進出口，物料運輸排放較低，下游廢棄物處理環(huán)節(jié)計入園區(qū)總碳排放。線圈的制造過程中碳排放較高，存在較大的減排需求，需要進行降碳改造。根據(jù)產(chǎn)品特點，線圈是發(fā)電機制造的核心部件之一，線圈的材料和結(jié)構(gòu)都會對磁場的導(dǎo)磁性和損耗產(chǎn)生影響，制造工藝會影響發(fā)電機的整體使用壽命，因此可以通過線圈制造過程改進方案的設(shè)計，降低下游發(fā)電行業(yè)的全生命周期碳排放。

發(fā)電機作為電力系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，在電力生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用。考慮全生命周期的環(huán)境影響，水發(fā)定子線圈產(chǎn)品輸入給下游，線圈工業(yè)生產(chǎn)過程通過改進生產(chǎn)方案能夠?qū)崿F(xiàn)水輪發(fā)電機組的增效擴容，從而改變下游的發(fā)電行業(yè)容量邊際因子，產(chǎn)生線圈廠外部的產(chǎn)品碳手印。

因此，考慮效率和壽命的變化，水輪發(fā)電機下游使用過程碳手印CF按式（8）計算。

式中：L為水輪發(fā)電機組壽命；ΔL為壽命增量；η為發(fā)電機效率；Δη為效率增量；δE為西南某區(qū)域電網(wǎng)碳排因子；δP為水輪發(fā)電機運行維護因子；E為年度發(fā)電量。

3 結(jié)果與討論

3.1 廠內(nèi)降碳改造碳手印

通過優(yōu)化廠內(nèi)能源供給及調(diào)控帶來的碳手印如表4所示。廠內(nèi)改造方案如下。

表4 調(diào)控產(chǎn)生的碳手印Table 4 Carbon footprint generated from scheduling

方案一：光伏發(fā)電。光伏額定容量40 kWp，固定支架傾角17°，屋頂面積400 m2，單晶硅光伏組件90 塊，接入系統(tǒng)的電壓等級為400 V，網(wǎng)點設(shè)置總配電箱接入，就地消納平衡。

方案二：冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，建設(shè)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)補充車間的冷熱負荷及烘爐熱負荷。內(nèi)燃機額定容量200 kW，發(fā)電采用專線并入線圈變電站400 V母線，與系統(tǒng)并網(wǎng)，采用“一拖一”方式配置1臺制冷容量160 kW、制熱容量170 kW煙氣熱水型溴機，通過能源梯級利用實現(xiàn)節(jié)能降碳。

方案三：建設(shè)綜合能源管理平臺。實現(xiàn)廠區(qū)內(nèi)一級計量儀表100%數(shù)據(jù)自動采集，實現(xiàn)其它各類水電氣計量儀表98%以上自動采集，企業(yè)重點能耗設(shè)備100%數(shù)據(jù)自動采集、統(tǒng)計、分析，通過智能調(diào)度控制實現(xiàn)優(yōu)化控制、削峰填谷。

方案四：空壓站改建，進行設(shè)備升級并對部分機組進行余熱利用滿足生活熱負荷?？諌赫靖慕üこ虒F(xiàn)有2 臺水冷螺桿機（5 號、6 號）拆除，更換為額定功率315 kW、額定壓力0.8 MPa、排氣量約61 m3/min 的空冷螺桿機2 臺，其中1 臺為變頻機，并對2臺機的余熱進行利用，置換2臺熱水循環(huán)泵。

經(jīng)案例企業(yè)核算，各項改造方案投資回收期最長10年，最短3年，在企業(yè)的科學(xué)經(jīng)營范圍內(nèi)。廠內(nèi)的降碳改造通過優(yōu)化調(diào)度、可再生能源利用、能源設(shè)備改擴建，減少了電力及化石能源的使用。其中，綜合能源管理平臺效果最為顯著，共產(chǎn)生2 522.7 tCO2-eq碳手印。

3.2 廠外降碳改造碳手印

案例產(chǎn)品針對下游使用過程，設(shè)計降碳改造方案如下。

方案一：優(yōu)化制造工藝，線圈采用內(nèi)屏蔽、槽內(nèi)布置側(cè)面放置半導(dǎo)體材料、SVPI（單只線棒真空壓力浸漬）及模壓成型、端部整體灌膠。

方案二：增大截面，增加定子線圈銅截面積，平均電流密度降低，銅耗降低。

方案三：替換絕緣材料，B 級絕緣材料替換為桐馬環(huán)氧粉云母帶，其耐熱等級為F 級而且工藝性好、電氣機械性能良好，耐熱性能提升，厚度降低，絕緣性能由B級上升為F級。

3種方案產(chǎn)生的效率增量、壽命增量及碳手印如圖4 所示。其中，改造方案三實現(xiàn)效率提升3%，高于方案二（0.019%）和方案一（0.009%），同時將發(fā)電機壽命提升5年，有效降低了下游使用全生命周期碳足跡，產(chǎn)生7 979.0 t CO2-eq碳手印。因此在針對下游使用過程進行降碳改造時，需要從全生命周期的視角出發(fā)，同時關(guān)注使用效率及使用壽命的增量。

圖4 下游降碳改造效益Fig.4 Benefits of downstream carbon reduction transformation

各項改造方案碳手印和碳足跡對比如圖5 所示。碳手印量均明顯超出碳足跡，通過針對產(chǎn)品下游使用過程的改造，為案例線圈產(chǎn)品帶來了一定的碳足跡增加，但碳足跡增量僅為1.554 kg，相比于產(chǎn)生的碳手印量微乎其微，有助于實現(xiàn)減碳目標。同時邊界內(nèi)方案的碳足跡高于下游改造方案，碳手印遠低于下游，從總減碳量角度出發(fā)下游改造措施也更優(yōu)。

圖5 改造方案碳足跡及碳手印結(jié)果Fig.5 Carbon footprint and carbon handprint results of the transformation scheme

結(jié)合水發(fā)定子線圈的年產(chǎn)量數(shù)據(jù)，計算單只線圈的碳手印分析降碳改造效果，結(jié)果為：廠內(nèi)196.0 kgCO2-eq/支；廠外459.1 kgCO2-eq/支。綜上，廠外的降碳措施效果明顯高于廠內(nèi)。

本文案例研究表明，大型制造業(yè)工業(yè)產(chǎn)品碳足跡水平較高，案例線圈生產(chǎn)制造過程碳足跡為663.2 kgCO2-eq/支，通過內(nèi)部清潔能源替代、能管平臺優(yōu)化等方案產(chǎn)生碳手印196.0 kgCO2-eq/支，分廠內(nèi)的凈碳足跡為467.2 kgCO2-eq/支。廠內(nèi)降碳改造能夠降低產(chǎn)品的碳排放水平，但無法改變其高碳排放屬性。水發(fā)線圈的改進在下游清潔電力生產(chǎn)過程中產(chǎn)生碳手印459.1 kgCO2-eq/支，通過降碳改造下游帶來的環(huán)境影響基本抵消了產(chǎn)品的碳排放。

4 結(jié)語

針對工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程，通過梳理碳足跡核算流程及清單，明確了工業(yè)生產(chǎn)節(jié)點碳排放分布。針對改造措施降碳效果明確的需求，從全生命周期核算的視角，提出核算邊界內(nèi)外的多種方案，并采用碳手印方法計算邊界內(nèi)的降碳量及邊界外部下游使用過程降碳量。

邊界內(nèi)部的降碳改造方案中，建設(shè)綜合能源管理平臺的降碳效果最為顯著。邊界外部的降碳改造中，絕緣材料替換實現(xiàn)了下游發(fā)電效率和使用壽命的明顯增量，產(chǎn)生的碳手印能夠抵消70%的碳足跡。相比之下，水發(fā)定子線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝優(yōu)化產(chǎn)生的碳手印有限，因此應(yīng)優(yōu)先改進絕緣加工過程的原料類型，企業(yè)應(yīng)當(dāng)投入更多資金和人力在新材料的研發(fā)及選擇上，研究線圈原材料選型對發(fā)電機效率及使用壽命的影響，進而提高下游的積極環(huán)境影響，帶來更大的降碳效果。

清潔能源裝備制造領(lǐng)域?qū)τ谕七M能源轉(zhuǎn)型和減少溫室氣體排放具有重要意義，引入碳手印的溫室氣體評價體系將裝備制造過程拓展到工業(yè)產(chǎn)品全生命周期過程，實現(xiàn)碳排放變化原因的根本溯源。碳排放波動的原因除工業(yè)生產(chǎn)過程的物料用量及能源用量之外，仍然存在部分上下游之間交互影響因素，碳足跡和碳手印結(jié)合的評價體系能夠從產(chǎn)業(yè)鏈的視角，更加全面地評價清潔能源裝備制造過程的環(huán)境影響，指導(dǎo)工業(yè)過程降碳改造。