綠色制造：碳達峰、碳中和目標下制造業的必然選擇

劉志峰，黃海鴻，李磊，劉赟

1.合肥工業大學機械工業綠色設計與制造重點實驗室 安徽合肥 230009 2.合肥工業大學機械工程學院 安徽合肥 230009

1 序言

20世紀以來，隨著經濟和生活水平的快速提高，制造業作為國民經濟的物質基礎和產業主體，規模不斷擴大。一方面創造了前所未有的巨大財富，推進了人類文明的進步與發展，另一方面也帶來了資源耗竭、環境污染及溫室效應等一系列問題，限制了人類生活質量的進一步提高。據估計，全球每年向大氣中排放約510億t溫室氣體，其中制造業占比超過50%[1]，并且呈現逐年增長的趨勢。若不及時采取措施，21世紀末全球氣溫將上升5℃以上，糧食將減產50%，多達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。

為承擔解決氣候變化問題中的大國責任、推動我國生態文明建設與高質量發展，我國提出了“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和[3]。”為了進一步落實碳達峰、碳中和的相關舉措，中央財經委員會第九次會議指出：“要實施重點行業領域減污降碳行動，工業領域要推進綠色制造”。綠色制造已經成為制造業實現可持續、高質量發展的重要目標和發展范式。

綠色制造是在保證產品的功能、質量、成本的前提下，綜合考慮制造系統的環境影響和資源效率，最終使產品從設計、制造、使用到報廢的整個生命周期中不產生環境污染或環境污染最小化，對生態環境無害或危害極小，資源利用率最高，能源消耗、排放最低[4]。綠色制造的目標是充分利用各種新材料、新技術和新方法，實現制造業的節材、節能并減少各類不利于生態環境的排放，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生及降低途徑、綠色制造的理論基礎和技術體系角度，說明綠色制造是碳達峰、碳中和目標下制造業的必然選擇。并在分析國內外綠色制造技術及產業發展的基礎上，提出綠色制造的發展趨勢，以期加快制造業節能減排的進程，助力“雙碳”目標的實現。

2 “雙碳”目標與綠色制造的關系

2.1 碳排放產生及降低途徑

從制造業的角度看，碳排放的產生來源于產品生命周期的各個階段，如原材料的獲取、生產過程、運輸過程、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。對能源和材料的產生過程進行溯源，碳排放的產生大部分來源于電力生產和原材料的獲取，如通過煤、石油等發電、冶金及石化等。

圖1 產品生命周期碳排放的產生

要想降低碳排放，需要分別從供給側和需求側兩方面進行考慮。從供給側看，發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，應該大力發展風能、太陽能、潮汐能、生物能、地熱能及核能等新能源技術，著力突破新能源發展技術瓶頸，增強綠色可再生能源的市場競爭力，促進綠色可再生能源供給機制創新，為新能源的廣泛應用創造條件[5]。從需求側來看，碳排放的降低應貫穿于產品生命周期全過程，涉及到設計、制造、包裝、運輸、使用和回收處理多個階段。同時也應加強對碳匯的投入，通過植樹造林、植被恢復等措施，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 實現碳減排的主要措施

2.2 綠色制造的理論基礎與技術體系

綠色制造以工業生態學、可持續制造、循環經濟和清潔生產等為理論基礎，利用產品全生命周期中各階段的綠色技術實現資源利用率最高、能源消耗與排放最低。從綠色制造的技術體系來看，可以將綠色制造分為綠色設計、綠色生產、綠色物流、綠色運行和回收處理五大部分。其中，綠色設計包含了高能效設計、輕量化設計、可回收性設計等；綠色生產包含了綠色產品技術、綠色工藝技術、車間節能調度等；綠色運維包含了產品運行狀態的在線檢測、主動再制造服務等；再利用涉及到產品逆向物流、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

由此可知，綠色制造關鍵技術圍繞供給側和需求側的減排，通過提高生產效率、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，使經濟發展、資源利用與環境保持相互協調，最終實現產品的低碳制造。可見，實現綠色制造與雙碳目標的關鍵技術在目標上是一致的，可以為其提供關鍵的技術支持，是碳達峰、碳中和目標下制造業的必然選擇。

3 國內外綠色制造技術的發展及應用

3.1 國外綠色制造技術的進展

國外發達國家或地區的工業化進程相對較早，其資源、能源和環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、技術規范及企業應用等方面不斷推進和完善。

在國家層面，美國在20世紀80年代開始推進綠色制造，最早將推進綠色制造和低碳經濟寫入法律文本。并于2007年，《低碳經濟法案》設計了減少溫室氣體排放的戰略目標[6]。2005年，歐洲EuP指令對耗能產品提出了能效標準框架性政策，通過強化生態設計改善產品的性能，提高能源利用效率，大幅度地減少對環境的負面影響[7]。2007年，日本《綠色經濟與社會變革》提出了構建低碳社會、實現與自然和諧共生的社會等中長期方針，強調了發展綠色社會資本、綠色消費、綠色投資及綠色技術創新等多方面的重要意義[8,9]。

在企業層面，綠色制造理念進行了廣泛普及和實施，綠色制造的生態環境已基本形成，通過系統化的綠色制造技術革新與升級，努力實現節能、減排的關鍵目標。如“歐洲綠色之都”拉赫蒂利用創新技術為整個垃圾處理價值鏈提供支持，實現50%的垃圾被循環利用，46%的垃圾則轉化為能源[10]。歐萊雅集團在亞太地區建成“零碳工廠”，以生物質氣體為原料制備綠色蒸汽及生物電，促進廠內“多能互補”，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應用于飛機機身，機翼的內隔板與加強筋的連接取代了原有的鉚接工藝，使得機身重量減輕18%，成本下降21.4%～24.3%[12]。

不僅如此，企業通過技術進步和革新，形成了系列化標準與規范，如國際和區域性的環保公約、ISO14040環境管理體系和環境標志等自愿性措施，對我國的產品出口形成了嚴峻挑戰。

3.2 我國綠色制造技術的進展

隨著我國環境、資源、能源問題日益凸出，國際競爭環境的不斷改變，為了改善環境質量，防止環境污染進一步加劇，我國從20世紀90年代初期開始關注綠色制造及其相關技術。通過加強規劃引導、完善扶持政策，將綠色經濟、低碳經濟發展理念和相關發展目標納入各個“五年”規劃和相關產業發展規劃中，制訂了相關的法律法規、標準規范來約束產品的制造過程及其相關活動。同時，在企業層面，主要從企業發展規劃、綠色管理和服務、落實清潔生產關鍵技術等方面不斷實踐與推廣綠色制造技術。在國家政策引導下，國家相關部門對綠色制造的研究與應用也給予了大力支持。

經過近30余年的發展，我國突破了面向關鍵行業和領域的系列綠色制造關鍵技術，如面向全生命周期的家電產品綠色設計與制造關鍵技術、增材制造綠色工藝[13]、高端裝備再制造檢測與修復關鍵技術[14]以及復合材料的再資源化技術與裝備[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、企業等的綠色發展理念顯著增強，傳統制造業物耗、能耗、水耗、污染物和碳排放強度顯著下降，節能環保產業快速發展。綠色制造能力穩步提高，一大批綠色制造關鍵共性技術實現產業化應用，初步建成較為完善的綠色制造相關評價標準體系和認證機制，綠色制造市場化推進機制基本形成[16]。

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

1）粗放生產方式依然存在，制造業及其產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水平尚存在差距，單位產品能耗高出國際先進水平20%以上。

3）重點工業產品綠色設計能力較弱，自主品牌占比明顯偏低，部分關鍵技術和設備遭遇“卡脖子”問題嚴重。

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

5）法律法規和標準規范體系不完善[17]。

4 綠色制造技術的發展趨勢

“雙碳”目標的達成離不開綠色制造關鍵技術的支撐，而綠色制造技術的發展離不開自動化、檢測與傳感、大數據及物聯網等眾多領域的支持，特別是在制造業轉型升級及智能制造快速發展的背景下，大數據、物聯網/云制造技術、人工智能/機器人技術及3D打印技術等一大批新理論、新方法、新技術不斷涌現，大大加速了與制造業的融合發展，為綠色制造技術的發展提供了許多新的契機。

在這樣的背景下，我國制造業的綠色發展需進一步拓展與完善綠色制造技術體系，與多學科和多技術進行深度融合，其主要發展趨勢包括以下幾方面。

1）加強綠色設計理論與方法的研究。針對重點行業，開發綠色設計工具軟件，從源頭助力綠色制造的應用與發展。

2）突破綠色工藝與裝備。開發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和裝備，突破清潔生產、再制造與再資源化的關鍵核心技術。

3）構建綠色制造服務平臺。完善重點行業綠色制造與服務平臺和標準體系，開發生產數據與數據庫公共服務平臺對接的軟件系統，為綠色認證和評價提供數據支持。

4）探索智能綠色制造技術。推動互聯網與綠色制造融合發展，提升能源、資源及環境智慧化管理水平，探索數據、知識及智能學習方法驅動下的綠色制造技術。

5 結束語

綠色制造是一種理念，它要求我們在思考問題、策劃方案、設計產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踐，它要求我們要將綠色理念與具體應用場景相結合，進行綠色設計、開發綠色制造工藝與設備、高效環保回收利用廢舊產品和養成綠色消費習慣。同時，綠色制造理論與實踐相結合，能夠不斷把綠色制造的實施成效推向深入，既可為我國制造業高質量綠色發展貢獻力量，也能為全球碳排放的減少提供支持。綠色制造任重道遠，前途光明。