基于碳足跡的再制造產品供應鏈碳成本模型構建

黃靜文，倪方良，周 敏

（1.武漢科技大學機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430081；2.武漢科技大學精密制造研究院，湖北 武漢 430081；3.山東大學 管理學院，山東 濟南 250100；4.武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，湖北 武漢 430081）

0 引言

再制造是中國制造業未來的發展方向[1]。通過對廢舊產品實施一系列再制造措施和技術，實現其從性能損耗甚至是損壞到能夠使用、且功能等于或大于原產品的更新。因此，發展再制造符合當今強調低碳經濟和環境可持續性發展的要求。

二十大報告中也明確指出要積極穩妥推進碳達峰碳中和，立足于我國能源資源稟賦，將碳排放量與再制造供應鏈相結合，發揮碳足跡在再制造供應鏈碳排放中的關鍵作用；完善再制造供應鏈在如今市場中的不足之處；提升再制造業市場比重；實現高端再制造；促進再制造產業可持續發展，會成為今后研究的重點。因此，研究考慮碳足跡的再制造產品供應碳成本模型具有重要意義。

在研究再制造供應鏈方面，國內外學者主要集中在傳統的供應鏈管理方式下，對于考慮碳足跡的再制造供應鏈碳成本研究較少。Qian，等[2]研究了某種活動在整個生命周期或特定時間內排放到環境中的CO2、CH4、N2O 等氣體的量。夏西強，等[3]基于授權再制造對比三種碳減排政策下原始制造商和再制造商博弈模型，并研究了政府碳減排政策對授權再制造供應鏈的影響。梁佳平，等[4]考慮了制造商分開銷售新產品和再制品時的三種渠道結構模型，借助數值分析不同渠道結構下政府碳排放獎懲力度對渠道成員的最優定價以及渠道選擇的影響。楊金海，等[5]對我國汽車零部件再制造業發展現狀進行了概述，提出了發展汽車零部件再制造業的對策建議。劉秀磊，等[6]構建了不同政策下的多目標情景-模糊優化模型，通過算例，證明了再制造補貼、碳稅政策的實施均能顯著降低企業運營過程中的碳排放量。潘瓊[7]構建了制造商和再制造商的供應鏈博弈模型，考慮了消費者環保意識、碳交易價格、再造品的單位碳排放系數對外包再制造供應鏈的影響問題。Zhang，等[8]通過使用遺傳算法，進行數值實驗求解庫存策略，分別在不同情景下對模型參數敏感性進行了分析。

針對現有文獻少有基于碳足跡的再制造產品供應鏈碳成本量化模型，本文構建了一個由回收商、再制造商、分銷商以及消費者組成的再制造供應鏈系統，綜合考慮現有文獻的一些不足之處，結合再制造回收特點，基于碳足跡的生命周期法建立了回收商、再制造商、分銷商和消費者的碳排放量模型。核算再制造產品全生命周期碳排放量，優化供應鏈的協調機制設計問題?？紤]碳排放的再制造產品供應鏈碳成本模型研究具有更全面的角度，能夠深入研究和實現再制造產品的經濟和環境效益雙重目標。再制造產品碳足跡研究技術框架如圖1所示。

圖1 再制造產品碳足跡研究技術框架

1 再制造產品碳足跡生命周期研究與分析

當前采用的碳足跡計量方法主要有以下幾種：排放系數法、投入產出法、生命周期法以及過程分析法[9]。其中，生命周期法是通過對生命周期各個過程進行分布計算，最終匯總得到碳排放總量，是研究產品在其整個生命周期中對環境影響最有利的工具。

因此，本文選擇生命周期法研究碳足跡模型，如圖2所示。

圖2 基于生命周期的供應鏈碳足跡計算框架

1.1 目的的確定

目的的確定是進行再制造供應鏈碳足跡計算的第一步。根據研究目標以及再制造產品企業的需求，本文的研究范圍包括：回收拆解、再制造生產、產品銷售、使用維護四個階段的能源、物料的輸入和碳排放量，其中包括了各階段的物流運輸過程。

1.2 計算邊界的確定

確定計算邊界是再制造供應鏈進行碳足跡計算的重要一環，基于碳足跡的計算邊界由再制造供應鏈的各階段組織邊界構成。

再制造產品的全生命周期碳排放計算覆蓋一個產品的完整生命周期，還包括產品使用階段和產品處置（如報廢）產生的碳排放。

基于再制造產品供應鏈的碳足跡的計算邊界如圖3所示。

圖3 基于再制造產品供應鏈的碳足跡計算邊界

1.3 碳排放源分析

本文將碳排放源劃分為來源于回收商、再制造商、分銷商、消費者等，指導再制造產品從回收拆解到再制造生產、銷售、使用維護階段的節能減排工作。具體內容如下：

（1）源于回收商。回收商檢測中心的碳排放源主要有三種：第一種是回收中心作業造成的碳排放；第二種是回收中心內部運輸過程中造成的碳排放；第三種是拆解過程中的碳排放。

（2）源于再制造商。整個再制造生產過程中碳排放的主要來源是再制造工廠生產作業活動造成的碳排放，主要是化石、電力燃料燃燒產生的排放、凈購入使用電力產生的排放等。

（3）源于分銷商。分銷商造成的碳排放過程中，再制造產品的存儲和運輸是主要來源。再制造產品存儲過程中的碳排放源主要是對產品保管中電能的消耗等。運輸中的碳排放來源主要是各種交通工具（汽車）的使用消耗等。

（4）源于消費者。以再制造產品供應鏈為例，消費者在使用維護再制造產品中造成的碳排放是其所在的再制造供應鏈中碳排放不可或缺的部分。

2 再制造產品供應鏈碳足跡計算模型構建

2.1 回收商的回收拆解階段碳足跡計算模型

某公司回收一批汽車發動機的再制造產品拆分后存在i（i=1,2，…,n）個組件，在此基礎上進行模型計算。

2.1.1 廢舊產品回收產生的溫室氣體GHG（Greenhouse Gas）排放量。本文用rR表示廢舊產品磨損率，將產品回收再利用階段的重量用Qw表示。

式中，Q：產品的重量（kg）；

rR：產品的磨損率（%）；

EFR,r：廢舊產品回收過程產生的GHG 排放系數（kg-CO2e/kg）；

Qw：廢舊產品回收時的重量（kg）；

ER,r：廢舊產品回收過程產生的GHG排放量（kgCO2e）；

2.1.2 廢舊產品材料拆解的GHG排放量。廢舊產品的材料拆解再利用可分為兩部分，一部分是廢舊產品拆解中可生產金屬零部件、合金材料生產的主體部分，重量為QW,m1，對再制造產品主體部分的轉化效率用η表示，回收轉化率和廢舊產品的回收質量相關，用ηy表示。另一部分是廢舊產品中所含的廢棄件，重量為QW,m2。

①可生產主體部分的GHG排放量。生產金屬零部件材料所產生的GHG排放量如式（2）所示：

式中，AD1：電力能源消耗量（kWh）；

EF1：電力能源排放系數（kgCO2e/kWh）；

AD2：化石能源消耗量（m3、kg）；

EF2：化石能源排放系數（kgCO2e/m3）；

QW,m1：廢舊產品中可回收的零部件重量（kg）；

ηy：廢舊產品的可用零部件轉化率。

②不可生產部分的GHG排放量。對再制造產品中所含有的拆解零部件所產生的棄料進行廢棄處理，包括運輸和處理兩個部分，如式（3）所示：

式中，ER,m2：廢舊產品不可生產部分進行廢棄處理的GHG排放量（kgCO2e）；

EFR,h：廢舊產品不可生產部分進行處理的GHG排放系數（kgCO2e/kg）；

QW,m2：廢舊產品中所含的廢棄件的重量（kg）；

EFR,t：廢舊產品運輸途中的GHG 排放系數（kgCO2e/kg）。

綜上，廢舊產品回收拆解過程中的GHG排放量由如式（4）所示：

式中，Er：廢舊產品材料回收拆解階段的GHG排放量（kgCO2e）。

2.2 再制造商的再制造生產階段碳足跡計算模型

2.2.1 廢舊產品電能再利用的GHG排放量。再制造生產階段中所消耗的化石能源和電力能源所產生的GHG排放量如式（5）、式（6）所示：

Ely，j和Chy，j分別表示為質量級別為y的組件以再制造工藝步驟j所消耗的能源系數。

2.2.2 廢舊產品熱能再利用的GHG排放量。本研究中再制造產品碳元素的含量設定為P。

廢舊產品燃燒時GHG排放量如式（7）所示：

式中，ER,h：廢舊產品燃燒產生的GHG 排放量（kg-CO2e）。

2.2.3 廢舊產品材料的再制造生產階段全部的GHG排放量，具體如式（8）所示：

2.3 分銷商的產品銷售階段碳足跡計算模型

銷售階段的GHG排放量如式（9）所示：

式中，Es：再制造產品銷售階段的GHG 排放量（kg-CO2e）；EFR,S：再制造產品銷售運輸階段的GHG 排放系數（kgCO2e/kg）。

2.4 消費者使用維護階段的碳足跡計算模型

使用維護階段的GHG排放量是求出產品從消費者開始使用到最終報廢過程中的GHG排放總量，按其貢獻率進行計算。

產品使用階段的GHG排放量如式（10）所示：

式中，

Eu：使用維護階段產生的GHG 排放量（kgCO2e）；L：使用壽命（km）；ADf,u：汽車運輸的油耗（L/km）；EFf,u：汽車運輸燃油的GHG排放系數（kgCO2e/L）；γ：燃料貢獻率。

2.5 碳足跡計算總模型

各階段的碳排放核算公式見表1。

表1 各階段的碳排放核算公式

3 考慮碳足跡的再制造產品供應鏈成本分析與模型構建

通過閱讀相關文獻，針對我國再制造產品供應鏈的產品特點，結合國外碳稅的實踐和我國碳稅的相關研究，設定了各階段的碳稅稅率，見表2。

表2 再制造產品供應鏈碳稅稅率表

在第2節中計算出了回收拆解、再制造生產、產品銷售、使用維護的碳排放分別為Er,Ep,Es,Eu，結合表2中再制造供應鏈各階段的碳稅稅率，可以分別計算出各階段的碳成本，如式（11）所示。

式中，C4:再制造產品供應鏈生命周期碳成本折現值。

4 案例分析

為驗證上述模型的可靠性，以A公司回收的一批再制造發動機產品的碳足跡成本變化為例，計算出最優的再制造產品碳成本[10]。

4.1 再制造發動機回收拆解階段碳足跡計算

4.1.1 發動機零部件回收的碳足跡。一般發動機在回收拆解過程中，會產生10%-18%的損耗。本次研究將再制造發動機的磨損率定為15%。再制造發動機回收的碳足跡見表3，經過計算的結果如式（12）所示。

表3 再制造發動機回收階段碳足跡

4.1.2 發動機拆解再利用的碳足跡

①可生產主體部分的排放。在主體零部件的拆解利用過程中，根據公式（2），計算出可生產部分材料產生的排放量，見表4。

表4 生產每千克主體零部件的排放量

結合表4中的數值信息，可回收的零部件部分重量為95kg，廢舊發動機的金屬主體零部件的轉化率設定為90%。求出拆解過程中所產生的排放如式（13）所示。

②不可生產部分廢棄處理產生的排放。在發動機拆解階段，根據公式（3），結合表5，計算出不可生產部分產生的排放如式（14）所示。

表5 不可生產部分的排放量

廢舊產品材料的回收拆解階段全部的GHG排放量如式（15）所示。

4.2 再制造發動機生產階段碳足跡計算

根據式（5）-式（7），計算出生產每千克再制造發動機所產生的排放量見表6。

表6 生產每千克再制造發動機產生的排放量

根據表6中再制造發動機生產的排放信息，參照式（8），廢舊產品中碳元素的含量為0.067。求出再制造發動機生產的碳足跡如式（16）所示。

4.3 再制造發動機銷售階段碳足跡計算

參照公式（9)，結合再制造發動機運輸的數據信息，銷售運輸階段的GHG排放系數為0.21。求出再制造發動機銷售階段的碳足跡如式（17）所示。

4.4 再制造發動機使用維護階段碳足跡計算

根據汽車發動機協會數據資料顯示，一般汽車再制造發動機有5年的使用壽命，再制造發動機的平均壽命達到150 000km，再制造發動機百公里油耗為6.87L。汽車運輸燃油的GHG排放系數為2.925，在汽車發動機使用的整個生命周期中，再制造發動機的燃料貢獻率為0.25。參照式（10），求出再制造發動機使用階段的碳足跡，如式（18）所示。

根據結果可知再制造發動機全生命周期的碳排放總量為7 667.8kgCO2e，其中使用維護階段最高，碳排放量為7 535.53kgCO2e；其次是回收拆解階段，排放量為64.49kgCO2e；然后是再制造生產階段，排放量36.28kgCO2e；最后是產品銷售階段為31.5kgCO2e。再制造發動機生命周期的碳排放量見表7。

表7 再制造發動機生命周期碳排放量

根據碳稅政策，在不考慮使用維護階段的碳價格時，求得再制造發動機生命周期每個階段的碳成本為C4：

5 結語

（1）建立了再制造產品生命周期碳足跡核算模型?；谏芷诶碚摚瑓⒄誔AS 2050規范，該模型由目的的確定、計算邊界的確定、碳排放源分析、計算方法的選擇四部分組成，對再制造供應鏈碳足跡的路徑進行深入的研究與分析。

（2）基于生命周期理論，建立生命周期各階段的碳足跡核算模型。將碳足跡的計算分為：回收拆解、再制造生產、生產銷售、使用維護四個部分。

（3）構建了一套針對再制造發動機具體的碳足跡核算模型。本文在汽車行業還沒有出臺碳足跡核算標準時，選取再制造發動機碳足跡為研究對象，基于排放系數和生命周期方法，構建了碳足跡核算模型，將生命周期劃分為回收拆解、再制造生產、產品銷售、使用維護四個階段，并對各個階段以及整個生命周期的碳排放進行計算，有利于再制造商核算再制造汽車的經濟和環境效益。