汽车生产过程中能源消耗的碳排放计算与分析

周亚兰 龚本刚 张孝琪

（安徽工程大学管理工程学院，安徽 芜湖 241000）

1 引言

综上所述，国内外对能源消耗碳排放的研究多从产业、产品层面出发探究其碳排放特性，多集中于碳排放动态评价模型研究，而针对工艺的研究也主要集中在机械加工工艺，鲜有对汽车生产流程中的能源消耗碳排放的研究。对此，本文对汽车生产制流程中能源消耗与碳排放进行研究，并提出不同工艺环节能源消耗碳排放的计算方法，并给出节能减排对策建议。

2 汽车生产过程中的能源消耗分析

一般来讲，汽车的生产过程主要包括冲压、焊装、涂装、总装这四大工艺，它完成了从原材料、零部件到汽车整车以及测试的过程（见图1）。汽车在生产制造过程中直接或间接的都会消耗原材料（钢、铁等）、辅助材料（刀具等）、能源（电、煤、天然气等），并产生废弃物排放（废屑、废液、废气等），物料和能源的使用都不可避免的产生碳排放。汽车生产过程中能源消耗碳排放主要包括生产过程中四大工艺的能源碳排放以及物料移动的碳排放。

图1 汽车生产工艺流程及能耗简图

2.1 冲压工艺。冲压工艺是一种使板料经分离或成形得到制件的加工方法。冲压加工工序包括有冲裁、切开、切边、切舌、切断、扩口、冲孔、冲缺、冲槽、冲中心孔、精冲、连续模、单工序模、组合冲模、压凸、压花、成形等。冲压首先是把钢板在切割机上切割出合适的大小，然后在一台冲压机床进行初始的切割，这个时候一般只进行冲孔、切边之类的动作，以便于下一操作，在进行简单的冲孔、切边后，就会进入真正的冲压成形工序，而这一系列的冲孔及切边等工序的主要能耗为电能。冲压成形由冲压机床和模具实现，每一个工序大多都是先经过冲压成形，然后再经过冲孔、切边、翻边等等工序，最后才会成为所需要的工件，而冲压成形的主要能耗为电能和空气压缩。切割机械对金属部件进行切割需消耗电能，冲压工艺过程碳排放主要来源于产生电能的碳排放。冲压工艺主要消耗的能源有电能、空气压缩、水等。电能的消耗主要是来自冲压工艺中设备的使用，空气压缩主要是冲孔、冲缺、冲槽、冲中心孔、组合冲模、压凸、压花、成形等工序的操作，冲压工艺中厚板用水压机成形，水压机需要消耗水。

2.2 焊接工艺。汽车焊装就是将冲压好的车身零件用夹具定位，采用焊接的方法将其接合形成车声总成。焊装使用的主要设备有悬挂式电焊机、座式电焊机、CO2气体保护焊机、T型螺柱焊机、钎焊、焊机机器人、激光焊接。焊接工艺的能源消耗主要是来自焊接设备的使用。焊接的能耗主要是电量、压缩空气、水、循环用水等。焊装工艺中的电能的消耗主要是来自焊接设备的使用，水和循环用水主要是用于焊接过后的冷却。空气压缩主要是用于零部件里的铁屑等的清除。

2.3 涂装工艺。汽车涂装工艺对于汽车制造有两个重要作用，一是对汽车的防腐蚀作用，一是给汽车增加美观作用。涂装工艺一般可分为两大部分：一是涂装前金属的表面处理，也叫前处理技术，前处理技术的使用的主要能耗一般为电能和空气压缩；二是涂装的施工工艺，施工工艺的的能耗主要为电能、蒸汽和水。涂装的工艺流程为预脱脂→脱脂→热水洗→冷水洗→酸洗→冷水洗→中和→冷水洗→表面调整→磷化→冷水洗→热水洗→纯水洗→干燥。涂装工艺中的能源消耗的主要是电能的消耗和涂装的烘干过程。在烘干处理工序中，需使用天然气等进行燃烧产热，直接向环境排放二氧化碳。涂装的能源消耗还包括产生蒸汽、空气压缩、水和循环用水的能源消耗。汽车涂装工艺中水和循环用水的消耗主要是来自各种水洗的工序，空气压缩主要是来预脱脂、脱脂和干燥以及清除工件表面的油污、尘土、锈蚀、以及进行修补作业时旧涂料层的清除等，而水蒸气的消耗主要是热水洗的需求。

2.4 总装工艺。汽车装配工艺就是将车身、发动机、变速器、仪表板、车灯、车门等构成整辆车的各零件装配起来生产出整车的过程。装配工艺主要分为四个模块即前围装配、仪表盘装配、车灯装配、底盘装配。装配过程耗能主要为装配生产线上各机械设备消耗的电能，因此装配过程产生碳排放主要是来自生产电能的碳排放。装配过程的能源消耗还包括空气压缩的能源消耗和水量的消耗。水量的消耗主要是来自装配中的清洗配件。而空气压缩主要是用来清除油孔中的铁屑及油垢以及其他清除工作。

汽车生产流程中的能源消耗和碳排放还包括汽车生产中的车间物料移动的能耗和碳排放。在汽车生产流程中，需要运输原材料、外购零部件、半成品等。物料移动的能源消耗主要是车间运输工具的能源消耗。车间运输工具能耗会产生碳排放。

该航道防冲工程的施工现场空间较小，两岸堤防设施及景观设施完善，且周围居民住宅较多，护岸边高低压线路纵横，采用常规陆地打拔桩机施工将破坏部分堤防景观及高低压线路设施，对居民的日常生活产生巨大影响，施工难度较大。

3 汽车生产流程中能源消耗的碳排放计算方法

汽车生产过程中碳排放主要包括制造生产过程中四大工艺的能源消耗发生的碳排放以及物料移动的碳排放。下面分别对汽车生产过程中的冲压工艺、焊接工艺、涂装工艺、总装工艺等四大工艺和物料移动的碳排放计算模型进行设计。

3.1 冲压工艺。冲压工艺过程中能耗主要有电量、空气压缩量、水量等。冲压工艺过程中的碳排放计算可以简化为：

其中，Gi是第i道工序的电能消耗量，Hi是第i道工序的空气压缩量，Di是第i道工序的水量，EF电是电能的碳排放系数，EF空是空气压缩的碳排放系数，EF水是水的碳排放系数。

3.2 焊接工艺。焊接工艺过程中的能耗主要有电量、空气压缩量、水量、循环水量等。焊接工艺过程中的碳排放计算可以简化为：

其中，Gj是第j道工序的电能消耗量，Hj是第j道工序的空气压缩量，Dj是第j道工序的水量，Fj是第j道工序的循环水量，EF环是循环用水的碳排放系数。

3.3 涂装工艺。涂装工艺过程中的能耗主要有电量、蒸汽量、天然气量、空气压缩量、水量、循环用水量等。涂装工艺过程中的碳排放计算可以简化为：

其中，Gk是第k道工序的电能消耗量，Hk是第k道工序的空气压缩量，Dk是第k道工序的水量，Fk是第k道工序的循环水量，Nk是第k道工序的蒸汽消耗量，EF蒸是蒸汽的碳排放系数。Qk是第k道工序的天然气消耗量，EF气是天然气的碳排放系数。

3.4 总装工艺。汽车装配是汽车全部制造工艺过程的最终环节，是把经检验合格的数以千计的各类零件，按规定的精度标准和技术要求组合成分总成、总成、整车，并经严格的检测程序，确认其是否合格的整个工艺过程。总装工艺过程中的碳排放计算可以简化为：

其中，Gl是第l道工序的电能消耗量，Hl是第l道工序的空气压缩量，Dl是第l道工序的水量。

在汽车生产流程中，汽车生产过程需要运输原材料、零部件等，物料移动的碳排放只考虑了汽车产品的运输，运输的碳排放主要受运输距离的影响，则生产过程中运输碳排放为：

式中：Pe为物料移动碳排放；L为运输总吨距离；PEi为运输碳排放系数。

综合以上分析，汽车生产流程中总碳排放Et的计算公式可以表达为：

4 应用举例

4.1 数据收集

以某公司乘用车生产过程为例，对生产过程中能源消耗的碳排放进行计算。该公司乘用车生产过程中能源消耗数据见表1。

表1 乘用车能源消耗表

空气压缩时实际上是消耗电能驱动压缩机，所以汽车生产工艺中的空气压缩量的碳排放可以转换成电能的碳排放。空气压缩机产气量338m3的耗电量为108kw·h，而在这里我们把1Nm3就看作是1m3，所以1Nm3的电量消耗为0.32kw·h[14]。蒸汽量的能耗实际上也是电能的消耗，一般低压蒸汽折标煤系数为0.1286kgce/kg，当量电力折标煤系数为0.1229kgce/kg，所以理论折算比值为0.1286：0.1229。大概就是一吨蒸汽折1000度电左右[12]。当然具体到应该当中，还要看使用设备的热效率。在这里本文就去取一吨蒸汽折1000度电左右。水循环设备年耗电量为878000kw·h，耗水量为4600m3，所以每吨循环水量的电耗为190.87kw·h[13]。该公司汽车生产过程中的运输工具的主要能耗是来源于柴油的消耗，而柴油的碳排放系数为3.0959 kg-CO2/kg，而本公司的全年单车柴油量为2.5L。在这里电能、天然气、柴油的碳排放系数均来自中国合同能源管理网。

综合以上分析，可计算出各种能耗的碳排放系数如下表2所示。

表2 各种能耗碳排放系数 kgCO2e/kgce

根据以上的调研数据带入上式（6）得：

4.2 结果分析

将各工艺能耗对系统碳排放量的影响进行比较，可以找出具体某类能源消耗是影响总碳排放的主要因素，为决策者制定节能措施提供依据。在上述实例中，由单车排放直方图（如图2）可知，涂装能耗是影响总碳排放的最主要因素，其次是焊装能耗。

图2 汽车生产四大工艺与物料移动单车排放直方图

图3 汽车生产工艺能耗碳排放直方图

图2、3分别是汽车生产四大工艺与物料移动单车排放直方图和汽车生产工艺能耗碳排放直方图，从这两个图中均可以看出能耗碳排放主要来源是空气压缩和电能，而空气压缩的能耗主要是来自电能的消耗，所以汽车生产中节能减排的关键在于电能的优化。首先是冲压车间的节电，冲压车间的电动机由于生产节拍的限制，长期工作处于25%左右的低负载状况，电能大量浪费。如果在工艺规划设计选择设备时考虑采用变频器，通过降低电动机转速来降低液压泵的输出功率，使液压泵的输出功率与实时负载匹配，提高电动机的功率因素，改善电动机的启动和停机性能，并且可以减少泵损耗，从而达到节电的效果。其次是焊接车间的焊装设备可采用节能逆变（IGBT）弧焊设备，与非逆变弧焊设备相比可节能20%左右；采用焊机群控制系统相平衡，避免冲击负荷可节能20%左右。然后是涂装车间可通过密封涂胶改用湿碰湿工艺；取消密封胶烘干作业；优化烘房工艺温度；打破行业常规，降低喷房冬季施工温湿度范围等措施来达到节电的效果。最后是总装车间可选择总装车间输送链，积放摩擦式输送线这种新型输送线方式比传统链式输送机效率高、节拍快，输送速度提高80%左右，从而达到节约电能的效果。除了总装车间外，在焊装车间和涂装车间也可以大量使用输送链，选用节能减排的设备，能够最大化地达到其节能减排的目标。

总的来说，要减少汽车生产制造过程碳排放就要必须减少能源消耗，因此还可从产品结构设计和工艺设计两方面入手。在汽车产品结构设计方面，实行减量化设计，以减少产品的能源消耗，从而相应地减少其生产制造过程的碳排放；同时对产品进行节材设计，优先使用CO2排放影响低的材料和提高产品的回收利用率，可以减少产品的温室气体排放。在产品工艺设计方面，对现有工艺路线、工艺方法、工艺装备、工艺参数和工艺方案等进行优化，尽量减少生产制造过程能源消耗。同时通过减少生产制造工艺过程的能源消耗，就能减少生产制造过程产生的废弃物，从而减少废弃物处理过程的能耗和碳排放。因此从产品结构设计和工艺设计上入手，通过实现能源消耗最小化，能够从整体上减少汽车生产制造过程的碳排放。最后可以对产品进行碳排放量化评估，可为设计人员针对降低产品碳排放量进行设计改进提供有针对性的指导，并可以推广到其他行业。

5 小结

汽车生产制造业作为我国制造业的典型能源消耗大户，研究其产品制造过程能源消耗碳排放对节能减排的实施具有指导意义。汽车生产流程中能源消耗碳排放的分析工作离不开汽车流程工艺图，流程图是基础。本文在分析说明汽车生产流程工艺图的基础上，具体分析汽车生产流程中四大工艺的能源消耗与碳排放，给出了汽车生产流程中能源消耗碳排放的计算方法。结合具体案例数据分析给出节能减排的对策建议。汽车生产企业应在有条件的情况下，尽可能分析汽车生产流程中的所有能源消耗与碳排放，明确所有碳排放源，以找出生产中存在的问题，为进一步节能、降低成本减少碳排放指明途径。本文在汽车生产制造过程的资源消耗数据收集上采用的是平均消耗数据，更为详尽的资源消耗随时间变化的动态规律还有待进一步研究，从而更好地探索能源消耗碳排放的动态性。

[1] 施晓清，李笑诺，杨建新.低碳交通电动汽车碳减排潜力及其影响因素分析[J].环境科学，2013，（1）：385-394.

[2] 伍昌鸿，马晓茜，陈勇，等.汽车制造、使用及回收的生命周期分析[J].汽车工程，2006，（2）：207-211.

[3] 杨光勇，计国君.构建基于产品生命周期的低碳足迹供应链[J].厦门大学学报，2013，（2）：65-73.

[4] 杨沿平，唐杰，胡纾寒，等.我国汽车节能综合评价研究[J].中国软科学，2009，（1）：15-19.

[5] 李飞龙，郭孔辉，杨沿平，等.基于GREET模型的汽车材料轻量化能耗评价研究[J].中国机械工程，2013，（5）：681-685.

[6] 薛晨吉.基于绿色供应链的可持续发展汽车制造企业体系构建[J].产业与科技论坛，2013，（1）：35-36.

[7] 李阳，陈茁.三种类型汽车的能耗和使用成本的建模研究[J].数学理论与应用，2012，（4）：112-117.

[8] 李树廷，魏明.汽车制造业节能减排方案分析[J].节能，2010，（10）：10-13.

[9] 田文彪，魏明，尹娟，等.汽车制造企业能耗分析及节能新技术[J].节能，2007，（11）：21-23.

[10] 张国强.基于产品生命周期理论的汽车能耗和碳排放的研究[J].科技致富向导，2011，（35）：99-100.

[11] 陶雪飞，曹华军，李洪丞，等.基于碳排放强度系数的产品物料消耗评价方法及运用[J].系统工程，2011，（2）：123-126.

[12] 魏琳.利用回归分析预测（蒸汽）产量和控制能耗——基于EXCEL统计应用[J].办公自动化，2011，（215）：52-54.

[13] 刘成基，邓文胜.流体高效节能技术在冷却水循环系统的应用[J].四川水泥，2012，（2）：80-84.

[14] 白学利，安惠勇，李利波.空气压缩机能耗检测与分析[J].华电技术，2012，（4）：64-66.

[15] 朱一方.混合动力汽车制造过程的能源消耗与环境影响评价[D].长春：吉林大学，2012.

[16] 朱玲.中国制造业能源消耗碳排放分析[D].上海：复旦大学，2012.

[17] 王吉凯，刘志峰，鲍宏，等.基于生命周期的家电产品碳排放计算方法研究[J].合肥工业大学学报，2012，（8）：1043-1048.

[18] Hertwich E G,Peter G P.Carbon footprint of nations：A global,trade-linked analysis[J].Environmental Science＆Technology,2009，（16）：6414-6420.

[19] Christopher L,Weber H S.Quantifying the global and distributional aspects of American household carbon footprint[J].E-cological Economics,2008，（66）：379-391.