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生命周期評(píng)價(jià)是對(duì)一個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周期中輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評(píng)價(jià)，自20世紀(jì)90年代引入我國(guó)以來(lái)，在工業(yè)產(chǎn)品(如水泥、離心機(jī)、塔吊］、洗衣機(jī)、硅產(chǎn)品等)，廢物管理(如錄放機(jī)回用、復(fù)合包裝循環(huán)利用、工業(yè)危廢處理處置等)，技術(shù)評(píng)估(如生產(chǎn)工藝選擇、處理處置技術(shù)評(píng)估)，能源管理(如新能源管理、火電管理，碳排放(如交通方式碳排放、耕作碳排放等領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究，但這些研究都集中在單一產(chǎn)品、單一活動(dòng)上．如果同一污染物來(lái)自不同的工藝單元，在數(shù)據(jù)收集過(guò)程中這一污染物將被合并在一起，導(dǎo)致最終其產(chǎn)生的環(huán)境影響無(wú)法識(shí)別來(lái)源于何種工藝單元。
面對(duì)日益復(fù)雜的環(huán)境問(wèn)題和精細(xì)化的環(huán)境管理需求，這種合并式的數(shù)據(jù)收集方式不利于評(píng)價(jià)結(jié)果中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的識(shí)別；另一方面，在對(duì)某個(gè)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行環(huán)境影響定位時(shí)，由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺失，往往采用單一企業(yè)樣本的生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果表征行業(yè)環(huán)境影響，這降低了決策的科學(xué)性．因此，該文提出產(chǎn)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)的概念，即通過(guò)一定的拆解原則和一定樣本量的數(shù)據(jù)收集，進(jìn)行“碎片化”核算全產(chǎn)業(yè)鏈的生命周期環(huán)境影響，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)環(huán)境影響的可識(shí)別和可表征。
目前鮮有對(duì)一個(gè)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)的研究。劉晶茹等曾對(duì)產(chǎn)業(yè)共生的環(huán)境績(jī)效進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)研究，但其產(chǎn)業(yè)共生的主體仍為單個(gè)企業(yè)，數(shù)據(jù)較為單一，沒(méi)有產(chǎn)業(yè)代表性；張莉沙等對(duì)鋼鐵行業(yè)環(huán)境影響進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)，但數(shù)據(jù)來(lái)源基于統(tǒng)計(jì)年鑒。因此，該研究擬參考ISO 14044《環(huán)境管理生命周期評(píng)價(jià)要求與指南》中的理論，對(duì)產(chǎn)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)進(jìn)行初探，并以晶體硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)為例進(jìn)行應(yīng)用，以期提升生命周期評(píng)價(jià)在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、發(fā)展方式轉(zhuǎn)變等工作中的作用。
面對(duì)環(huán)境管理的精細(xì)化要求，基于“可拆解、可組合”的生態(tài)設(shè)計(jì)理念，結(jié)合產(chǎn)業(yè)鏈及上下游產(chǎn)品特點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)業(yè)生命周期進(jìn)行劃分，盡可能的將其拆分成單一的產(chǎn)品單元或工藝單元(見(jiàn)圖1)，實(shí)現(xiàn)“碎片化”核算生命周期環(huán)境影響，以便識(shí)別重點(diǎn)環(huán)節(jié)和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。
單位為1m2，衣服的功能單位為1件。在確定了功能單位后，應(yīng)根據(jù)不同的功能單位進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。
數(shù)據(jù)收集是產(chǎn)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)的關(guān)鍵，也是如何客觀真實(shí)反映產(chǎn)業(yè)環(huán)境影響的重要環(huán)節(jié)。在產(chǎn)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)中，此階段需要注意的有兩個(gè)重要環(huán)節(jié)，一是質(zhì)量評(píng)估，即如何提升數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，使其如實(shí)代表產(chǎn)業(yè)水平；二是數(shù)據(jù)整合，即如何把企業(yè)數(shù)據(jù)整理成產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)。
樣本量是決定數(shù)據(jù)質(zhì)量的基礎(chǔ)，所以本階段要根據(jù)產(chǎn)品工藝的集中度和差異性，選取合理的樣本覆蓋范圍，對(duì)于工藝集中度高的產(chǎn)品，可選取低樣本量進(jìn)行收據(jù)收集；對(duì)于工藝差異較大的產(chǎn)品，應(yīng)劃分工藝進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，根據(jù)工藝產(chǎn)量(或產(chǎn)能)占比分配樣本比例。
數(shù)據(jù)收集之后需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，不同于對(duì)單個(gè)產(chǎn)品開(kāi)展生命周期數(shù)據(jù)收集的質(zhì)量評(píng)估，產(chǎn)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)所需的樣本量較大，并且樣本數(shù)據(jù)隨工藝技術(shù)、管理水平、人員素質(zhì)等多重因素影響，出現(xiàn)差異的可能性也較大，因此，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，推薦采用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度進(jìn)行評(píng)估，公式如下:
式中，σ為相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，Xi為樣本值，X為平均值，n為樣本量。
根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，設(shè)定所有數(shù)據(jù)的σ＜0.3即可滿足數(shù)據(jù)質(zhì)量需求，如σ＞0.3，認(rèn)為此數(shù)據(jù)存疑，需進(jìn)一步核查此數(shù)據(jù)樣本中的異常數(shù)據(jù)，并與企業(yè)聯(lián)系了解異常原因，進(jìn)行修正。
在對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估后，需要將企業(yè)層面的數(shù)據(jù)整合成為產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)，這里推薦采用產(chǎn)量加權(quán)的方法，即根據(jù)企業(yè)產(chǎn)量在所有調(diào)研企業(yè)總產(chǎn)量的占比確定企業(yè)權(quán)重，將權(quán)重與各企業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加乘，得到最終的產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)，公式如下：
其中:X為包含k種產(chǎn)品j種工藝的產(chǎn)業(yè)生命周期清單數(shù)據(jù)；xi為企業(yè)i采用工藝j生產(chǎn)產(chǎn)品k的清單數(shù)據(jù)；Pi為企業(yè)i產(chǎn)量(產(chǎn)能)；P為所有生產(chǎn)產(chǎn)品k的企業(yè)總產(chǎn)量(產(chǎn)能)；r為采用工藝j生產(chǎn)產(chǎn)品k的企業(yè)數(shù)量；Wj為工藝系數(shù)，即采用工藝j的企業(yè)產(chǎn)量(產(chǎn)能)占比；n為生產(chǎn)產(chǎn)品k的工藝數(shù)量；Wk為產(chǎn)品系數(shù)，即功能單位的產(chǎn)品k在功能單位的產(chǎn)品k+1生產(chǎn)過(guò)程中的消耗量。如“棉花—布—衣服”的服裝產(chǎn)業(yè)中，W1指生產(chǎn)1m2需要的棉花重量，kg(假設(shè)棉花的功能單位為1kg，布的功能單位為1m2)，W2指生產(chǎn)1件衣服所需的布量，m2(假設(shè)衣服的功能單位為1件)；k為產(chǎn)品數(shù)量。
經(jīng)過(guò)質(zhì)量評(píng)估和數(shù)據(jù)整合后，即可得到產(chǎn)業(yè)生命周期數(shù)據(jù)清單，其步驟如圖2
影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解釋過(guò)程與產(chǎn)品生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)過(guò)程一致，值得一提的是，在結(jié)果解釋的過(guò)程中，可以通過(guò)不確定性分析(如蒙特卡洛分析)方法評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性，從而進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估結(jié)果。
目前不確定性分析的方法主要有蒙特卡洛法、矩陣分析法和泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)法，其中蒙特卡洛的使用最為廣泛，其他兩種應(yīng)用較少且相對(duì)比較復(fù)雜。蒙特卡洛分析是根據(jù)多個(gè)參數(shù)的概率分布規(guī)律選取多個(gè)隨機(jī)數(shù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析得到所有參數(shù)不確定性傳播到最終結(jié)果的規(guī)律。
以晶體硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)為例，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)的應(yīng)用研究。晶體硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)是指以工業(yè)硅為原料生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)過(guò)程首先將工業(yè)硅提純?yōu)楦呒兌嗑Ч瑁缓笸ㄟ^(guò)鑄錠(拉棒)、切片工藝生產(chǎn)多晶(單晶)硅片，最后生產(chǎn)電池片并封裝成組件的過(guò)程．我國(guó)是世界上晶體硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)大國(guó)，2015年高純多晶硅、硅片、電池片、組件產(chǎn)量分別占對(duì)應(yīng)世界產(chǎn)量的47.8%、79.6%、66.0%和69.1%。
根據(jù)晶體硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)特征，按照產(chǎn)業(yè)上下游產(chǎn)品關(guān)系，將其分為高純多晶硅、硅片、電池片和組件4個(gè)產(chǎn)品，同時(shí)根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝，細(xì)分了11個(gè)工藝單元(見(jiàn)圖3)。該研究的系統(tǒng)邊界沒(méi)有考慮組件使用廢棄后的處理處置，因?yàn)槟壳斑@一階段工藝技術(shù)尚不成熟，國(guó)內(nèi)也尚無(wú)開(kāi)展處理處置的企業(yè)。
對(duì)4個(gè)產(chǎn)品的功能單位依次界定如下:高純多晶硅生產(chǎn)過(guò)程的功能單位為1t，硅片生產(chǎn)過(guò)程的功能單位為104片，電池片生產(chǎn)過(guò)程的功能單位為1m2，組件生產(chǎn)過(guò)程的功能單位為1m2。對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的功能單位定義為1m2晶體硅太陽(yáng)能電池組件。
數(shù)據(jù)收集首先對(duì)重點(diǎn)企業(yè)進(jìn)行調(diào)研(包括現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和問(wèn)卷調(diào)研)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的企業(yè)在其主要產(chǎn)污節(jié)點(diǎn)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，最終獲得單個(gè)企業(yè)樣本的數(shù)據(jù)清單。4個(gè)產(chǎn)品單元的調(diào)研企業(yè)數(shù)、樣本量及覆蓋度如表1所示，可以看出所有產(chǎn)品的調(diào)研企業(yè)產(chǎn)量之和占比都在40%以上，數(shù)據(jù)覆蓋度較好。
在獲取了所有企業(yè)的數(shù)據(jù)清單后，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，代入式(1)，主要數(shù)據(jù)的質(zhì)量評(píng)估結(jié)果如表2所示。
從表2中可以看到，除了高純多晶硅產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中電的σ高于0.3之外，其他主要投入數(shù)據(jù)的σ均低于0.3，說(shuō)明樣本數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度較好，滿足進(jìn)行產(chǎn)業(yè)生命周期評(píng)估的數(shù)據(jù)質(zhì)量要求。對(duì)于高純多晶硅產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中電耗數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)樣本企業(yè)的數(shù)據(jù)分析可知，主要是由于高純多晶硅生產(chǎn)企業(yè)在調(diào)研時(shí)期(2012—2013年)工藝水平差異較大導(dǎo)致的，硅片、電池片、組件生產(chǎn)工藝的技術(shù)一致性較高，因此這3個(gè)產(chǎn)品其主要投入數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度較好。
在完成數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理。按照式(2)，根據(jù)調(diào)研企業(yè)樣本數(shù)據(jù)與產(chǎn)量占比進(jìn)行加乘，得出了不同工藝的數(shù)據(jù)清單，再將工藝數(shù)據(jù)清單與工藝系數(shù)進(jìn)行加乘，得到產(chǎn)業(yè)不同產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)清單。特別是高純多晶硅產(chǎn)品單元的電耗數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)勘誤過(guò)程確認(rèn)數(shù)據(jù)無(wú)誤后，按照各企業(yè)2013年的最優(yōu)水平代入式(2)計(jì)算得到該指標(biāo)的清單數(shù)據(jù)。
將產(chǎn)品數(shù)據(jù)清單與產(chǎn)品系數(shù)加乘后，即可得到產(chǎn)業(yè)的數(shù)據(jù)清單，考慮到篇幅所限，此處僅列出了產(chǎn)品數(shù)據(jù)清單(見(jiàn)表3)，工藝數(shù)據(jù)清單不再詳列．晶體硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品系數(shù)(Wk)和工藝系數(shù)(Wj)見(jiàn)表4。
影響評(píng)價(jià)選擇了致癌、呼吸系統(tǒng)影響、氣候變化、生態(tài)毒性、酸化和富營(yíng)養(yǎng)化、礦產(chǎn)資源、化石燃料等7個(gè)影響類型，基于Eco-indicator99生態(tài)指數(shù)法建立了適用于我國(guó)晶體硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)的終點(diǎn)破壞類影響評(píng)價(jià)模型，模型對(duì)應(yīng)的終點(diǎn)分別是:①人體健康，包括致癌、呼吸系統(tǒng)影響、氣候變化3個(gè)影響類別；②生態(tài)質(zhì)量，包括生態(tài)毒性、酸化富營(yíng)養(yǎng)化兩個(gè)影響類別；③資源，包括礦產(chǎn)資源、化石燃料兩個(gè)影響類別。
根據(jù)2.3節(jié)選用的模型，以1m2組件為單位，對(duì)晶體硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)生命周期環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖4、5所示。
從圖4可以看出，晶體硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)生命周期環(huán)境影響主要集中在呼吸系統(tǒng)影響、化石燃料、致癌和氣候變化4個(gè)環(huán)境影響類別，依次占產(chǎn)業(yè)生命周期環(huán)境影響的41.94%、25.20%、14.89%和8.80%，這主要由于整個(gè)產(chǎn)業(yè)在高純多晶硅、硅片、電池片生產(chǎn)過(guò)程耗電較多，而我國(guó)的電力結(jié)構(gòu)又以火力發(fā)電為主所導(dǎo)致，發(fā)電過(guò)程排放的顆粒物對(duì)人體健康影響較大。組件生產(chǎn)過(guò)程由于消耗了焊帶(主要成分為錫和銅)和鋁合金邊框，因此在礦產(chǎn)資源方面影響也較大，占產(chǎn)業(yè)生命周期環(huán)境影響的5.39%。酸化富營(yíng)養(yǎng)化和生態(tài)毒性類別的環(huán)境影響較低，僅占2.07%和1.70%。
從圖5可以看出，高純多晶硅產(chǎn)品是整個(gè)產(chǎn)業(yè)生命周期環(huán)境影響最大的產(chǎn)品環(huán)節(jié)，占全產(chǎn)業(yè)環(huán)境影響的43.31%，其次是組件產(chǎn)品，占比26.39%，硅片和電池片產(chǎn)品占比較小，分別為17.81%、12.50%，因此，降低高純多晶硅產(chǎn)品環(huán)境影響是降低產(chǎn)業(yè)整體環(huán)境影響的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)各產(chǎn)品生產(chǎn)要素生命周期環(huán)境影響評(píng)估結(jié)果看出，電耗是高純多晶硅、硅片、電池片產(chǎn)品環(huán)境影響的主要因素，依次占比79.48%、66.60%和63.06%，更是影響整個(gè)產(chǎn)業(yè)生命周期環(huán)境影響的最大因素，其約占整個(gè)產(chǎn)業(yè)環(huán)境影響的56%，因此，減少高純多晶硅、硅片、電池片產(chǎn)品的電耗是降低晶體硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)環(huán)境影響的首要選擇。此外，組件產(chǎn)品中焊帶消耗、硅片產(chǎn)品中的砂漿消耗、組件產(chǎn)品的鋁合金邊框也是晶體硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)環(huán)境影響的重要因素，依次約占整個(gè)產(chǎn)業(yè)環(huán)境影響的5.1%、4.7%和4.0%，減少這些輔料的消耗是降低晶體硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)環(huán)境影響的另一途徑。
對(duì)結(jié)果的不確定性分析也是評(píng)估結(jié)果的重要途徑，該文采用蒙特卡洛分析來(lái)進(jìn)行不確定性分析，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，高純多晶硅、組件、硅片、電池片的標(biāo)準(zhǔn)誤依次為0.084、0.036、0.032、0.019，說(shuō)明高純多晶硅產(chǎn)品生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性較高，這與晶體硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的數(shù)據(jù)清單質(zhì)量評(píng)估結(jié)果一致，也與HUANG等的研究較為一致，這是因?yàn)楦呒兌嗑Ч璁a(chǎn)品生產(chǎn)中電耗的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度略低(σ為0.41)導(dǎo)致了其評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性較大。
a)面對(duì)日益復(fù)雜的環(huán)境問(wèn)題和精細(xì)化的環(huán)境管理需求，對(duì)產(chǎn)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了初探，即在產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，將功能單位和系統(tǒng)邊界設(shè)定基于“可拆解可組合”生態(tài)設(shè)計(jì)理念充分“碎片化”；數(shù)據(jù)收集過(guò)程增加質(zhì)量評(píng)估和數(shù)據(jù)整合；增加不確定性分析來(lái)驗(yàn)證數(shù)據(jù)合理性。開(kāi)展產(chǎn)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)將更好的有助于生命周期評(píng)價(jià)在結(jié)構(gòu)調(diào)整、方式轉(zhuǎn)型中提供科學(xué)支撐。
b)選擇晶體硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)的案例應(yīng)用，結(jié)果顯示:晶體硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)可劃分為4個(gè)產(chǎn)品單元和11個(gè)工藝單元，生命周期環(huán)境影響主要集中在呼吸系統(tǒng)影響、化石燃料、致癌和氣候變化4個(gè)環(huán)境影響類別，主要是由于耗電較多所致；節(jié)能降耗是降低環(huán)境影響的主要途徑，其中精準(zhǔn)化降低環(huán)境影響的途徑是減少高純多晶硅、硅片、電池片產(chǎn)品的電耗，組件產(chǎn)品中焊帶消耗，硅片產(chǎn)品中的砂漿消耗和組件產(chǎn)品的鋁合金邊框消耗。
c)通過(guò)蒙特卡洛分析評(píng)估了晶體硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性，結(jié)果顯示，高純多晶硅生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性較高，這與數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估的結(jié)果較為一致。
d)該研究對(duì)產(chǎn)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)的方法進(jìn)行了初探，主要對(duì)產(chǎn)業(yè)功能單位的劃分和產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)清單的收集進(jìn)行了研究，這其中仍有很多不足，后續(xù)還需要大量的研究來(lái)完善。
