碳足迹与节能减排

碳足迹与节能减排

聂祚仁

1963年生,教授/博导,教育

部/长江学者0特聘教授:获国家

杰出青年科学基金资助,主持国

际合作和国家973、863等科研项

目,开拓替代毒害、循环再生的

环境友好材料与生命周期评价

(LC A)研究;受E lsev i er期刊等邀

请撰写综述,担任Int J LC A(德

国)国际编委;2002~2004年被东

京大学、名古屋大学聘为客员教

授;出版专/译著5部,在SCI/E I

收录的杂志上发表论文150篇,他引500余次;发明专利30多

项,获国家技术发明二等奖2项和国家科技进步一等奖1项、国

家级教学成果二等奖1项等;/全国五一劳动奖章0获得者,兼任

科技部工业领域节能减排总体专家组副组长等。

/节能减排0、/低碳经济0、/气候变化0已被人熟

知,而其基本的量化参数,即碳的排放量和对气候变化

的影响,如何科学度量?碳足迹是衡量温室气体排放情

况的一项重要指标。碳足迹(Carbon Footpri n t)表征由人

类生产与消费行为引起的直接与间接的温室气体排放

量,作为一个随着气候变化问题日益突出而流行的新名

词,它用/足迹0形象地说明了我们每个人都在日益增

加的温室气体中留下了自己的痕迹。近年来,随着国际

相关组织和发达国家的大力推行,碳足迹开始在工业节

能减排、产品生态标识和国际碳交易等领域广泛应用。

1碳足迹的起源与定义

碳足迹一词由生态足迹(E cological Footpri n t)一词

衍生而来,目前国际上各个国家、组织对碳足迹的定义

不尽相同[1-4],但反映的核心思想均是表征由人类生产

与消费行为引起的最终会导致气候变化的气体排放量。

碳足迹需要衡量产品全生命周期内直接和间接的气

体排放物。导致气候变化的气体并非只有二氧化碳一

种,还包括甲烷、氧化亚氮、全氟化碳等所有温室气

体。在同等质量下,这些气体造成的温室效应通常远高

于C O

2

(全氟化碳造成的温室效应是相同质量的二氧化

碳的6500~9200倍)[5]。而主要的温室气体排放,有

时恰恰源于开采与运输等过程的间接排放。以土地使用

为例,据统计在近百年来人类行为造成的陆地生态系统

向大气碳库的碳排放中,70%左右均由于土地覆盖变化

引起的土壤储碳能力下降。

2碳足迹的计算方法简介

环境毒理学与化学学会(S ETAC)欧洲生命周期评价

(LC A)指导委员会于2008年讨论了对于碳足迹衡量方

法的需求及相关标准,认为根据I S O14040系列标准,

现行的LCA方法完全可以计算与产品相关的温室气体

排放量[6]。碳足迹可视为LC A中关于全球变暖潜力

(GWP)的评价结果。目前主要使用的碳足迹计算方法

可以分为:流程分析法(P r ocess Analys is,P A)和输入输

出分析法(E cono m ic Input2O utpu,t E I O)。

211流程分析法(PA)

该方法从产品端向源头追溯,连接与产品相关的各

个单元过程(包括资源、能源的开采与生产、运输、产

品制造等),建立完整的生命周期流程图,再收集流程

图中各过程单元的温室气体排放数据,并进行定量的描

述,最终将所有的温室气体排放统一使用C O2作为当量

表征。不同温室气体之间的转换可参照间气候变化

专门委员会(I PCC)组织发布的温室效应当量因子[5],

见表1。完整的流程分析方法计算较为精确,多用于评

估产品或企业的碳足迹;而简化的流程分析法的操作性

较好,多用于评估个人或是家庭的碳足迹情况。

表1IPCC发布的各类温室气体的当量因子[5]

温室气体当量因子单位

二氧化碳(CO

2

)1C O2-eq

甲烷(C H

4

)21C O2-eq

一氧化二氮(N

2

O)310C O2-eq

六氟化硫(SF

6

)23900C O2-eq

氢氟碳化物(H FCs)12~11700C O2-eq

全氟化碳(PFCs)6500~9200C O2-eq

212输入输出分析法(E I O)

与P A相反,E I O从源头(原材料开采、农作物种植

等)开始向后延伸,直至最终废弃。评价中使用国家层

面各个部门(采矿、运输、产品制造、销售等等)的平

均数据,并通过将产品相关部门间的供应链强度相乘来

计算整个系统的碳足迹。该方法数据收集简单,在分析

宏观碳足迹上有着明显的优势,主要用于城市或国家层面的碳足迹计算。

3 碳足迹计算的意义与发展现状

311 碳足迹计算的意义

碳足迹的计算对碳减排有着重要的指导意义。对于、企业而言,确定碳足迹是减少碳排放行为的第一步,它能帮助企业辨识自己在产品生命周期中主要的温室气体排放过程,以利于制定有效的碳减排方案。而在方案制定过程中,根据碳足迹的分析结果,还可以预测拟采用的减排措施会对目前的温室气体排放情况的影

响,从而实现对不同拟减排措施的择优与改进。企业还可以通过碳足迹的计算宣传自己的碳减排行动。而对于公众而言,碳足迹更注重从个体的角度看待碳减排,有意让公众认识到减少碳排量不仅仅是、企业等组织的行为,更且是每个公民的责任。通过碳足迹计算器等工具,可有效地引导公众自发地进行碳减排,自觉抵制/高碳足迹0产品,减少浪费是促进生产端碳减排的最有效措施,而且从消费端考虑问题,也可以改变发展中国家需要承担全部产品生产造成环境污染的被动局面。312 碳足迹的发展与应用现状

国际上已有较多组织在大力推行碳足迹的应用。UNEP /SETAC L if e Cycle I n itiati ve 在2007年成立了碳足迹专项研究组,讨论碳足迹的具体计算方法与应用领域

[7]

;世界可持续发展工商理事会与世界资源研究所共

同完成了关于全生命周期温室气体的计算和审计标准)))温室气体盘查议定书(G H G Protocol),目前在世界范围内具有较高的认可程度

[8,9]

。世界标准化组织也

预计将在2011年推出IS O14067标准,规范国际上的碳足迹计算[10]。日本、英国、美国等国家也相继开展了碳足迹的相关评价研究[11-15]

。目前,碳足迹在应用方

面可以分为个人碳足迹、产品/企业碳足迹和国家碳足

迹三大层面。

(1)个人碳足迹 个人碳足迹计算是以个人消费结构、

能源用量、交通型态等为依据,配合碳足迹计算器,评估个人或家庭日常生活的温室气体排放量,主要用于指导公众自发的碳减排行为。英国的环境、食品管理机构于2007年6月首先发布了针对个人或家庭的碳足迹计算器,随后,美国、德国等也纷纷引入,这些工具可以使公众随时计算自己每天生活中排放的二氧化碳量,并同时提供减小碳足迹的方法与对应的碳抵消(Car bon O ff sets)途径。

(2)产品/企业碳足迹 产品碳足迹是计算产品在原材料开采、运输、产品制造、使用、直至最终废弃等阶段中因燃料使用以及制造导致的温室气体排放量。目前碳足迹在产品中的应用主要体现在:产品的碳足迹分析与对比、产品的碳减排潜力分析及产品的碳足迹生态标识。以产品的生态标识为例,英国的Car bon Trust 公司在2007年发起了首个碳标识工程/Car bon 2R e ducti on La 2bel 0,要求制造商在包装上明确标识产品的碳足迹与未来两年的减排承诺。目前该标识已经涵盖超过数百种产品,并与I S O 、WR I/WBCS D 等组织合作,预计此标准将在2010年全球化

[16,17]

,类似的工程在澳大利亚(Car 2

bon Reduction I nstitute)、加拿大(Car bon 2Counted )、欧洲(Ecologee N et)以及美国(The C lm i ate Conservancy)也相继展开。而企业碳足迹相较于产品碳足迹更为复杂,在产品碳足迹的基础上,还增加了非生产性的活动,例如相关投资、企业管理等的碳排放量的计算,为企业的决策提供依据。

(3)国家碳足迹 国家碳足迹着眼于整个国家的总体物质与能源的耗用所产生的温室气体排放量,这种计算与个人的碳足迹相反,通常从生产端考虑,即计算一个国家每年实际产生的温室气体总量。例如,哥本哈根会议上公布的世界资源研究所计算的全球主要温室气体排放国与人均碳足迹,见图1。从图1中可以看出,

2009年

我国温室气体排放总量虽居世界首位,但人均碳足迹仍远低于大部分主要碳源国。应该注意的是,碳足迹在工业或国家层面的应用,

不能只考虑排放可能造成的气候

图1 世界主要碳源国温室气体排放总量与人均碳足迹

4碳足迹在材料工业节能减排中的应用

411材料产品的碳足迹计算意义重大

我国材料产业能源消耗总量巨大,约占到整个工业能耗的75%左右[18],主要材料品种的平均单位能耗和碳排放与国际先进水平仍存在一定差距,减排空间巨大。积极开展材料领域的碳足迹分析,寻找在产品设计、生产和供应等过程中降低温室气体排放的机会,指导宏观产业结构调整与碳减排措施制定,对实现我国温室气体减排目标具有重要意义。

412土地覆盖变化的碳排放计量不可忽视

在碳足迹的计算中,若不考虑产品在生命周期中的土地使用造成的间接碳排放,可能会造成评价结果与实际情况产生较大偏差[19,20]。2008年Sc i ence上发表的一篇对生物燃料与化石燃料的碳足迹比较研究显示[21],虽然生物燃料无论从能源的角度或是温室气体排放的角度均优于化石燃料,但其在农作物种植阶段,开垦耕地引起的土地覆盖变化会一次性造成大量的碳排放,根据使用土地类型不同,其排放量最多可以达到每年由生物燃料替代化石燃料减少温室气体排放量的423倍,也就是说可能需要几个世纪才能完全抵消土地覆盖变化造成的气候变化影响。有关估算认为[22],一百多年来土地覆盖变化引起的温室气体排放约占到同期人类活动总排放量的1/3。尤其是对于一些土地依赖型产业,与土地使用相关的碳足迹会占到产品碳足迹总量的很大部分。

5结语

/碳足迹0作为一项新兴的温室气体排放量计算方法,结果直观,易于理解与接受;计算数据需求较少,可以简便地计算出个人或家庭在一段时期内造成的温室气体排放;从消费端来计算环境影响,提供了一种新思路。

材料产业的碳减排是我国节能减排工作的重中之重,碳足迹作为目前国际上碳减排的主要决策依据,也必将在未来发挥重要作用。而在进行综合性决策时,碳足迹不应该成为环境问题唯一的衡量标准,还需要与其它综合评价工具(如LC A方法)相互配合。

致谢感谢5中国材料进展6杂志的特别邀请和刘宇、孙博学博士研究生对本文的共同探讨。

参考文献R eferences

[1]W ied m ann T,M i nx J.A Defi n iti on of/Carbon Foot p ri nt0[M]//

Perts ova C C.E colog i cal E cono m ics Res e a rch Tre nd s.H auppauge NY:Nova Scie n ce Publi shers,2008:1-11.

[2]UK Car bon T rust.Carbon F oot prin ti ng:An In t roduction for Or g an i2

s ati on s[R].UK:Carbon Tru st,2008.

[3]Europ ean Co mm issi on.Carbon F oot print2W ha t It Is and H o w to

M e a s ure It[EB/OL].[2010-01-04].http://lca.j rc.ec.

e u ropa.eu/Carbon_footpri nt.pd.f2007.

[4]ETAP.The Carbon TrustH el ps U K Busi ness es Reduce t h eir E nviron2

m ental I mpact[EB/OL].[2010-01-04].h tt p://ec.eu ropa.

eu/envi ron m en t/etap/pdfs/j an07_carbon_trust_i n iti ati ve.

pd.f2007.

[5]Intergovernm entalPanel on Cli m ate Change(I PCC).2006Guidelines

for Na tiona l Gree nhouseGas Inven t ories(2006年国家温室气体清单指南)[M].G eneva:I PCC,2006.

[6]Internati onal O rgan iz ati on for Standardizati on(IS O).IS O In te rna2

ti ona lStandard14040:Environ m entalManag e m e n t2Li feCycleAs ses s2 m e n t2P ri nci ples and F ram e work[M].Geneva:Internati onal Organ i2 zati on f or Standard iz ation,1997.

[7]SETAC Europe LC A Steeri ng Co m m ittee.Standard i sation E fforts to

M easure Greenhouse Gases and/Carbon Foot p ri nti ng0f or Products [J].In t J L CA,2008,13(2):87-88.

[8]Bhati a Panka,i Ranganat h an Janet.A Corpora teAccoun ting and

Re porting Standard[M].W ash i ngton:W orl d Resou rces In stitu2 te,2004.

[9]W orl d Resources I n stitute,W orl d Bus i nes s Council For Su stai n2

ab le Deve l opm en t.Th e G H G P rot ocolfor P roje ctAc coun ting[M].

W as h ingt on:W orl d R esou rces Instit u te,2005.

[10]F i nkbeiner M.Carbon Foot p ri n ti ng)Opport un iti es and Th reats

[J].Int J LCA,2009,14(2):91-94.

[11]Johnson E.Ch arocal vers u s LPG Grilli ng:A Carbon2Footprint

Comp arison[J].Envi ronm ental I mpact As s es s m ent Re vie w,

2009,29(6):370-378.

[12]G i urcoD,Petrie J G.Strategi es forR educi ng t he Carbon Foot p ri nt

ofCopper:N e w Technol ogyies,M ore Recycli ng or De m and M an2 age m en t?[J].M i n e rals E ng i neering,2007,20(9):42-853.

[13]J ohnson E.D isagree m en t over Carbon Foot p ri n t s:A Co m paris on

o f E lectri c and LPG Fork lifts[J].E nergy P olic y,2008,36

(4):1569-1573.

[14]W el ch B,IffertM,K azacos M S.App l ying Funda m en tal Dat a

to R educe the Carbon D i oxi d e Foot p ri nt of A l um i num S m elters [J].J ourna l o f t heM inera ls,2008,60(11):17-24. [15]Britis h St andards I n stituti on.PA S2050Sp e ci fic a tion for t he As2

ses s m ent of the Life Cycle Greenh ou s e Ga s Em iss ion s of Good s and Services[M].UK:Britis h St andards Instit u tion,2008.

[16]Carbon Tru st.Carbon F oot p ri n tM e a s ure m en tM et h odology[R].

London:Carbon T rus t,2007.

[17]Carbon Tru st.Carbon T ru stCarbon T ru s t Labelling Sc h e m e Rolls

Ou t across the Coun t ry[R].London:Carbon T rust,2007. [18]N ational Bureau of Statistics(国家统计局).Ch i na S t a tisti ca lYearbook i n2008(中国统计年鉴2008)[M].Beiji ng:Ch i na St ati stics Press,2008.

[19]Baum ertK A,H erz og T,Persh i ng J.Gree nhou s e Ga s Da t a and

In t erna tiona l Cli ma te Policy[M].W ash i ngt on:W orl d Re2 sou rces Ins tit u te,2005.

[20]Greenha l gh S,Dav i et F,W en i nger E.Th e Land Use,Land2

Us e Ch ang e,and F ores try Gu i dan c e for G HG P roject Accoun ti ng

[M].W as h i ngt on:W orl d R esou rces Instit u te,2005.

[21]Fargi on e J,H ill J,Til m an D,et al.Land Cleari ng and t he Biofuel

Car bon Debt[J].Scienc e,2008,319(5867):1235-1238. [22]IPCC.Land Use,Land2Use Chang e and F orest ry[R].Gen e2

va:IPCC,2000.

西安交通大学学者发现金属孪晶变形的强烈晶体尺寸效应)))孙军教授等完成的论文在5N at ure6上发表

西安交通大学金属材料强度国家重点实验室微纳尺度材料行为研究中心研究生余倩,在导师孙军教授、肖林教授、马恩教授和单智伟教授的悉心指导下,与美国宾夕法尼亚大学李巨教授、丹麦瑞瑟国家实验室黄晓旭博士合作,对微小尺度金属单晶材料中的孪晶变形行为及其对材料力学性能的影响进行了深入的研究,发现了单晶体外观尺寸对其孪晶变形行为的强烈影响,以及相应材料力学性能的显著变化。此项研究成果已在2010年1月21日出版的5N ature6杂志上发表。论文评审人对此项研究中所完成的大量首创性的工作给予了高度评价,认为文章的作者们在材料力学性能尺度效应的研究方面取得了重大进展。

伴随着微电子元器件与微机电系统(ME MS)等技术的进步,所用材料外形特征尺寸的下限也逐渐减小至亚微米甚至纳米量级,而该尺度正是材料塑性变形基本物理机制作用的空间范畴。也就是说,微纳尺度材料中,材料变形载体的特征尺度,如位错线与孪晶缺陷的特征尺度与作用空间,开始和材料的外部几何尺寸处于相似量级。比如块体钛合金中变形孪晶的尺度一般在011~ 10L m之间。当具有不同尺寸的微元器件中零部件所用材料的外形几何尺寸与其相近时,孪晶是否仍然会发生?其临界条件和性能是否会随尺寸而改变?等等,这些都是当前材料科学领域的前沿性课题和令设计工程师们异常感兴趣的问题。因此,如何准确地测量和表征这些微小器件在制备和服役过程中的力学性能,成为其事关设计、制备及安全使用的关键性课题,也是材料科学发展所必须面对的挑战。以前这一方面的研究主要集中在位错的滑移行为,而材料的另一种重要塑性变形方式)))孪晶在微小尺度材料中的成核与演化过程,却鲜有报道。此外以位错变形为主导的多晶金属材料存在一定的临界尺度。当材料的晶粒尺寸小于该特征尺度时,描述材料力学行为的经典H all-Petch幂律关系,即/尺寸愈小、强度愈高0,将不再适用。描述孪晶变形的H all -Petc h幂律关系的斜率通常要比位错滑移变形的大很多,也就是说,孪晶变形应表现出更强的尺度依赖性。

文章的作者们通过巧妙的实验设计,基于六方晶体结构金属孪晶、位错滑移变形的特异性,选取钛-5%铝合金单晶中以孪晶变形为主导塑性变形方式的晶体取向,利用纳米压入仪下微柱体压缩与相应的透射电镜原位定量变形表征技术,有针对性地研究了孪晶变形在微小尺度材料中的行为规律和机理。结果发现,当外观几何尺度减小到微米量级时,与相应宏观块体材料相同,材料的塑性变形仍以孪晶切变为主,但材料的屈服强度及其塑性变形中能够承受的最大流变应力均有显著提高,分别达到其宏观值的近5倍和近8倍,表现出很强的尺度依赖性。其实验测定的H all-Petc h幂律关系指数接近于1(远高于多晶的015)。

当晶体的外部几何尺度减小到亚微米量级时,材料的塑性变形方式发生了根本性的转变。受尺寸孪晶变形被完全抑制,并由位错滑移变形取而代之。发生这一转变的临界特征晶体尺寸为1L m左右(远大于多晶纳米材料强度极值20n m)。小于该临界尺寸,H all-Petc h 幂律关系将不再适用,材料所能承受的最大流变应力接近于所用材料理想强度水平。意味着块体材料原本由于存在晶体缺陷而无法达到的理论强度已经被触及。更为重要的是,这种转变的特征尺度是在微米向亚微米过渡的范围,即小尺度材料在微器件和微机电系统等实际应用的重要尺度范围。由此,文中提出了与光学物理/受激辐射0效应类似的、以螺位错为媒介的孪晶变形/受激滑移0模型,得到H all-Petch幂律指数的理论值为1,与实验值吻合良好。并且由于仅有1%左右的位错可以作为极轴,而晶体尺寸愈小,就愈难于利用螺型位错的极轴作用将两个相邻的滑移面有效地耦合在一起而形成孪晶,完美地解释了孪晶变形具有强烈的晶体尺寸效应和/尺寸愈小、强度愈高0的内在原因。

该项研究得到了国家自然科学基金与973计划项目以及国家外专局/教育部首批学科创新引智(111)计划项目的共同资助。(本刊通讯员)