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环境工程

生命周期评估 (LCA) 模拟器

实时汇总产品从材料制造到废弃和回收的CO₂排放量(从摇篮到坟墓Cradle-to-Grave)。通过改变产品质量、电力网强度、使用年数和回收率,各阶段的贡献即刻改变,可快速找到碳足迹降低的热点。

参数设置
产品质量 m
kg
材料制造CO₂单位
kg-CO₂/kg
钢:2.0/铝:8~18/塑料:2~5/CFRP:25
制造能耗
kWh/kg
铸造、切削、组装单位质量电耗
电力CO₂强度
kg-CO₂/kWh
日本平均0.45/法国0.05/澳大利亚0.9
使用年数 t
year
年度使用能耗
kWh/year
家电200~800/商用5000~20000
回收率
%
按原生材代替计入碳信用
计算结果
材料制造CO₂ (kg-CO₂)
加工制造CO₂ (kg-CO₂)
使用阶段CO₂ (kg-CO₂)
回收碳信用 (kg-CO₂)
生命周期合计 CO₂ (kg-CO₂)
年度CO₂ (kg-CO₂/year)
Cradle-to-Grave 流程 — 阶段性CO₂可视化

从材料到制造、运输、使用、废弃/回收的5个阶段从左向右流动显示。柱子高度表示各阶段CO₂量(粒子实时流动)。

阶段性CO₂排放贡献
累积CO₂ vs 使用年数
理论·主要公式

$$\text{Total CO}_2 = E_{material} + E_{mfg} + E_{use}\cdot t + E_{EoL} - C_{recycle}$$

从摇篮到坟墓合计排放量。E_use·t是使用阶段的年数累积(年度电力×电网CO₂强度×使用年数)。C_recycle是回收材料替代原生材的负计入(kg-CO₂)。

$$E_{material} = m \cdot k_{mat}, \qquad E_{mfg} = m \cdot e_{mfg} \cdot g$$

材料制造排放E_material是质量m×材料单位k_mat。加工排放E_mfg是质量×加工电力e_mfg×电网CO₂强度g。

$$E_{use} = U_{annual} \cdot g, \qquad C_{recycle} = m \cdot r \cdot k_{cred}$$

年度使用排放是年度电力U_annual×g。回收碳信用是质量×回收率r×替代单位k_cred(本工具暂设2.0 kg-CO₂/kg)。

生命周期评估 (LCA) 概述

🙋
最近经常听到"碳足迹"这个词,它和LCA有什么区别吗?产品上标注的CO₂值就是那个吧?
🎓
问得好。碳足迹(CFP)是"LCA中只考虑CO₂等温室气体的结果"。LCA本来是包括资源消耗、水使用、大气污染、酸化等多项评估的框架,由ISO 14040/14044标准化。从摇篮到坟墓(Cradle-to-Grave)评估全阶段是基础。本工具虽然只关注CFP,但思路就是LCA。
🙋
明白了!那么计算产品CO₂时,什么影响最大?是材料还是制造用电?
🎓
这正是LCA最有意思的地方——不同产品的主导阶段完全不同。比如空调、冰箱持续消耗电力,10年使用下来使用阶段占比超80%。而塑料瓶、纸箱这样的包装,使用中几乎不消耗能源,所以材料制造占70%以上。你试试把左边的"年度使用能耗"改成0,你会看到材料和制造一下子成为主导。
🙋
确实!能耗设成0后材料占比大增……可是电力CO₂强度改成0.05(像法国那样),使用阶段CO₂就大幅下降。这不是设计问题,而是地点问题吧?
🎓
说中了!这正是LCA最有争议的地方。电力网CO₂强度因国家、地区、购电类型、时段而异,差异达10-20倍。同样的家电在法国(原子能为主,约0.05 kg-CO₂/kWh)和以煤炭为主国家(约0.9 kg-CO₂/kWh)使用,结果完全不同。所以企业采取"用可再能源100%电力驱动工厂"、"按销售地区分别出LCA报告"这样的对策。仅靠设计无法完全解决的现实。
🙋
回收碳信用以负值抵扣也挺有意思。那如果回收率设成100%,是不是CO₂就抵消为零了?
🎓
遗憾的是没那么简单。本工具用2.0 kg-CO₂/kg做碳信用,但这是基于"回收材料代替原生材,将来回避的制造排放"的假设。实际上回收本身也要耗能,而且品质下降(降级回收)很常见。ISO 14044定义了多种计入方法(割线法、回避负荷法、PEF循环足迹式),选哪种结果会差2-3倍。对标时必须明确计入方法并用统一规则比较多个方案。

常见问题

LCA是由ISO 14040/14044标准化的方法,用于定量评估产品从"摇篮到坟墓(Cradle-to-Grave)"的环境负荷。评估范围包括材料采取、原料制造、零件加工、运输、使用和废弃/回收全阶段的资源消耗、能源使用和温室气体(GHG)排放。本工具专注于CO₂排放量(kg-CO₂e),并可视化各阶段的贡献。适用于设计初期的估算和可持续性报告书、碳足迹标签的前期评估。
制造能源和使用阶段的电力消耗所产生的CO₂排放量取决于使用的电力来源。例如,法国(原子能为主,约0.05 kg-CO₂/kWh)和以煤炭为主的国家(约0.9 kg-CO₂/kWh)在相同电力消耗下的CO₂排放量相差15-20倍。日本平均约0.45 kg-CO₂/kWh。产品的设计和销售地区、电力采购(可再生能源菜单)、运行时间(午间太阳能充足的时间段)会大大改变LCA结果,因此敏感性分析至关重要。
回收碳信用是指回收的材料用作原生材料替代品时的效果,以"负排放"的方式计入。本工具采用productMass × recycleRate × 2.0 kg-CO₂/kg作为碳信用。但ISO 14044规定了多种计入方法(割线法、回避负荷法、PEF循环足迹式等),结果会有所不同。在比较目的下,必须明确说明计入方法,并用相同规则比较多个方案。
一般来说,空调、冰箱、电视等在使用中持续消耗能源的家电产品,使用阶段占全生命周期CO₂的60-90%(如空调、冰箱、汽油车)。而建筑材料、家具、包装材料、衣服等使用中能源消耗不大的产品,材料制造阶段占50-80%。通过本工具的阶段性贡献图可以确认您的产品属于哪一类,然后针对主导阶段采取改进措施(省能化/轻量化和材料替换)会更有效率。

实际应用

家电、电子产品生态设计:空调、冰箱、电视等使用阶段主导,10年使用下使用阶段CO₂占全体的70-85%。设计阶段可以通过"待机功耗从0.5W→0.1W"、"变频器化年度消耗电力削减30%"这样的改善获得巨大效果。用本工具调整"年度使用能耗"滑块,可以直观看到累积CO₂曲线斜率的变化,省能设计的价值一目了然。

电动车vs内燃机车对比:电动车使用阶段零直接排放看似有利,但电池制造(锂矿开采、正极材合成、组装)排放巨大,制造阶段CO₂是内燃机车的1.5-2倍。用LCA公平比较,走行里程超过5-8万km后电动车才逐渐CO₂领先(电力网清洁度影响巨大)。设计判断不是终点——"在哪、用多久、怎么用"才决定最终结论。

建材、包装碳中和:保温材料、混凝土、纸箱、PET瓶等使用中不消耗能源的产品,材料制造阶段几乎是全部CO₂。减碳策略集中在"提高回收材料比率"、"轻量化"、"原料改用低碳工艺(电炉钢、绿色水泥、生物塑料)"。用本工具改变"材料制造CO₂单位"可直观看到材料替换的效果会直接反映在合计值上。

循环经济设计:易拆解结构、单一材质、基于回收重用前提的设计能提高LCA中的回收碳信用项(负排放)。Apple、Dell公开的产品LCA报告中量化了"拆解性改善带来30%回收率提升"的效果。用本工具把回收率从30%调到70%,可以看到最终CO₂下降多少。

常见误解及注意事项

最大陷阱是"用全国平均电力CO₂强度"。现实中销售地、地区、购电菜单(可再生能源100%)、时段差异达10-20倍。同一产品在法国(约0.05)和澳大利亚(约0.9)销售的LCA结果完全不同。而且产品寿命期间电网持续脱碳的情景(IEA NetZero等)考虑进去,新家电的未来使用阶段CO₂会下降,延长寿命设计的价值上升。必须做电力强度敏感性分析。

第二个陷阱是"过度计入回收碳信用"。本工具暂设2.0 kg-CO₂/kg,但实际回收本身耗能,而且降级回收(饮料PET→衣料纤维,无法回到原用途)常见。ISO 14044定义多种计入法(割线法、回避负荷法、PEF循环足迹式),选法会差2-3倍。"回收率100%所以CO₂近乎零"的宣传多数是绿色洗白。

第三个陷阱是"不统一功能单位比较"。LCA铁律是"比较提供相同功能的CO₂"。比如纸杯vs陶杯,纸杯一次用,陶杯500次用,功能单位应该是"500次饮用机会",陶杯1个制造CO₂应和纸杯500个合计比。"单个产品CO₂"比较时纸杯常胜,但统一功能单位后陶杯往往更有利。本工具是单产品评估,多案比较时要留意功能单位。

使用指南

  1. 以千克为单位输入产品质量。例如铝合金汽车零件2.5kg、钢框架15kg等
  2. 输入材料制造时的CO₂排放系数。铝12 kg-CO₂/kg、钢2.1 kg-CO₂/kg、塑料3.5 kg-CO₂/kg为标准值
  3. 指定加工制造所需电力(kWh)并选择电力网构成。日本电网平均0.498 kg-CO₂/kWh、可再生能源0.05 kg-CO₂/kWh自动计算
  4. 模拟器汇总材料制造CO₂、加工制造CO₂、使用阶段CO₂、回收碳信用,显示生命周期合计和年度CO₂

具体计算示例

铝制汽车散热器(质量0.8kg)的LCA计算:材料制造CO₂=0.8×12=9.6 kg-CO₂,加工制造消耗3kWh日本电网0.498=1.49 kg-CO₂,使用阶段15年散热损失减少30 kg-CO₂,回收率85%铝碳信用6.8 kg-CO₂扣除。生命周期合计=9.6+1.49-30-6.8=-25.7 kg-CO₂(碳负值),年度-1.7 kg-CO₂/year

实务注意事项