归果生命周期评价方法及应用

郭 焱，刘红超，张 茜，郭 彬

（1．天津大学 管理与经济学部，天津 300072；2．太原理工大学 经济管理学院，山西 太原 030024）

0 引言

生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）作为一种成熟的环境影响评价工具，被广泛应用于能源、交通、建筑和包装等工业领域的产品和服务评价中。根据研究目的的不同，LCA可分为用于描述研究对象特性的归因生命周期评价（Attributional LCA，ALCA）和用于支持决策的归果生命周期评价（Consequential LCA，CLCA）。CLCA是20世纪末才萌芽的，并且在21世纪的头十年受到广泛关注。它的初期研究主要集中在ALCA与CLCA方法对比以及临界技术的确定两个领域。随着局部均衡模型（Partial Equilibrium models，PE）的引入，CLCA方法逐渐成熟，并出现了许多实证案例，涉及到农业、冶金、生物燃料等领域的产品和技术选择。作为PE模型的拓展，多市场—多地区局部均衡模型 （Multi－Market， Multi－Regional PE models，MMMR－PE）、可计算的一般均衡模型（Computable General Equilibrium models，CGE）可以考虑更复杂的市场情况，目前已成为该领域的研究热点。此外，考虑回弹效应和经验曲线的CLCA研究正在逐步深入，但仍无法完成定量分析。

虽然CLCA已经飞速发展，但是对于该领域的研究仍然不够成熟，缺乏标准化的CLCA方法和流程框架，这不仅是因为对归果生命周期评价的研究年限尚短，还因为其内部的复杂性所致。目前，国内还没有研究机构和学者对CLCA的理论和方法开展系统性研究，但CLCA在国外已经蓬勃发展，它对于决策者尤其是政府决策者制定相关政策时的价值不容忽视。本文试图对CLCA领域的相关问题展开研究，希望能有助于各类决策者采用CLCA来制定能源、环境以及社会可持续发展的相关政策。

1 归因与归果生命周期评价方法比较

ALCA主要描述与环境相关的物质流在生命周期及子系统中的流入与流出。CLCA旨在描述对于可能的决策与环境相关的物质流的改变［1］。ALCA模型即传统意义上的生命周期评价模型，它通过描述产品在生命周期内的能量流和物质流，能够为决策者提供关于产品系统能源及环境影响的全景描述。然而，当研究涉及技术选择等决策问题时，ALCA模型并不能给出非常理想的答案。这是因为ALCA模型旨在描述产品在生命周期过程中的实际能量流和物质流的情况，无法模拟系统边界之外的非物质流因素、间接产生的能源以及环境变化情况。以是否推广生物质燃料这一决策问题为例，通过ALCA方法，可以计算出生物质燃料产品从原料生产、加工到使用的整个生命周期过程中的实际能源消耗及温室气体排放量。结果表明，生物质燃料的全生命周期温室气体排放量明显低于传统汽油。事实上，生物质燃料的推广使得土地利用结构发生了改变，更多的土地用来生产生物质燃料作物，导致土地中的有机碳含量减少、二氧化碳排放量增加。由此可以看出，对于考虑复杂情况以及长期效应的决策而言，ALCA无法提供足够的信息。

鉴于ALCA模型在支持决策方面的局限性，一种主要用于进行决策的生命周期评价方法——CLCA模型逐渐发展起来，并成为生命周期评价领域的研究热点。它通过考虑市场因素尤其是产品替代效应，分析当产品系统发生边际变动时系统能源和环境影响的变化情况，这里的环境影响包括直接影响和间接影响。通过对产品系统进行CLCA，相关决策者可以获得某项技术选择或某项政策引起的市场范围内的能源和环境变化情况。与ALCA相比，CLCA具有以下特点，如表1所示。

表1 ALCA与CLCA的区别

总之，ALCA与CLCA没有本质区别，主要不同在于哪些过程应该包括在所研究的系统边界之内。对于ALCA而言，它仅仅包括对环境有影响的产品生产、消费、废弃和回收等环节的直接的物质流和能量流，即只将生命周期从摇篮到坟墓的全过程包括在所研究的系统边界之内，由此产生的分配问题通常使用系统扩张的办法来避免，或采用基于经济关系或者物理关系的分配方法来处理多输出过程。理想情况下，它应该包括生命周期内每个单元过程的平均数据。而CLCA方法能够将所有受边际变动影响的过程都包括在内，包括受边际变动影响的直接和间接物质流、能量流。在CLCA中，由于系统扩张，避免了分配问题的出现，理想情况下，CLCA使用边际数据。此外，要深入探讨CLCA，还必须了解情境建模在CLCA中的作用，学者们习惯使用情境模拟的方法来支持CLCA，为建立相应的情境模型提供科学合理的依据，这些情境模型考虑了影响产品生命周期决策的技术发展、市场变化、政策等其他相关的变量。

考虑到不论ALCA还是CLCA的研究都需要大量的数据，尤其对于CLCA而言，这更是一种挑战，切实可用的数据库和分析软件就显得十分重要，目前已经有许多这样的数据库和软件来支持人们的决策。许多国家、地区、行业的数据库也都已经建立。例如，瑞典的SPINE＠CPM数据库、德国的PROBAS数据库、日本的JEMAI数据库、美国的NREL数据库等。更多的数据库正在全世界范围内开发，例如，巴西、加拿大、中国、德国、马来西亚，泰国和其他国家［4］。在进行数据分析时，一般运用Excel或者是数据矩阵的逆阵等进行计算。此外LCA从业者还致力于专用LCA软件的开发，例如，美国阿贡实验室开发的GREET模型数据库，在其Excel表中详细给出了各种车用能源的全生命周期数据，极大地提高了车用能源全生命周期评价的效率。另外，还有很多适用的LCA软件，例如CMLCA，EIOLCA和MIET等，这些都可以为ALCA和CLCA的研究提供支持。

2 “临界技术”的确定与归果生命周期评价

最早关于CLCA的研究出现在1993年Weidema发表的有关生命周期清单（Life Cycle Inventory，LCI）分析的文章中。Weidama（1993）提出了比较型生命周期评价（comparative LCA）的概念［5］。比较型生命周期评价与追溯型生命周期评价（retrospective LCA）即ISO和SETAC框架下传统的生命周期评价不同，它主要用于分析产品系统发生边际变动时，系统生命周期内能源和环境影响的变化情况。Weidama认为，对于比较型生命周期评价，需要获得与临界技术（marginal technology）相关的环境数据，才能构造出合理的生命周期评价模型。在这里，临界技术被解释为“最有可能受边际变化影响的技术”。这里提到的技术是广义的，泛指各类技术、工艺、产品和服务等。以挪威电力供应为例，挪威主要通过水利进行发电。由于水利发电的产能及成本限制，当电力需求产生边际增加时，成本较低的化石能源发电需求就会增加，相应地会引起温室气体排放的增加。在这里，化石能源发电即为临界技术。因此，Weidama强调在进行LCI时需要充分考虑市场因素。Weidama提出的比较型生命周期评价作为CLCA的早期说法，确立了CLCA的基本思想。其中临界技术的概念也成为CLCA早期研究的重点。Weidama等（1999）提出一种确定临界技术的步进式方法。该方法具体可分为5个步骤，如图1所示［6］。

图1中有5个问题用来确定临界技术。问题1用来判别研究系统的时间跨度问题。在这里，短期指所研究的边际变动发生在现有生产能力之内，不会引起资本投资，长期则指引起新设备投产或旧设备淘汰等资本投资的情况。对于大部分生命周期评价研究而言，边际变动一般都会带来资本投资。这一特点在电子信息等资本周期较短的行业中尤为明显。当对问题1的回答为长期时，则进入问题2；若为短期，则进入问题4，继续确定所要检验的技术是否能引起现有生产能力下的生产量变动。问题2用来考虑边际变动所产生的影响是否直接影响到某项技术，或是通过改变市场的供求关系来对某项技术产生影响。当对问题2的回答为具体技术时，则该技术为临界技术，否则需继续进行问题3。问题3用来区分市场容量的变化趋势。如果市场容量在萎缩，则临界技术最有可能是那些陈旧的、缺乏竞争力的技术；反之，临界技术则多为具有竞争力的新技术。问题4用来排除不能满足足够产能变化的技术。问题5根据市场容量的变化趋势，选择最优或最差的技术为临界技术。确定临界技术后，利用与其相关的边际数据，就可以计算出边际变动产生的系统全生命周期影响。

3 归果生命周期评价及其在经济学中的应用

3．1 均衡模型与归果生命周期评价

现有的大部分CLCA实证研究都引入了经济学中的PE模型和一般均衡模型（General Equilibrium，GE）。PE模型是1920年阿尔弗雷德—马歇尔创立的，该模型在假定其他市场条件不变以及该市场的活动对其他市场很少有影响或者几乎没有影响的情况下，单个（或部分）市场供给与价格之间的均衡状态。GE模型是1874年法国经济学家瓦尔拉斯创立的，该模型在承认供求与市场上各种商品的价格和供求关系存在相互联系和相互影响的前提下，所有市场上各种商品的价格与供求关系呈均衡状态。GE模型同时决定所有市场的价格和数量，并将反馈效应考虑在内。一般均衡是经济学中局部均衡概念的扩展。在一个一般均衡的市场中，每个单独的市场都是局部均衡的。

Ekvall（2000a，2000b，2004）引用微观经济学中供求价格弹性的概念，建立了一个能够定量分析生命周期评价中“间接影响”的简化部分均衡模型。这里，“间接影响”指由于市场作用产生的环境影响。该文以废旧波状纸板为例，通过计算供求价格弹性，可以获得市场中废旧波状纸板对原生纸浆的替代率，进而求出由于两种产品产量变化所带来的间接环境影响［7－9］。Ekvall和 Andrae（2006）应用结合的局部均衡和生命周期评价模型，分析了由于电子业钎焊料禁令产生的间接环境影响。自此之后，很多研究都采用这种方法，对农业、能源、房地产等行业进行环境影响评价［10］。但是这种应用也存在一定的局限性，因为在应用CLCA方法进行研究时缺乏切实可用的边际数据，不得不使用平均数据进行研究，这在一定程度上影响了评价结果的可靠性。因此在以后的研究中获得切实可用的边际数据十分重要。另外，Ekvall和Andrae（2006）在研究中所采用的局部均衡模型较为简单，仅考虑了单一市场、单一地区内某两种产品间的替代作用。而MMMR－PE则可以处理更加复杂的情况，因此常被用来评价生物质燃料需求增长导致的间接土地利用变化（Indirect Land－Use Change，ILUC）问题。Searchinger（2008）借助一种涉及多市场多地区的部分均衡模型FAPRI－PE，对美国生物质燃料的生命周期温室气体排放进行了分析。研究结果表明，在考虑土地结构变化的情况下，相对于传统汽油，用玉米制乙醇路线的温室气体排放量并没有减少，反而增加了近一倍［11］。此后，美国环境保护局（US EPA）（2010）对Searchinger的研究进行了拓展，研究了美国发展生物质燃料等可再生能源的环境可行性［12］。CGE提供了另一种评价生命周期间接影响的方法。与PE不同，CGE模型涵盖了经济系统中的所有部门，因此其应用范围更广，同时也增加了细节数据的不确定性。Klφverpris（2009）提出了一个结合生命周期评价和GTAP模型的方法，用来分析农产品市场中的ILUC问题［13］。GTAP模型是一个可计算的一般均衡模型，它涉及57个经济部门和87个地理区域，考虑了市场中的供给、需求以及政策因素［13］。之后GTAP模型也被美国环境保护局用来分析发展生物质燃料的政策问题。

3．2 能源回弹效应和经验曲线与归果生命周期评价

回弹效应（rebound effects）一直是能源经济学研究与争论的焦点。能源回弹效应主要指能源使用效率的提高并未使能源消费减少，反而使能源消费增加。伴随能源使用效率的提高，在原有能源消费一定的情况下，对能源的消费必然减少，然而，能源使用效率的提高，往往会导致能源价格的降低，在一定程度上增大了能源消费量。如果能源消费增加量大于能源消费减少量，总体能源消费水平将会增加，进而产生能源回弹效应。经验曲线是单位成本对累计产量的关系轨迹。学习效应及与其密切相关的经验曲线效应表示了经验与效率之间的关系。当个体或组织在一项任务中拥有更多经验时，他们会变得效率更高，即单位成本降低。Sanden和Karlstrom（2007）将回弹效应（rebound effects）和经验曲线（experience curve）引入 CLCA 的研究中［14］。对于汽车用户，能源消费价格的降低也会促使其更多地使用汽车，行使更多的里程，从而产生更多的能源消费与温室气体排放。对于传统的CLC研究而言，回弹效应产生的能源消耗和温室气体排放并没有考虑在内，由此得到的环境影响结果并不能很好地作为进行决策或制定政策的依据。而在CLCA模型中，回弹因素有必要被考虑进来。Sanden和Karlstrom（2007）以氢能电动汽车技术为例，他们假设在未来的一个世纪中，传统的化石能源汽车技术仍旧占据绝大部分市场。在这种情景下，对于氢能电动汽车技术投资的生产经验也随之增加，从而技术成本也会降低，同时环境减排的程度对这项技术的投资成比例关系。他们认为考虑经验曲线的归果生命周期评价能够更好地评价氢能技术的减排潜力。目前，对考虑回弹效应和经验曲线的间接生命周期评价的研究正在逐步深入，但仍无法完成定量分析。

综上所述，CLCA实质上是传统的生命周期评价方法和经济学模型的一种结合，即在ALCA中融入经济学模型。虽然CLCA在21世纪的前十年迅速发展，但也不可避免地遇到一些挑战，应该制定明确的标准来界定到底哪些过程应该包括在CLCA研究的范围之内，以解决CLCA不确定性大的问题。同时，应该致力于更高性能的软件的开发以及更高标准的数据库的建立，以便为CLCA提供切实可用的边际数据，提高决策结果的可靠性。另外，要了解情境建模在CLCA中的应用，进一步区分ALCA和CLCA之间的区别。

4 结束语

本文对归果生命周期评价领域的相关问题展开了研究，重点比较了：①归因与归果生命周期评价方法；②“临界技术”的确定与归果生命周期评价；③部分均衡模型和一般均衡模型与归果生命周期评价；④能源回弹效应和经验曲线与归果生命周期评价。通过对归果生命周期评价相关问题的研究发现：①归果生命周期评价方法与部分和一般均衡模型以及能源回弹效应和经验曲线的经济学模型相结合，能通过考虑市场因素，尤其是产品替代效应，分析在产品系统发生边际变动时系统能源和环境影响的变化情况；②由于加入边际生产成本以及供需弹性等经济因素，使得归果生命周期分析在概念上更加复杂，一些归果生命周期分析的模型也不再像归因生命周期分析那样是线性或静态的，因而其结果对于假设更加敏感。因此，未来对归果生命周期评价模型的假设与构建，以及在评价流程与评价标准方面的假设，在目标和范围确定、清单数据分析以及影响评价方法等领域还存在数据不确定性、归果生命周期评价模型与PE和CGE以及其他经济学模型等相接合的问题。这些问题是下一步要研究的方向。

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