科尔尼快评： 工业品的设计环节如何脱碳？工业制造减碳在行动

工业制造行业的脱碳是全球节能减排事业的重要一环。科尔尼分享如何通过优化工业品的产品设计来最大化减少碳排放。

以电机为例，它是一种常见的工业品，消耗超过70%的工业用电，从而提供动力。科尔尼对电机进行产品拆解，并对三个关键部件提出的优化设计建议，可以把一台电机整个制造过程的碳排放从110.5千克减少到70.5千克。与此同时，制造成本则从411.5欧元上升到484.9欧元。另外，通过增材制造定子钢片堆将再减少3.1千克的排放量，同时增加356.2欧元的成本。

1 电机定子

从功能上看，定子不仅是电机最重要的组件，也是电机大部分温室气体排放的源头，还是电机的第二大成本要素。因此，对定子的任何设计改进都必须保证其能效表现和扭矩输出，因为这会影响电机在其整个生命周期内的碳排放量，这种影响远远超过生产过程中的排放。

在定子的材料和设计制造过程中，有三个潜在的减碳抓手。

在线圈叠片中用绿色钢材代替电工钢。目前，线圈叠片以电工钢为材料，其碳排放占定子总材料的85%，而使用绿色钢材可减少约36%的碳排放。

将冲压电工钢堆换成增材制造的线圈叠片将使定子的碳排放量减少约30%。

在绕组中使用再生铜可将碳排放再减少4%。

这些抓手都可以在不大幅变更部件设计的情况下实现，因为它们不影响定子的特征属性，例如磁场。当然，企业也可以采用更激进的变化。例如，用ELYSIS公司的零碳铝扁线绕组代替铜绕组，或引入印刷电路板 (PCB) 定子的轴向磁通设计，这些都将显著减少生产所需的铜和电工钢的数量。这些更实质性的变化将进一步降低产品的温室气体排放，但具体的影响需要经过更广泛的应用后才能被量化。 

2 PCBA

PCBA 是电机最大的成本驱动因素，也是其第二高的碳排放源头（见图 2）。但在PCBA上的设计改进可能很棘手，因为一方面PCBA的设计和相关软件要求相互依存，另一方面半导体和电子元件制造商的材料和工艺选择占PCBA排放量的大部分。

因此，要想显著减少PCBA的碳排放，主要机会在于优化软件，从而最大限度地减少计算能力和所需电子元器件的数量。

在软件优化的前提下，还有四个抓手可以在保证PCBA性能的同时减少碳排放。但由于上述原因，其影响仅限于1.1 千克当量，即大约6%。

将散热器的生产工艺从压铸改为挤出。

将生产从高碳排放的国家转移到低碳排放的国家（但在减少碳排放的同时也可能增加整体制造成本）。

在整个PCBA中使用再生塑料，以减少碳排放和材料成本。

从选择性焊接转为SMD焊接。

3 外壳

外壳仅占电机总重量和碳排放量的约10%，其影响较小（见图 3）。有以下两种抓手可以减少外壳的碳排放，而且对性能没有任何影响，对功能的影响也有限。

外壳主要由碳密集型铝制成，这种铝也应用于其他几个电机部件。在不影响任何材料特性的情况下，在整个电机（包括能源密集型烧结工序）中改用绿色铝材和钢材可以实现碳排放的降低。当然，也可以应用其他低碳排放材料，如高性能合成化合物。它可以进一步减少外壳的碳排放，但会改变外壳的一些热性能、机械性能以及可能影响电气特性，这又会带来大量的重新设计。

省去外壳上的涂层是少有的既能减少碳排放，又能节省成本的抓手。尤其在高工资国家，这将使加工成本显著降低，而在低工资国家它能带来的降本力度则有限。从技术角度来看，这一抓手也存在一些小缺点。首先，涂层有防腐性能，省去涂层后将无法在恶劣环境（如：盐水）中保护电机。其次，从制造商的角度看，它也可能影响品牌效应，因为鲜艳的外壳颜色可以提高产品的辨识度。当然，也可以探索其他替代方案，例如减少涂层的厚度。

前瞻

以上这些例子表明，使工业品脱碳不一定要付出高昂的代价。相反，企业可以根据成本的高低和实施的难易来确定这些抓手应用的优先次序。

有些抓手（如：省去外壳上的涂层）甚至还能降低成本，但其他一些抓手则需要企业深入了解其性能影响，进行更细致的开发以及更密集的测试（如：用铝扁线绕组代替铜绕组）。

最后，这些碳减排的抓手还有一个共同点：需要组织层面的保障。也就是说，需要企业在战略上为可持续发展做好准备，采用旨在减少产品碳排放的运营模式。

作者： 

Dominik Leisinger，科尔尼公司全球合伙人

Arndt Heinrich，科尔尼公司全球合伙人

Denis Hübner，科尔尼公司董事

Tobias Albers，科尔尼公司咨询顾问

感谢科尔尼咨询顾问王炜悦对于本文做出的贡献。