《Journal of Cleaner Production》：Revealing the material flows and embodied GHG emissions of carbon fibers industry in China from 2000 to 2060
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本研究基于物质流分析与温室气体核算模型，量化分析2000-2060年中国碳纤维产业碳排放，评估21种情景下减排潜力。结果表明：生产阶段贡献最大（96.14%），回收率提升贡献率达27.02%，强调建立回收系统对碳减排的关键作用。
甘晶晶|张思源|谢成|马春燕|沈晨曦|徐晨烨|李芳|刘广新
华东大学环境科学与工程学院，生态环境部纺织污染控制工程中心，上海，201620，中国
摘要
碳纤维（CF）是低碳能源转型中不可或缺的关键材料，然而关于碳纤维的流动、库存及其生命周期内相关温室气体（GHG）排放的研究仍然有限。本研究将物质流分析（MFA）与温室气体核算模型相结合，量化了2000年至2060年中国碳纤维行业的温室气体排放，并评估了21种不同情景下的减排潜力。结果表明，碳纤维产品的表观消费量从2000年的1.91千吨增加到2023年的44.35千吨。2000年至2023年间，碳纤维行业的累计温室气体排放量为1312万吨二氧化碳当量，其中2023年 alone 就排放了364万吨。生产阶段占据了最高的温室气体排放量（96.14%），能源消耗是主要的排放来源（77.14%）。根据情景模拟，预计到2060年，在最低排放情景下，中国碳纤维行业的温室气体排放量将降至128万吨二氧化碳当量；而在最高排放情景下，这一数字可能上升至1967万吨二氧化碳当量。在所有单独的减排措施中，提高回收率显示出最大的减排潜力，占总技术减排潜力的27.02%。这突显了建立碳纤维回收系统在实现碳纤维行业脱碳中的关键作用。
引言
碳纤维（CF）由于其优异的机械性能、出色的耐腐蚀性和高热稳定性（Das等人，2016年；Upadhyayula等人，2022年），在航空航天、纺织、体育、汽车和风能等多个领域发挥着重要作用（Zhang等人，2023年）。据预测，全球碳纤维市场将从2023年的34亿美元增长到2050年的521.6亿美元（Analytica，2024年）。中国已成为碳纤维行业的全球领导者，其全球市场份额从2015年的17.6%上升到了2023年的47.7%（Lin，2023年）。尽管该行业为国家战略的实施和生产高端设备提供了材料基础（Li等人，2020年），但它面临着重大的环境挑战。例如，碳纤维的生产能耗较高（100-900 MJ/kg），并且会产生大量的温室气体排放（24 kg CO2 eq./kg），远高于钢铁（20-30 MJ/kg 和 1.7-2.1 kg CO2 eq./kg）和玻璃纤维（45 MJ/kg 和 2.0-3.0 kg CO2 eq./kg）的排放量（Dér等人，2021年；Khayyam等人，2021年；Yelin，2014年；Zhang等人，2024年）。双碳目标的提出（碳达峰和碳中和）推动了对碳纤维在各种应用中的需求增加。例如，在风能领域，碳纤维正在取代玻璃纤维以提高发电效率（Jiang等人，2022年）；而在汽车制造领域，碳纤维被用于轻量化以提升燃油效率（Ahmad等人，2020年）。然而，碳纤维产量的增加可能会导致大量的温室气体排放。因此，全面分析中国碳纤维的生产和应用演变对于减少其温室气体排放和促进该行业的低碳发展至关重要。
解决这些问题需要深入理解碳纤维的生命周期演变，包括前体材料的生产、转化为碳纤维产品、应用以及最终处置（EoL）。物质流分析（MFA）是一种广泛采用的方法，用于研究材料的代谢，并擅长量化特定空间和时间范围内的流动和库存（Geyer等人，2017年；Yang等人，2024年）。迄今为止，已有许多研究使用MFA研究了关键材料或元素的代谢，包括镝（Wang等人，2022年）、镧（Zheng等人，2022年）、锰（Zhu等人，2024年）和铝（Lei等人，2025年）。然而，关于碳纤维材料的MFA研究仍然有限。据我们所知，只有Lefeuvre等人（2017年，2019年）进行了两项研究，量化了风能和商业航空领域碳纤维增强聚合物（CFRP）的全球库存和废弃物产生量。研究结果显示，到2050年，这两个领域将分别产生约483.00千吨和527.37千吨的CFRP废料，这凸显了有效回收碳纤维资源的迫切需求。尽管中国是世界上最大的碳纤维生产和消费国（Lin，2023年），但其长期的碳纤维流动动态仍不为人所充分了解。
基于MFA的温室气体核算方法为环境决策提供了更加综合和可靠的基础，并已成功应用于塑料（Liang等人，2023年；Luan等人，2023年）、纸张（Dai等人，2024年）和铜工业（Gu等人，2023年）。这种方法克服了传统生命周期评估（LCA）的一个根本局限性，即传统LCA没有考虑长寿命碳纤维产品排放的时间分离问题——生产相关的排放立即发生，而最终处置阶段的排放可能会延迟数十年。尽管碳纤维相关的温室气体排放和更广泛的环境影响已经受到了一定的关注（Li等人，2016年；Meng等人，2018年；Zhang等人，2024年），但大多数现有研究仅关注个别产品生命周期的特定阶段（如生产、制造、使用或最终处置），对整个碳纤维产业链的排放分析有限。例如，Thomas等人（2021年）开发了一个用于碳纤维生产的模块化LCA模型，基于试点数据（120吨/年）量化了单位产品的环境影响。Kawajiri和Sakamoto（2022年）比较了采用阻燃纤维的先进碳纤维生产过程（19.29 kg CO2 eq./kg）与采用聚丙烯腈（PAN）纤维的传统碳纤维生产过程（24.83 kg CO2 eq./kg）的温室气体排放。Forcellese等人（2020年）对制造工艺进行了比较LCA，发现使用铝模具的 autoclave 塑袋成型是最可持续的。Upadhyayula等人（2022年）发现，RCF叶片的能源和碳回收时间比市场现有产品低5-13%。Janssen等人（2019年）证实，基于木质素的碳纤维可以替代玻璃纤维和化石基碳纤维，从而减少0.45-37.4 kg CO2 eq./kg的温室气体排放。然而，迄今为止，尚无研究全面识别中国碳纤维行业未来温室气体减排的关键干预点和可行的减排策略，从而阻碍了有效的温室气体排放管理。
在这项研究中，我们旨在通过开发一个综合模型来填补上述空白，该模型包括MFA、温室气体核算、消费预测和情景分析。MFA用于揭示和预测2000年至2060年中国碳纤维的流动和库存演变。基于MFA的结果，我们详细探讨了温室气体排放的历史和未来趋势。本研究在动态变化能源结构、技术发展和循环经济方面的综合考虑使其区别于以往的研究。本研究做出了三个关键贡献：首先，它开发了一个将物质流与温室气体排放动态链接的综合分析框架，从而能够对快速扩展的工业系统中的脱碳路径进行分阶段评估；其次，系统地识别了碳纤维行业的主要温室气体排放来源，并提出了一套实用的减排策略以支持其低碳转型；第三，讨论了碳纤维在下游行业的潜在脱碳效益，并阐明了不同国家碳纤维生产过程中的温室气体排放强度差异。
模型框架
基于MFA的温室气体排放核算模型框架如图1所示。首先，使用MFA方法分析了2000年至2023年中国碳纤维的流动情况。其次，根据中国碳纤维的生产、制造、使用和最终处置阶段的历史数据，通过线性回归分析预测了消费结构趋势。
碳纤维行业的物质流概述
基于MFA模型，图2描述了2000年至2023年中国碳纤维的流动和库存概况，包括累计流入量和库存量。在此期间，共有452.97千吨碳纤维进入中国市场，其中国内生产和净进口量分别为186.69千吨和266.28千吨（图2(a)）。从消费角度来看，累计碳纤维消费量达到366.40千吨，其中体育领域占比最大（44.86%），其次是
碳纤维行业的政策驱动因素和技术发展
尽管中国的碳纤维行业发展晚于其他国家，但由于政策的支持和技术的进步，它已成为世界上最大的碳纤维生产国。中国碳纤维行业的发展可以分为两个阶段：探索阶段（2000-2010年）和高速发展阶段（2011-2023年）（图5）。这些阶段明显对应于政策重点的转变，进而推动了技术的重大变革
结论
在这项研究中，我们开发了一个基于MFA的温室气体排放核算模型，以揭示2000年至2023年中国碳纤维的流动及其相关的温室气体排放，并预测了2024年至2060年的排放情况。此外，应用了21种基于能源结构、技术发展和循环经济的不同情景来评估温室气体减排潜力。主要结论如下：（1）到2023年，中国碳纤维行业呈现出高需求的特点
CRediT作者贡献声明
甘晶晶：撰写——初稿，概念构思。张思源：撰写——审稿与编辑，资金筹集。谢成：方法论，概念构思。马春燕：验证，调查。沈晨曦：验证，调查。徐晨烨：验证，调查。李芳：监督，资金筹集。刘广新：监督，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中央高校的基础研究资金支持（编号：2232022G-11/2232023G-11/25D311301）。
