进口依赖型国家铝生产的生命周期温室气体排放：供应链效应及对汽车轻量化的启示

《Sustainable Production and Consumption》：Life cycle greenhouse gas emissions of aluminium production in import-dependent countries: Supply chain effects and implications for vehicle lightweighting

　　

•分析了常规及四种替代铝（Al）生产路径。•基于进口组合的生命周期评价（LCA）能够捕捉由供应链驱动的铝排放变异性。•在铝行业中，供应链选择的影响可能超过技术减排措施。•若没有低碳电力或再生铝，有益的轻量化将无法实现。•更高的轻量化程度使得实现环境效益更加困难。

引言

在汽车行业中，电动汽车（EV）的兴起以及更广泛的车辆轻量化趋势增加了全球铝的消费量（Ducker Carlisle, 2023）。2024年全球电动汽车销量超过1700万辆，同比增长超过25%（IEA, 2025a）。然而，电动汽车中含铝量远高于内燃机汽车（ICEVs），2022年欧洲平均为283公斤对比169公斤（Billy and Müller, 2023）。例如，福特F-150通过采用铝密集型车身实现了大幅减重（Yan and Xu, 2025）。在北美，每辆轻型汽车的铝用量预计将从2022年的501磅增加到2030年的556磅（DuckerCarlisle, 2019）。尽管铝是轻量化汽车制造阶段温室气体（GHG）排放的最大贡献者之一，这主要源于其以化石燃料为基础的高能耗生产方式（Dai et al., 2015），但目前很少有研究在完整的生命周期框架内对铝相关排放进行严格评估。现有研究通常依赖全球平均温室气体排放量（Nunez and Jones, 2016）或从主要生产国——尤其是中国（Zhang et al., 2016）和美国（Farjana et al., 2019）——得出的地区特定值。

表1列出了以往研究中关于全球变暖潜势（GWP）的原铝生产的摇篮到大门生命周期评价（LCA）结果。Nunez等人（2015）利用国际铝业协会（IAI）的调查数据评估了全球平均温室气体排放，发现电解过程中的电力消耗是温室气体排放的主要贡献因素，而由于中国煤电为主的电网，其排放尤为突出（Nunez and Jones, 2016）。Zhang等人（2016）对中国也得出了相同的结论，并进一步表明再生铝生产的环境影响比原铝生产低95%以上（Zhang et al., 2016）。Farjana等人（2019）将此研究扩展到美国铝生产，通过对多种电力来源进行敏感性分析，证明电力碳强度是决定铝相关温室气体排放的关键因素（Farjana et al., 2019）。

然而，这些研究主要关注全球平均值或主要生产国，因此可能忽视了那些消耗大量铝但国内原铝产量很少的依赖进口的经济体。例如，2024年韩国和日本分别以413万辆和823万辆的产量位居全球汽车生产第5和第2位（OICA, 2024）。此外，日本丰田集团和韩国现代起亚集团在2024年主要市场轻型汽车销量中排名第1和第3（Shen et al., 2025），而这两国均不大量生产原铝锭（Milovanoff et al., 2021）。韩国在2024年进口了约112万吨铝锭，而国内生产主要限于半加工产品（Korea Nonferrous Metal Association, 2025）。对于此类国家而言，铝相关排放完全由供应商国的能源结构决定，而非国内生产条件。因此，应用全球平均值或单一国家排放因子可能导致对实际铝相关温室气体排放的高估或低估。准确评估需要一个进口组合框架，该框架明确反映供应商份额、特定国家的生产排放和运输排放。

这一研究缺口的另一个维度涉及铝生产本身的脱碳。2023年全球原铝生产排放了约11亿吨二氧化碳当量（International Aluminium Institute, 2024a），未来几十年需求预计将增长高达40%（International Aluminium Institute, 2021b）。对此，IAI已制定了到2050年减少铝业排放的路径，与国际能源署（IEA）的超越2度情景相一致（International Aluminium Institute, 2021b）。已有多种替代生产路径被提出，包括基于可再生电力的电解、惰性阳极技术以及应用于生产过程的碳捕集与封存（CCS）（Zore, 2024）。通过回收实现的再生铝生产是一个特别有前景的选择，所需能耗仅为原铝生产的约5%（European Aluminium, 2021）。然而，这些替代路径的温室气体减排潜力很少从依赖进口铝的国家视角进行评估。若不明确考虑进口结构，则无法可靠地量化这些路径对铝进口国的好处。

现有的生命周期评价研究已开始纳入国际铝流动，但在捕捉决定依赖进口经济体的排放的完整供应链动态方面仍然有限。为明确本研究的需求，从（1）国际铝供应链、（2）铝生产脱碳和（3）车辆轻量化三个角度对主要既往研究的涵盖范围进行了分类，如表2所示。

（1）国际铝供应链表征：近期研究表明，铝的环境影响受生产地点和供应链的强烈影响（Milovanoff et al., 2021; Hua et al., 2022）。Deng等人（2026）还开发了一个考虑国内供应链的美国铝系统动态模型（Deng et al., 2026）。然而，这些研究并未量化铝排放中因采购依赖性而产生的变异如何影响依赖进口国家下游应用，尤其是车辆轻量化的生命周期温室气体效益。

（2）铝生产脱碳：以往研究评估了各种铝脱碳路径，包括使用可再生电力或反映未来能源结构、惰性阳极（Yi et al., 2024; Deng et al., 2022; Pedneault et al., 2021; Deng et al., 2026）。这些研究为铝脱碳的技术潜力提供了重要见解。然而，这些研究并未明确量化供应商特定的低碳生产路径如何影响进口铝的温室气体排放。鉴于供应链对铝排放的强烈影响，识别供应商特定的生产技术和能源条件对于在这些国家制定有效的脱碳战略至关重要。

（3）车辆轻量化：车辆轻量化研究探讨了材料生产排放增加与使用阶段排放减少之间的权衡（Kelly et al., 2015; Kim and Wallington, 2016）。Zheng等人（2025）进一步考虑了电力结构情景对车辆轻量化的影响（Zheng et al., 2025）。然而，这些研究通常将铝生产排放视为固定值或简化情景，并未与依赖供应链的铝排放、替代生产路径进行整合，以量化铝替代提供净温室气体效益的条件。

这揭示了一个研究空白：很少有研究直接将国际铝供应链与车辆轻量化联系起来，更少的研究将供应商特定的铝脱碳路径整合到同一框架中，如表2所总结。这种整合对于依赖进口的国家尤为重要，在这些国家，铝的温室气体排放不仅由生产技术决定，还取决于铝的来源地及其生产时的能源条件。因此，理解铝基轻量化的环境效益需要将上游铝生产条件与下游汽车生产联系起来。

本研究建立的框架因此将（1）经国际供应链解析的铝排放、（2）供应商国能源条件下的脱碳铝生产路径，以及（3）基于物理模型的车辆轻量化连接起来。若无此关联，无法完全量化铝替代提供净生命周期温室气体效益的条件，因为阈值点不仅取决于实现的减重量，还取决于铝供应的碳强度以及用于降低该碳强度的生产路径。这一局限性引出了以下研究问题：铝供应链和供应商特定的脱碳路径如何影响铝基电动汽车轻量化的生命周期温室气体效益和阈值条件？本研究考察了供应商构成、能源条件和铝生产路径的差异如何改变车辆材料生产排放增加与车辆轻量化带来的电池及使用阶段效益之间的平衡。解决这一问题需要考虑各国铝的采购结构和生产技术的差异。

为弥补这些空白，本研究开发了一个整合的生命周期框架，将依赖供应商的铝排放与电动汽车轻量化联系起来。首先，利用实际供应商份额、特定国家的电力和天然气排放以及国际运输排放，开发了一个基于进口组合的原铝锭温室气体排放数据库。其次，该框架在现实进口结构的背景下评估了关键替代生产路径的减排潜力，包括可再生电气化、惰性阳极、碳捕集与封存（CCS）和回收。最后，通过将上述排放与基于物理的车辆模拟（GT-SUITE）相结合，量化铝基电动汽车轻量化的完整生命周期温室气体排放，耦合（1）车辆质量变化、（2）所需电池容量减少，以及（3）燃油经济性改善。这一整合框架能够识别铝轻量化变得具有环境效益的定量阈值条件，突出了上游供应链在塑造电动汽车可持续性中的决定性作用。

本文其余部分组织如下。第2节描述方法，包括生命周期评价框架、系统边界、数据来源以及铝生产和电动汽车轻量化的情景。第3节呈现常规和替代铝生产的温室气体排放结果。第4节呈现利用第3节中分析的铝排放结果的车辆轻量化环境影响。第5节提供进口组合、电力发电排放和关键参数的敏感性分析及本研究的启示。第6节总结本研究的主要发现。

摘要片段

范围和框架

本研究对常规和替代工艺下的铝生产温室气体排放进行了全面的生命周期评价。此外，将铝生产产生的温室气体排放结果应用于量化铝基轻量化对电动汽车生命周期温室气体排放的影响。本研究遵循ISO 14040和14044中概述的四个生命周期评价阶段。

常规原铝生产

通过常规生产方法生产原铝时，韩国进口组合的摇篮到港口温室气体排放约为17.5吨二氧化碳当量/吨铝。按供应国分析，如图3a所示，印度和印度尼西亚显示非常高的排放，而新西兰显示最低的排放。各国之间差异的主要原因是电力生产排放。铝排放的最大贡献因素是铝

轻量化电动汽车研究结果

如表6所示，含电池的车辆质量原来为2015公斤，但在用铝轻量化后，根据钢材替代比例不同，质量下降不同。当钢材替代比例为10%、50%和90%时，分别下降了约1.2%、6.0%和10.8%。

图4a显示了生产和制造常规及轻量化电动汽车所用材料（不含电池）的排放，取决于铝是否被回收。除铝以外的材料

按国家的铝进口份额

由于电解过程中电力消耗量大，铝生产排放受到各国特定电网排放的显著影响。此外，铝进口到韩国的国家及其比例可能因经济和政治状况而逐年变化。图5a显示了2020年至2024年铝进口国份额，其中澳大利亚、印度和俄罗斯的比例变化尤为显著。

结论

本研究开发了一个供应链解析的铝生命周期框架，并将其与基于物理的电动汽车轻量化模拟相结合，揭示了轻量化的气候效益并非铝使用的固有属性，而是其上游供应链的函数。

与普遍认知相反，在当前条件下，铝基轻量化可能会增加生命周期温室气体排放。对于50%的钢材替代，只有在以下情况下才能实现排放减少：

CRediT作者贡献声明

Inyoung Ko：撰写——初稿，软件，方法论，形式化分析，数据管理。Gyuna Kwak：撰写——审阅与编辑，方法论，形式化分析。Juha Lee：软件，方法论，形式化分析。Jun-Ki Choi：撰写——审阅与编辑。Sobit Sapkota：撰写——审阅与编辑。Anup Paudel：撰写——审阅与编辑。Wonjae Choi：撰写——审阅与编辑，监督，概念化。

关于在写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本作品期间，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来协助构思图形摘要的视觉设计思路。

作者对输出内容进行了审核和必要的编辑，并对已发表文章的内容承担全部责任。未引用参考文献 Wang, 2022。利益冲突声明：作者声明，他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报告的工作。致谢：本研究由韩国基础设施技术振兴院（KAIA）资助，该项目由国土、基础设施和交通部提供资金（资助编号 RS-2023-00243220）。Inyoung Ko|Gyuna Kwak|Juha Lee|Jun-Ki Choi|Sobit Sapkota|Anup Paudel|Wonjae Choi