从能源链视角看能源柔性制造系统的能量值建模与评估方法

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Energy value modelling and assessment method of energy flexible manufacturing systems from the perspective of energy chain

　　摘要：能源灵活型制造系统能够根据不同的能源需求灵活调整能源资源，从而提升能源效率，降低能源成本与碳排放。然而，现有的能源价值评估方法，如能源价值流分析、能源性能分析以及综合性能评估，大多仅关注能源消耗方面或能源供应方面，导致能源价值无法得到完整呈现。为此，我们从能源链视角提出了一种用于能源灵活型制造系统的能源价值建模与评估方法。首先，基于精益理念中的增值活动、非增值活动及浪费概念构建能源灵活型制造系统的能源价值模型，以此揭示其能源价值；其次，引入能源、环境及经济价值指标，量化该系统的能源价值水平，并为提升能源价值提供指导；最后，提出相应的能源价值提升策略。案例研究证明了所提方法的在实际能源灵活型制造系统中的应用效果，该方法能有效识别出那些存在大量增值活动、非增值活动及浪费的能源使用环节，使得能源成本降低了0.98%，碳排放则减少了17.19%。该研究为提升能源灵活型制造系统的能源价值提供了理论支撑。

引言：作为国民经济的支柱，制造业在工业化与经济发展中发挥着重要作用，同时也是能源消耗最严重的行业之一[1]、[2]。《2022年世界能源展望》显示，制造业分别占全球能源消耗总量的33%以上，以及全球碳排放量的45%[3]。随着全球环保意识的提升以及能源成本的上升，制造业正在努力实现可持续发展与能源效率提升[4]、[5]。全球制造业面临着防止经济衰退的压力[6]，同时还肩负着推进绿色低碳转型的巨大任务[7]、[8]。传统的化石能源消耗会对环境造成严重危害[9]、[10]，因此，制造企业仅通过负荷端的精益管理，只能在有限的程度上降低成本与碳排放[11]。与此同时，太阳能、风能等可再生能源的使用规模正在迅速扩大[12]、[13]，这使得制造企业逐渐从单一能源供应转向多种能源并用[14]，这种转变既有助于降低成本与碳排放，又能保障企业的利益[15]。正因如此，能源灵活型制造系统逐渐被应用于制造业领域。以往关于能源灵活型制造的研究为需求侧灵活性、负荷转移、基于能源意识的生产调度以及生产系统与能源系统之间的协同优化奠定了重要基础[16]、[17]、[18]，这些研究表明，制造系统可以通过调整生产负荷、设备运行状态、存储利用方式以及能源供应策略来实现灵活性。不过，大多数现有研究仅聚焦于灵活性建模、调度或运营优化，而未能充分揭示能源链上各类能源活动的价值贡献（见表1）。

精益制造是一种旨在以更少的资源创造更多价值的生产理念，它将耗能活动分为增值活动、非增值活动以及浪费活动三类[19]。在日语中，“Muda”指的是那些消耗资源却无法为客户或生产目标创造价值的活动。在能源管理领域，“Muda”可理解为那些可避免或不必要的能源消耗，这类消耗无法助力合格产品的形成、工艺的稳定运行或高效的能源转换。典型的例子包括过度空转时的能耗、不必要的待机能耗、由于调度不当导致的加工时间过长、缺陷产品带来的返工，以及不恰当的需求响应决策等。因此，在能源灵活型制造系统中，识别与能源相关的“Muda”对于区分有价值的能源消耗与可避免的能源浪费至关重要[20]。从精益视角来看，能源灵活型制造系统中的能源消耗可分为直接用于合格产品加工的增值活动、虽不直接创造产品价值但有助于维持系统正常运行的非增值活动，以及由于生产组织不合理、需求响应不当、设备空转、返工以及能源匹配问题造成的浪费活动。这种分类有助于揭示能源灵活型制造系统中各类能源活动的价值贡献，为负荷转移、能源替代、存储充放电优化以及生产流程改进提供依据。因此，将精益理念融入能源灵活型制造系统，能够在能源价值识别与能源灵活运行之间建立起逻辑联系。

在能源灵活型制造系统的框架下，增值能源使用指的是那些直接有助于合格产品制造、实现高效能源转换、能量回收、降低成本或减少碳排放的能源消耗；非增值能源使用则是指那些虽不会直接为产品或能源链增加价值，但却是维持系统安全、可靠且持续运行所必需的能源消耗，比如设备启动、空转、预防性维护以及不可避免的转换损失等；而浪费能源使用则是指由于产品质量不佳、需求响应错误、加工时间过长或运营效率低下所导致的可避免或意外的能源消耗。因此，增值/非增值/浪费的分类能够将能源流动信息转化为价值信息，帮助人们明确在能源灵活型制造系统的能源链上，能源价值是在何处产生、得以维持还是被损耗的。对能源灵活型制造系统能源价值的分析与评估，能为决策者实施精益制造提供有力支持[21]。在本研究中，能源价值被定义为贯穿整个能源灵活型制造系统能源链的能源所带来的有用贡献，这些贡献包括能源的生成、存储、转换、分配与消耗，其目的是支持合格产品的制造、降低成本以及减少碳排放。从精益制造的角度来看，能源价值并非仅仅由能源消耗量决定，而是取决于能源使用是否以及在多大程度上有助于实现生产、经济与环境方面的目标。因此，能源灵活型制造系统中的能源消耗可划分为增值活动、非增值活动以及浪费活动三类。

能源价值流分析是构建精益制造理念的重要工具[22]、[23]、[24]、[25]，它将能源消耗与成本消耗以及产品质量联系起来，从而可视化制造系统中各种资源、物料与能源的流动情况。通过这种可视化手段，可以识别出能源浪费的环节，进而减少各生产环节中的不必要的能源消耗[26]。在相关研究中，Papetti等人[27]提出了一种结合精益理念的资源价值分析方法，用于对各类活动中的能源消耗进行分类，同时他们还建立了成本与“Muda”相关指标，以便对制造系统中的能源流动情况进行分析。Braglia等人[28]则提出了一种精益能源成本分析方法，该方法通过五种矩阵来确定与能源损失相关的因果因素，进而实现对制造企业中能源消耗的分类、分析与消除。Salwin等人[29]运用精益制造理念，构建了一个涵盖经济效益、关键绩效指标、设备可靠性、整体设备效率以及能源消耗等方面的指标体系，借助该体系他们对生产环境中的各项价值属性进行了量化分析。

在精益制造框架下，提升能源效率依赖于对与能源相关的各项性能指标的系统性评估，这类评估有助于量化能源消耗的价值，同时也能帮助识别出减少非增值能源使用及能源浪费的机会。May等人[20]提出了一种七步法，用于制定针对特定生产与能源相关领域的关键绩效指标，从而实现最优的能源效率管理。Wen等人[30]则将能源效率与生产管理相结合，提出了一种创新的能源价值分析方法，该方法包括能源损失建模、精益能源性能指标分析以及能源效率提升策略，其目标是在整个生产流程链上提升能源效率。我们的研究团队[31]、[32]则运用数据挖掘技术，将能源数据与运营数据和管理数据相结合，开发出一种双重能源基准分析方法，用于解释生产行为背景下的能源效率水平。不过，上述研究大多仅侧重于从能源消耗角度评估与提升能源效率，未考虑能源供应对能源价值的影响，因此无法为制造系统中的全面能源价值管理提供充分支持。

精益制造旨在通过全面的性能评估——该评估会综合考虑经济指标、碳排放以及能源效率等因素——来更好地支持能源价值管理[33]。Bogdanski等人[34]提出了一种扩展的能源价值流分析方法，该方法通过能源消耗、生产成本以及碳排放等指标来评估不同的生产模式。Sihag等人[35]则提出了更为完善的机床加工过程中能源与碳排放的价值流分析方法，同时建立了包括能源效率、时间效率以及机床碳排放在内的综合性能指标体系。Shrouf等人[36]则提出了一种新的方法，用于实现生产过程中的多层级能源消耗监控，从而实现生产数据与能源数据的关联与可视化。不过，这些研究既没有分析制造系统中辅助设备的能源价值，也未探讨多能源耦合对制造系统能源价值的影响。

目前，制造企业正在逐步从单个设备的局部节能转向对企业集群内整个工艺系统的优化[37]，从粗放式管理向数字化、精益化管理转型[38]，并且正在从单纯的管理制造系统转向关注能源价值链[39]。相比之下，现有的研究大多仅侧重于减少某一特定设备或某一生产环节中的能源浪费[40]、[41]，或是提升制造系统的能源效率[42]，以及量化能源消耗的价值（如增值活动、非增值活动及浪费活动等）[26]，它们并未从能源链的角度来分析能源灵活型制造系统的能源价值特征。这样的研究方式无法为能源灵活型制造系统能源价值的最佳管理提供充分支持。此外，现有研究大多仅评估机器、工艺或生产线内部的能源使用情况[43]、[44]、[45]，很少考虑能源供应、存储以及多能源耦合等因素如何影响能源灵活型制造系统中的能源消耗价值。

因此，基于精益制造理念[46]，我们从能源链视角提出了一种创新的能源价值建模与评估方法。如补充材料中的表1所示，现有的方法大多要么关注生产侧的能源消耗，要么关注供应侧的能源转换，因此无法全面揭示能源供应、存储、转换以及生产消耗这四者是如何共同影响能源灵活型制造系统中的能源价值的。所提出的EVMA方法将精益理念中的增值/非增值/浪费分类与“发电-存储-负荷”型的能源链建模相结合，从而能够从能源、环境及经济多个维度对能源价值进行评估。其基本思路是首先识别能源链上的各类能源活动，然后判断这些活动是创造了价值、维持了必要的系统运行，还是导致了可避免的浪费，最后量化这些活动对能源使用、碳排放以及能源成本的影响。

方法部分：所提出的EVMA方法包含三个依次进行的步骤：能源价值建模、能源价值指标分析以及能源价值提升。这一方法能够帮助决策者解答为何要提升能源灵活型制造系统的能源价值、应该采取哪些措施以及如何实施提升策略等问题（见图1）。这三个步骤分别对应三个实际问题：能源价值是在何处产生或丧失的、如何量化能源价值水平，以及应优先采取哪些纠正措施。

案例研究部分：为了验证精益管理的有效性与实用性，我们与一家大型制造企业开展了合作实验。这家企业是大型发电设备领域的领军企业，拥有多种能源供应方式，且能源消耗量很大。在应用我们所提出的方法之前，该公司主要依靠数字式能源计量装置与设备监控系统来进行能源管理，此前并未采取任何节能策略，依然面临着较高的能源成本问题。

讨论与局限性部分：本研究的创新之处在于，它分析了由“发电-存储-负荷”环节构成的能源网络所带来的能源价值贡献，同时从能源链视角阐述了能源灵活型制造系统的能源价值特征。与传统研究不同，本研究从生产、经济以及环境等多个维度分析了能源灵活型制造系统在能源供应与消耗方面的价值特点，同时还基于能源链视角对能源灵活型制造系统中的能源活动进行了增值活动、非增值活动及浪费活动三类划分。

结论部分：从能源链视角出发，本研究基于精益制造理念，为能源灵活型制造系统提出了一种EVMA方法。该方法能够从能源链视角对能源灵活型制造系统的能源价值以及生产管理情况进行全面分析，其内容涵盖了能源价值分析、能源价值建模以及能源价值提升策略。本研究通过从能源链视角整合能源灵活型制造系统的能源供应管理与生产能源管理，从而揭示了该系统的能源价值特征。

作者贡献说明：Yameng Shi负责文章的撰写、审稿与编辑工作，以及初稿的撰写和 methodology部分的编写；Xu Wang负责文章的审稿与编辑、方法学的验证、项目监管、整体规划以及资金申请相关工作，同时还参与了概念构思；Xi Huang负责文章的审稿与编辑、方法学的验证以及数据整理工作。李明泽：写作——审阅与编辑、验证。利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。致谢本项工作部分得到了中国国家重点研发计划（编号2022YFB3304500）、中国国家自然科学基金（编号52275476）以及重庆市人才计划项目（编号0015094501001）的支持。石亚萌|王旭|黄希|李明泽