维修能否提升环境绩效？将时间动态因素纳入循环策略的环境评估

《Journal of Cleaner Production》：Does repair improve environmental performance? Integrating temporal dynamics into environmental assessment of circular strategies

　　

•时序塑造循环经济评估中的环境结果。
•时间显性评估依赖于产品类别和使用场景。
•维修结果取决于组件类型、故障时间和影响类别。

## 引言

全球原材料需求预计将从1000亿吨（Gt）增长至2060年的每年1600亿至1900亿吨（Circle Economy, 2024; 联合国环境规划署, 2019; 2024）。历史上，材料的获取和加工与经济增长和排放增加密切相关（Haas等, 2015）。近期的各种中断，包括COVID-19大流行和地缘政治不稳定（如乌克兰战争、中东紧张局势和贸易争端），也暴露了全球供应链的脆弱性，促使企业寻求保障材料供应的策略。提高供应弹性和多元化的一种方法是实施循环经济（CE）策略，通过促进材料循环利用来降低初级材料供应相关的风险。

与此同时，全球能源转型依赖于对低碳技术至关重要的关键原材料（CRMs）和稀土元素（REEs），这加大了对初级来源的压力。全球报废电子电气设备（WEEE）正迅速增长，尽管废弃物管理等级制度优先考虑源头减量和再利用，但回收仍是主要处理方式（Cole等, 2019）。2022年，电子废弃物达到6200万吨（Mt），较2010年增长了82%，预计到2030年将增至8200万吨（Baldé等, 2024）。这一趋势造成了巨大的经济和材料损失，其中包括具有战略价值的材料。Baldé等（2024）进一步报告称，电子废弃物回收目前仅供应约1%的稀土元素需求。尽管回收率有所改善（例如在欧盟），但环境效益取决于二次材料是否真正替代了初级生产；这种替代往往是不完全的，不应假定其为一对一关系（Geyer等, 2016; Zink和Geyer, 2017）。这些动态加强了延长产品使用时间的论据，特别是通过再利用和维修等高价值策略，以减轻关键材料的需求压力。循环经济策略旨在通过再利用、维修、翻修和回收来保留材料和产品在流通中，从而有助于更可持续的材料使用和降低整体排放（Kirchherr等, 2017）。

循环经济（CE）策略的环境评估通常依赖于基于产业生态学的方
法（Sassanelli等, 2019; Walzberg等, 2021）。尽管这些方法具有实用性，但它们通常以静态方式应用，可能不足以代表时间动态，而时间动态对于评估循环经济策略至关重要。电气和电子设备（EEE）是时间依赖因素所带来挑战的典型案例，例如技术生命周期中的技术过时、性能退化和能效下降（Hummen等, 2023; Hummen和Desing, 2021）。在循环经济系统中，使用阶段的逆向循环活动（如再利用、维修和翻修）也具有时间敏感性，关于这些活动何时发生的时序假设会显著影响环境结果。然而，只有有限数量的研究考察了循环经济评估中的时间动态，更少研究探讨了循环干预的时序如何影响循环经济中的环境影响结果。

将时间动态整合已被确定为循环经济评估中最具挑战性的问题之一（Samani, 2023）。Walzberg等（2021）阐述了方法整合的潜力，特别是来自复杂系统科学的方法，因为这类方法可以表示反馈、延迟和时间依赖的系统行为。虽然一些循环经济研究使用了组合方法，但这尚未普及。此外，这类方法很少将环境影响量化与循环干预时序如何影响这些影响的显性表示结合起来。

在更广泛的环境评估领域，时间长期以来一直与排放核算相关联，包括在生命周期评估（LCA）中使用时间视野，后者评估产品或服务各生命周期阶段的影响（Levasseur等, 2013; Samani, 2023）。动态生命周期评估方法通过在使用生命周期清单（LCI）中使用时间分辨数据来提高时间精度，例如通过根据时间和地理变化调整与能源相关的排放因子（Cardellini等, 2018）。事前或前瞻生命周期评估，以及事后评估，也支持了新兴技术如何随时间影响环境结果的评估（Arvidsson等, 2018; Cucurachi等, 2018; Herrmann等, 2014; Zimmermann等, 2020）。然而，虽然这些生命周期评估方法涉及时间范围、时间视野和时间分辨清单，但它们在评估循环经济策略时如何操作化时间方面提供了较少的指导，特别是在理解循环干预时序如何影响不同产品类别的环境结果方面。

Russell等（2023）从生命周期视角研究了维修，确定了维修决策的时机、技术挑战和社会因素是扩大维修活动的关键障碍。该研究提出，成功的维修实施取决于这些要素的同时存在，并将它们纳入"可维修系统"框架。他们的工作强调了时机作为循环经济实践中维修的关键使能维度。然而，该分析主要关注社会技术方面和使能条件，留下了关于维修决策时机如何影响环境评估结果的未决问题。

Hapuwatte等（2022）通过引入一个动态框架来评估产品可持续性绩效（PSP），该框架考虑了生产和逆向循环活动的时间变异性，对这一讨论做出了贡献。他们的结果表明，PSP随生产波动而变化，突显了生产变异性对于循环经济规划的重要性，因为它影响逆向循环的材料可用性，因此可以支持韧性规划。这项工作通过强调时间分辨数据的必要性，为改进循环经济评估提供了有益的见解。然而，尽管动态方法具有相关性，但许多循环经济策略的环境评估中的时间整合仍然有限，特别是在逆向循环活动和使用阶段决策的时序影响结果的情况下。

Pamminger等（2021）评估了智能手机的维修、翻修和再制造情景，并与线性"新设备"参照基准进行了比较，引入了一个二次使用时间参数来将情景按比例调整为固定的2.5年基准使用期。使用这种方法，他们估算了循环经济策略的使用寿命延长，并报告了相对于线性生命周期的全球变暖潜值（GWP）显著降低。然而，时间主要通过假设的二次使用持续时间来表示，而不是通过捕捉干预的时序（如早期故障与晚期故障）以及这种时序如何改变环境结果。这指出了循环经济评估需要在固定寿命假设之外表示时序的需求。

Hummen和Desing（2021）提出了另一种视角，他们引入了最佳环境寿命（OEL）概念，挑战了延长寿命总是环境有益的假设。在此基础上，Hummen等（2023）采用动态规划优化更换策略，展示了效率退化和技术发展如何塑造环境上更可取的更换时机。这些方法的优点在于它们通过分析性地处理时间性来评估更换时机、效率变化和发展规划期间的技术发展。

然而，它们的主要决策对象与本研究不同。最佳环境寿命和动态优化方法主要关注产品或资产何时应被更换，而本研究考察的是在离散的组件故障点维修或更换在环境上是否更可取。这种区别对消费电子相关，因为组件故障可能触发用户面向的维修与更换选择，而不是计划中的资产更换决策。因此，所提出的指标与最佳环境寿命和动态优化方法是互补的：不是确定环境上最优的产品寿命或更换序列，而是在给定故障点提供时间显性的、基于生命周期影响评估的阈值来评估维修和更换。

时序在循环经济策略中的重要性因产品类别而异。由于技术过时、性能退化和频繁的产品更新，时序考虑对EEE尤为关键。对于EEE产品，维修或翻修的延迟可能导致提前退出使用，造成环境和经济价值的损失。虽然维修等循环策略旨在减轻这些损失，但对环境效益的稳健评估需要明确在环境评估中表示时序的方法。

本研究考察了组件故障和维修的时机如何影响循环经济评估中的环境结论。虽然生命周期评估被广泛用于比较循环经济情景，但它通常作为静态评估应用，除非明确调整为表示时序。为弥补这一差距，本研究制定了一个时间显性的、基于生命周期影响评估的阈值指标，并通过移动设备维修案例展示其应用。目标是
比较不同故障时间情景下维修和更换的结果。

据我们所知，只有有限数量的研究考察了与循环经济环境影响评估中使用阶段决策相关的时间（Hummen等, 2023; Hummen和Desing, 2021; Pamminger等, 2021）。本研究通过提供一个透明的阈值指标来评估组件故障的时序如何影响维修或更换在环境上是否更可取，从而扩展了现有文献。

## 章节片段

### 情景描述

本研究中的案例研究包括四个情景，如表1所示。本研究考察了与三种维修情景和新型移动设备生产相关的环境影响，后者作为评估维修相对于新设备生产的环境效应的参照情景。情景分析的目标是阐明维修相对于产品更换的环境影响。这些情景……

### 生命周期评估结果

移动设备的贡献分析（图2）呈现了所评估各影响类别的结果，并展示了这些影响如何在所研究的组件之间分布。该分析识别了影响类别之间和组件之间的差异，支持了从不同环境影响类别角度对维修情景的解释。

评估多个影响类别对于识别维修和更换之间的环境权衡很重要……

### 在再制造策略生命周期评估中考虑时间动态的益处

研究结果强调了故障时机和所维修组件类型在确定维修或更换在环境上是否更可取方面的重要意义。这种解释基于建模边界条件，即维修在定义的服务寿命窗口内恢复功能，而不是自动将产品延长超过该窗口。因此，在接近产品……末端时维修具有高α值（如印刷电路板）的组件……

### 结论

本研究考察了组件故障的时机如何影响维修与更换评估中的环境结论。结果表明，维修并非普遍在环境上更可取：结果取决于所维修的组件、故障时机和所评估的影响类别。对于维修负担与产品负担比值较低的组件，维修可以保持环境优势直到接近产品服务寿命末期。对于更高……的组件……

### 资助

本研究由Business Finland资助，项目名称为"可持续商业更新的行动"（资助编号Dnro 3468/31/2021）。

### CRediT作者贡献声明

Vafa J?rnefelt：撰写——初稿、可视化、软件、资源、方法学、调查、获取资金、形式化分析、数据整理、概念化。Sajad Ashouri：可视化、方法学。Katri Behm：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、方法学。

### 利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本论文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

### 致谢

我们衷心感谢Micheal Obersteiner教授，他围绕本文中关于时间考量的讨论提供了无价的见解。

Vafa J?rnefelt | Sajad Ashouri | Katri Behm