可再生能源發(fā)電對(duì)PM10 和PM2.5減排的貢獻(xiàn)核算

余紅

中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

近年來，我國霧霾天氣頻發(fā)，影響范圍大、持續(xù)時(shí)間長，嚴(yán)重影響了居民的身心健康和出行安全。2013年1月我國出現(xiàn)了持續(xù)大規(guī)模的霧霾天氣，涉及17個(gè)省市自治區(qū)1/4 的國土面積，影響約6 億人口，據(jù)環(huán)境保護(hù)部門監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，74 個(gè)城市空氣質(zhì)量總體超標(biāo)天數(shù)比例為68.4%，重度和嚴(yán)重污染的比例達(dá)到30.2%，其中PM2.5超標(biāo)尤其嚴(yán)重，平均超標(biāo)率為68.9%，PM2.5最大日均值達(dá)到766 μg/m3［1］。

細(xì)顆粒物(PM2.5)指環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)直徑≤2.5 μm 的顆粒物，是形成霧霾天氣的主要原因之一。相較于粗顆粒物(空氣動(dòng)力學(xué)直徑為2.5 ～10 μm)，PM2.5對(duì)人體健康的危害性更大，主要原因在于多環(huán)芳烴、過渡金屬等有毒有害物質(zhì)多吸附于粒徑小于1 μm 的細(xì)微顆粒物上，90%的細(xì)微顆粒物可深入到肺泡區(qū)，并可進(jìn)入血液輸往全身;而PM10(空氣動(dòng)力學(xué)直徑≤10 μm)中的粗顆粒物部分經(jīng)吸入后一般聚集在下呼吸道，危害相對(duì)較?。?］。國內(nèi)外專家學(xué)者就PM2.5對(duì)人體健康危害開展了大量的研究，如謝元博等［3］采用泊松回歸模型評(píng)價(jià)表明，在空氣重污染期間，即便高濃度的大氣污染物暴露持續(xù)短短幾日，也會(huì)導(dǎo)致大多數(shù)受影響居民出現(xiàn)不同程度的喉痛、咳嗽、呼吸困難等呼吸系統(tǒng)疾病癥狀，甚至可能導(dǎo)致敏感人群的急性死亡;Vinikoor-Imler 等［4］用生態(tài)學(xué)研究方法分析發(fā)現(xiàn)，PM2.5濃度與肺癌的發(fā)生率和死亡率呈正相關(guān)關(guān)系;Gill 等［5］研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5濃度升高，會(huì)使身體整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生炎癥，進(jìn)而引起冠心病、動(dòng)脈粥樣硬化、中風(fēng)等心血管疾病發(fā)病率的上升;Madrigano 等［6］認(rèn)為，PM2.5會(huì)使人們患急性心肌梗死的風(fēng)險(xiǎn)增加16%。

為改善全國空氣質(zhì)量，2013年9月10日，國務(wù)院印發(fā)了《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，提出了具體的細(xì)顆粒物年均濃度下降指標(biāo)，并就實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)提出了10 項(xiàng)具體措施，其中明確提出了“積極有序發(fā)展水電，開發(fā)利用地?zé)崮?、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能”。

1 可再生能源發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃

1.1 可再生能源發(fā)電現(xiàn)狀

我國擁有豐富的可再生能源資源，但多年來并未得到有效的開發(fā)和利用，2011年我國水電、核電、其他能源發(fā)電僅占一次能源生產(chǎn)量的8.8%(發(fā)電煤耗計(jì)算法)［7］。發(fā)電是可再生能源利用的一種重要形式，2012年我國可再生能源總裝機(jī)容量為30 197 ×104kW(占當(dāng)年總裝機(jī)容量的26.33%)，總發(fā)電為9 908 ×108kW·h(占當(dāng)年總發(fā)電量的19.87%)。2012年我國可再生能源發(fā)電情況見表1。

表1 2012年我國可再生能源發(fā)電情況［8-9］Table 1 Status of renewable energy power generation in China in 2012

從2012年可再生能源發(fā)電結(jié)構(gòu)來看，水電占據(jù)絕對(duì)的主導(dǎo)地位，占可再生能源總發(fā)電量的85.41%;其次為風(fēng)電，占總發(fā)電量的10.40%;生物質(zhì)發(fā)電和太陽能發(fā)電仍處于起步階段。

1.2 可再生能源發(fā)展規(guī)劃

“十二五”期間，可再生能源發(fā)電在電力體系中上升為重要電源，到2015年可再生能源發(fā)電量爭(zhēng)取達(dá)到總發(fā)電量的20%以上［10］。2015年和2020年可再生能源發(fā)電主要指標(biāo)見表2。

表2 可再生能源發(fā)電主要規(guī)劃指標(biāo)Table 2 The main planning indicators of renewable energy power generation

2 研究方法

2.1 研究邊界與基準(zhǔn)線

2.1.1 研究邊界

從原料/燃料的生產(chǎn)、原料/燃料的運(yùn)輸、電廠發(fā)電3 個(gè)階段，確定各類可再生能源發(fā)電和燃煤火電的生命周期PM10和PM2.5排放因子。

2.1.2 基準(zhǔn)年

以2012年為基準(zhǔn)年，假設(shè)2015年和2020年各類可再生能源發(fā)電量均可以達(dá)到《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中的規(guī)劃值，計(jì)算新增可再生能源發(fā)電量所對(duì)應(yīng)的新增PM10和PM2.5減排量。

2.1.3 減排基準(zhǔn)線

②診斷上于與國內(nèi)外多數(shù)學(xué)者對(duì)頸源性頭痛患者診斷相比:更簡潔明了,醫(yī)生更易掌握,尤其是基層醫(yī)生。具體內(nèi)容見前段解釋。

以燃煤火電全生命周期單位發(fā)電量PM10和PM2.5排放系數(shù)為基準(zhǔn)線，將其與可再生能源發(fā)電的排放系數(shù)進(jìn)行差值，得出以可再生能源發(fā)電替代燃煤發(fā)電的單位發(fā)電量PM10和PM2.5減排系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出減排貢獻(xiàn)量。

2.2 生命周期評(píng)價(jià)法介紹

生命周期評(píng)價(jià)(life cycle assessment，LCA)，也稱為“生命周期分析”、“生命周期方法”、“搖籃到墳?zāi)埂?、“生態(tài)衡算”等，其最早應(yīng)用可追溯到1969年美國可口可樂公司對(duì)不同飲料容器的資源消耗和環(huán)境釋放所做的特征分析，該公司在考慮是否以一次性塑料瓶替代可回收玻璃瓶時(shí)，比較了2 種方案的環(huán)境友好情況，肯定了前者的優(yōu)越性［11］。國際環(huán)境毒理學(xué)與化學(xué)學(xué)會(huì)(The Society of Environmental Toxicology and Chemistry，SETAC)對(duì)生命周期評(píng)價(jià)的定義為:一種評(píng)價(jià)產(chǎn)品、工藝過程或活動(dòng)從原材料的采集和加工到生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售、使用、回收、養(yǎng)護(hù)、循環(huán)利用和最終處理整個(gè)生命周期系統(tǒng)有關(guān)的環(huán)境負(fù)荷的過程［12］。1997年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布的ISO 14040將生命周期評(píng)價(jià)定義為:匯總和評(píng)價(jià)一個(gè)產(chǎn)品、過程(或服務(wù))體系在其整個(gè)生命周期的所有及產(chǎn)出對(duì)環(huán)境造成的和潛在的影響方法［13］。2006年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)生命周期評(píng)價(jià)新的定義為:從整個(gè)生命周期對(duì)一個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)的輸入、輸出和潛在的環(huán)境影響進(jìn)行匯總和評(píng)估［14］。

我國于1999年和2008年分別對(duì)相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)予以等同轉(zhuǎn)化，發(fā)布了相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)。陳亮等［15］對(duì)GB/T 24040—2008《環(huán)境管理生命周期評(píng)價(jià)原則與框架》進(jìn)行了解讀:LCA 考慮產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，即從原材料的獲取、能源和材料的生產(chǎn)、產(chǎn)品制造和使用，到產(chǎn)品生命末期的處理以及最終處置;生命周期清單分析(life cycle inventory analysis，LCI)包括數(shù)據(jù)的收集和計(jì)算，以此量化產(chǎn)品系統(tǒng)中相關(guān)輸入和輸出;LCA 中影響評(píng)價(jià)的目的是根據(jù)LCI 的結(jié)果對(duì)潛在環(huán)境影響的程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 對(duì)PM10和PM2.5減排的貢獻(xiàn)核算

3.1 燃煤火電排放因子

黃智賢等［16］從燃料開采、燃料運(yùn)輸、燃料發(fā)電和廠房建設(shè)4 個(gè)階段計(jì)算了燃煤電廠的生命周期廢氣 排 放 清 單，其 中 PM10排 放 系 數(shù) 為0.442 2 g/(kW·h)。

3.2 可再生能源發(fā)電排放因子

3.2.1 水電排放因子

鄒治平等［17］應(yīng)用生命周期分析法，對(duì)水力發(fā)電的工程用材的冶煉、材料運(yùn)輸、電能輸送3 個(gè)階段進(jìn)行分析，計(jì)算出水電站發(fā)電449 ×108kW·h，向大氣排放煙塵157.8 t、粉塵1 551.78 t，即單位水電發(fā)電量煙粉塵排放系數(shù)為0.038 g/(kW·h)。

3.2.2 風(fēng)電排放因子

鄒治平等［18］應(yīng)用生命周期分析法對(duì)風(fēng)力發(fā)電的電廠用材冶煉、材料運(yùn)輸、電廠建設(shè)3 個(gè)階段進(jìn)行分析，計(jì)算出風(fēng)力發(fā)電廠發(fā)電400 GW·h，向大氣排放煙塵20.662 t、粉塵49.368 t，即單位風(fēng)電發(fā)電量煙粉塵排放系數(shù)為0.175 g/(kW·h)。

3.2.3 太陽能發(fā)電排放因子

3.2.4 生物質(zhì)發(fā)電排放因子

劉俊偉［20］從秸稈種植過程、運(yùn)輸過程、發(fā)電階段計(jì)算出發(fā)電10 000 kW·h 的生命周期煙粉塵排放量為2.240 kg，即單位生物質(zhì)發(fā)電量煙粉塵排放系數(shù)為0.224 g/(kW·h)。

3.3 減排因子確定

2012年2月29日發(fā)布的GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中PM2.5的年均值和24 h 平均值二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)均為PM10的50%。參考該標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)燃煤發(fā)電和可再生能源發(fā)電的PM2.5排放系數(shù)均為PM10的50%，得到可再生能源發(fā)電替代燃煤發(fā)電PM10和 PM2.5的減排因子(表3)。

表3 可再生能源發(fā)電替代燃煤發(fā)電PM10和PM2.5減排因子Table 3 PM10 and PM2.5 reduction factor for substitution of coal-fired power generation by renewable energy g/(kW·h)

3.4 減排量核算

根據(jù)表2 和表3，以生命周期評(píng)價(jià)法計(jì)算可再生能源發(fā)電替代燃煤火電的溫室氣體減排貢獻(xiàn)量，結(jié)果見表4。

表4 可再生能源發(fā)電替代燃煤火電對(duì)PM10和PM2.5減排量的計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of PM10 and PM2.5 emission reduction for substitution of coal-fired power generation by renewable energy

由表4 可以看出，以可再生能源發(fā)電替代燃煤火電可以實(shí)現(xiàn)較好的PM10和PM2.5減排效果，2015年P(guān)M10可減排44.21 ×104t/a(占2011年中國電力煙塵年排放115 ×104t［21］的38.44%)，PM2.5可減排22.10 ×104t/a;2020年P(guān)M10可減排65.41 ×104t/a(占2011年中國電力煙塵年排放的56.88%)，PM2.5可減排32.71 ×104t/a。

4 結(jié)語

(1)從各類可再生能源發(fā)電替代燃煤火電的減排系數(shù)來看，從高到低依次為水電＞并網(wǎng)風(fēng)電＞太陽能發(fā)電＞生物質(zhì)發(fā)電;以可再生能源發(fā)電替代燃煤發(fā)電在2012年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較好的PM10和PM2.5減排效果，減排量分別為37.87 ×104和18.94 ×104t/a，有助于大氣環(huán)境質(zhì)量的改善。

(2)“十二五”期間及以后，可再生能源發(fā)電仍將是應(yīng)對(duì)大氣污染防治的一項(xiàng)重要措施，與2012年相比，2015年新增減排PM106.34 ×104t/a 和PM2.53.17 ×104t/a，2020年新增減排PM1027.54 ×104t/a和PM2.513.77 ×104t/a。

(3)煤炭是我國的主要能源，占我國一次能源的70%左右，同時(shí)燃煤火電約占我國總發(fā)電量的80%，而且在未來相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)，煤炭作為主體能源的地位不會(huì)改變。發(fā)展可再生能源發(fā)電，有助于促進(jìn)我國電力結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)的逐步優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)的清潔化和低碳化。

(4)可再生能源是優(yōu)質(zhì)清潔能源，以可再生能源發(fā)電替代燃煤火電，不僅可以實(shí)現(xiàn)PM10和PM2.5的減排，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)SO2、NOx等多種局地大氣污染物和溫室氣體的減排，具有較強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)，應(yīng)給予更強(qiáng)有力的政策支持，不斷提高可再生能源在一次能源中的比重。

［1］中華人民共和國國家衛(wèi)生和計(jì)劃生育委員會(huì).《2013年空氣污染(霧霾)健康影響監(jiān)測(cè)工作方案》解讀［EB/OL］. (2013-10-28 ). http://www. nhfpc. gov. cn/jkj/s5899tg/201310/c7b191f8db0e4f2db21144292ff855db.shtml.

［2］唐孝炎，張遠(yuǎn)航，邵敏. 大氣環(huán)境化學(xué)［M］.2 版. 北京:高等教育出版社，2006:268-269.

［3］謝元博，陳娟，李巍. 霧霾重污染期間北京居民對(duì)高濃度PM2.5持續(xù)暴露的健康風(fēng)險(xiǎn)及其損害價(jià)值評(píng)估［J］. 環(huán)境科學(xué)，2014，35(1):1-8.

［4］VINIKOOR-IMLER L C，DAVIS J A，LUBEN T J. An ecologic analysis of county-level PM2.5concentrations and lung cancer incidence and mortality［J］. Int J Environ Res Public Health，2011，8(6):1865-1871.

［5］GILL E A，CURL C L，ADAR S D，et al. Air pollution and cardiovascular diseasein the multi-ethnic study of atherosclerosis［J］.Prog Cardiovasc Dis，2011，53(5):353-360.

［6］MADRIGANO J，KLOOG I，GOLDBERG R，et al. Long-term exposure to PM2.5and incidence of acute myocardial infarction［J］.Environ Health Perspect，2013，121(2):192-196.

［7］國家統(tǒng)計(jì)局能源統(tǒng)計(jì)司.中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒2012［M］.北京:中國統(tǒng)計(jì)出版社，2012.

［8］中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì). 2012年電力統(tǒng)計(jì)基本數(shù)據(jù)一覽表［EB/OL］. (2013-11-07). http://www. cec. org. cn/guihuayutongji/tongjxinxi/niandushuju/2013-11-07/111737.html.

［9］中國經(jīng)濟(jì)信息網(wǎng). 2013年中國新能源行業(yè)年度報(bào)告［EB/OL］.［2013-10-20］. http://ar. cei. gov. cn/web/Column. asp?ColumnId=32.

［10］國家能源局. 可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃［EB/OL］.(2013-02-21 ). http://www. cnenergy. org/wjfg/201302/t20130221_177068.html.

［11］喬琦，劉景洋，孫啟宏. 生命周期評(píng)價(jià)在我國的應(yīng)用［J］.UNEP 產(chǎn)業(yè)與環(huán)境，2003(增刊):90-93.

［12］CONSOLI F，ALLEN D，BOUSTED I，et al. Guidelines for lifecycle assessment:a code of practice［M］. Pensacola，F(xiàn)L:The Society of Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC)，1993.

［13］ISO. ISO 14040-1997 Environmental management-life cycle assessment-part: principles and framework ［S］. Geneva:International Organization for Standardization，1997.

［14］ISO. ISO 14040-2006 Environmental management-life cycle assessment-principles and framework［S］. Geneva:International Organization for Standardization，2006.

［15］陳亮，劉玫，黃進(jìn). GB/T 24040—2008《環(huán)境管理生命周期評(píng)價(jià)原則與框架》國家標(biāo)準(zhǔn)解讀［J］. 標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)，2009(2):76-80.

［16］黃智賢，吳燕翔.天然氣發(fā)電的環(huán)境效益分析［J］. 福州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，37(1):147-150.

［17］鄒治平，馬曉茜，趙增立，等. 水力發(fā)電工程的生命周期分析［J］.水力發(fā)電，2004，30(4):53-55，62.

［18］鄒治平，馬曉茜. 風(fēng)力發(fā)電的生命周期分析［J］. 中國電力，2003，36(9):83-87.

［19］鄒治平，馬曉茜. 太陽能熱力發(fā)電的生命周期分析［J］. 可再生能源，2004(2):12-15.

［20］劉俊偉.生物質(zhì)能資源化利用系統(tǒng)的初始條件及生命周期評(píng)價(jià)的研究［D］.北京:北京化工大學(xué)，2010:50.

［21］中國新聞網(wǎng).中國電力煙塵年排放115 萬噸 火電煙塵排放率下降［EB/OL］.［2013-01-29］. http://finance. chinanews. com/ny/2013/01-29/4531227.shtml. ?