中國省級(jí)火電供應(yīng)生命周期清單分析

丁 寧,楊建新, 呂 彬

中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)室, 北京 100085

中國省級(jí)火電供應(yīng)生命周期清單分析

丁 寧,楊建新*, 呂 彬

中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)室, 北京 100085

應(yīng)用生命周期評(píng)價(jià)方法,建立了我國各省區(qū)的火電供應(yīng)生命周期清單。清單分析結(jié)果表明,我國各省區(qū)單位火電供應(yīng)的生命周期清單之間,及與全國單位火電供應(yīng)的生命周期清單之間均存在一定差異,以總能源投入和全球變暖潛值為例進(jìn)行了分析。在全球變暖潛值方面,我國單位火電供應(yīng)的平均值為1.05kg/kWh。云南等15個(gè)省區(qū)的單位火電全球變暖潛值與全國平均水平相差±10%以上。如果基于全國單位火電供應(yīng)的平均全球變暖潛值計(jì)算各省火電總量全球變暖潛值,與基于各省單位火電全球變暖潛值計(jì)算的結(jié)果相比,也存在一定的差距。15個(gè)省區(qū)與基于全國平均值計(jì)算的結(jié)果相差±10%以上,表明了核算各省區(qū)火電清單的必要性。中國省級(jí)火電供應(yīng)生命周期清單為省區(qū)級(jí)別的材料、產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)等生命周期評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐,也為各省區(qū)電力節(jié)能減排提供了理論基礎(chǔ)。

火電；生命周期評(píng)價(jià)；生命周期清單；全球變暖潛值

電力生產(chǎn)是資源耗竭和環(huán)境污染的重點(diǎn)行業(yè)[1]。我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)決定了火電在我國長期占據(jù)主導(dǎo)地位。2013年,我國火力發(fā)電量占總發(fā)電量的78.6%,并且大陸31個(gè)省、自治區(qū)、直轄市中20個(gè)省區(qū)火力發(fā)電比例達(dá)到了70% 以上[2]?；痣娛窍幕茉吹闹饕I(lǐng)域,2012年,火力發(fā)電消耗煤炭178531萬噸,占全國煤炭消耗總量的50.6%。電力行業(yè)也是我國污染物減排的關(guān)鍵領(lǐng)域,電力行業(yè)的二氧化硫排放量占全國排放量的比例為47%,煙塵排放量占全國排放量的21%[3]。

生命周期評(píng)價(jià)是國際通用并認(rèn)可的環(huán)境影響評(píng)價(jià)工具,是一種客觀評(píng)價(jià)產(chǎn)品、工藝過程或活動(dòng)環(huán)境負(fù)荷的方法。該方法通過識(shí)別和量化所有物質(zhì)和能量的使用以及環(huán)境排放,來評(píng)價(jià)由此造成的環(huán)境影響,評(píng)估和實(shí)施相應(yīng)的改善環(huán)境表現(xiàn)的機(jī)會(huì)。生命周期評(píng)價(jià)包括產(chǎn)品、過程或活動(dòng)從原材料獲取和加工、生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售、使用、再循環(huán)到最終處置的各個(gè)階段[4]。

國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)電力進(jìn)行了生命周期評(píng)價(jià)研究。這些研究主要在國家尺度展開,如日本[5],葡萄牙[6],毛里求斯[7],丹麥[8]等學(xué)者利用生命周期評(píng)價(jià)方法,計(jì)算了本國電力供應(yīng)的溫室效應(yīng)、不可再生資源耗竭等環(huán)境影響。另有學(xué)者以節(jié)能減排為目標(biāo),評(píng)價(jià)了不同發(fā)電方式的減排潛力[9- 13],以及評(píng)價(jià)了不同發(fā)電技術(shù)的環(huán)境影響[14],為節(jié)能減排提供技術(shù)支撐。

近年來,一些學(xué)者對(duì)我國電力進(jìn)行了生命周期評(píng)價(jià)。在國家尺度,狄向華等[15]利用生命周期評(píng)價(jià)方法,建立了2005年我國火力發(fā)電生命周期清單,揭示了我國單位火電的燃料消耗與污染物排放。Ou等人[16]對(duì)我國煤炭發(fā)電、原油發(fā)電和天然氣發(fā)電進(jìn)行了生命周期能耗和溫室氣體排放進(jìn)行了評(píng)價(jià)。Liang等人[17]對(duì)我國清潔煤發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了評(píng)估,分析了超臨界發(fā)電技術(shù)、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等技術(shù)的減排潛力。在區(qū)域尺度,候萍等[18]以我國電網(wǎng)為基本區(qū)域單位,計(jì)算了華北電網(wǎng),東北電網(wǎng),華東電網(wǎng)等七大電網(wǎng)單位售電碳排放因子。還有一些學(xué)者對(duì)我國火電供應(yīng)的全國平均碳排放進(jìn)行了研究[19]。

這些研究從全國平均水平,解析了我國火力發(fā)電的生命周期碳排放。但是我國省區(qū)電力生產(chǎn)由于裝機(jī)容量、技術(shù)水平、發(fā)電投入能源結(jié)構(gòu)不同,在環(huán)境排放方面存在差異,所以非常有必要對(duì)各個(gè)省區(qū)火電供應(yīng)進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)研究。從生命周期方法的發(fā)展方向看,清單數(shù)據(jù)庫的本地化是一個(gè)重要的研究方向。

基于我國省級(jí)層次的火電供應(yīng)生命周期評(píng)價(jià),能夠明確我國省區(qū)火力發(fā)電的環(huán)境負(fù)荷,為火電行業(yè)節(jié)能減排提供依據(jù),為省區(qū)的電力環(huán)境管理提供支撐,為下游的材料、產(chǎn)品等生命周期評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 方法與數(shù)據(jù)

1.1 目的與范圍的確定

開展省區(qū)火電供應(yīng)生命周期清單分析旨在量化我國各省區(qū)的火電供應(yīng)生命周期環(huán)境影響,提供省區(qū)水平的生命周期評(píng)價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為其它產(chǎn)品開展生命周期評(píng)價(jià)提供更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

本研究系統(tǒng)邊界包括火力發(fā)電及配送過程以及上游能源的供應(yīng),不包括發(fā)電設(shè)備及電廠等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)(圖1)。電力供應(yīng)的生命周期清單計(jì)算,考慮了電力輸送過程中的損耗。電力生命周期評(píng)價(jià)的功能單位確定為1kWh火電供應(yīng)。

本研究基于生產(chǎn)端的生命周期評(píng)價(jià),不涉及跨省調(diào)用。本文考慮配送過程,只是為了突出輸電損耗,以及在損耗基礎(chǔ)上增加的發(fā)電端的投入。由于缺乏西藏的火電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),所以本研究包括除西藏之外的大陸30個(gè)省、自治區(qū)及直轄市。

1.2 生命周期清單計(jì)算方法

火力發(fā)電的生命周期清單包括兩部分,直接部分和間接部分。在火力發(fā)電廠的能源投入及污染物排放屬于直接部分。輸入端投入能源的生命周期清單屬于間接部分。計(jì)算公式如下：

式中,Input 表示清單輸入端；Output表示清單輸出端；DIj表示第j類能源的直接投入；IIj表示第j類能源的間接投入；DOj表示第j類污染物的直接排放；IOj表示第j類污染物的間接排放。

1.3 數(shù)據(jù)來源

本研究涉及的數(shù)據(jù),主要來源于能源統(tǒng)計(jì)年鑒中的各省市及全國火力發(fā)電平衡表[20]。由于可獲得數(shù)據(jù)的局限性,未考慮不同省區(qū)使用能源(煤炭)種類差異。研究所涉及到的能源燃燒排放因子均采用本土化的統(tǒng)一數(shù)據(jù),來自于文獻(xiàn)[21]。上游的原材料、能源等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)則來源于生命周期評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫RCEES2012(中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心開發(fā))。

1.4 模型建立

本文在數(shù)據(jù)收集和處理的基礎(chǔ)上,在生命周期評(píng)價(jià)專業(yè)軟件SimaPro7.3中建立火電生命周期評(píng)價(jià)模型。此模型包括輸入端和輸出端兩部分。輸入端主要包括各類能源的直接投入以及這些能源生產(chǎn)所需的間接投入。輸出端包括發(fā)電過程能源燃燒產(chǎn)生的排放以及投入的能源生產(chǎn)過程的間接排放。

2 生命周期清單分析

通過數(shù)據(jù)收集、處理,建立了不同省區(qū)火力發(fā)電生命周期清單。不同省區(qū)的火電清單輸入端如表1所示?；鹆Πl(fā)電是大氣污染物排放的主要來源,所以本文選取關(guān)注度較高的幾類主要大氣污染物進(jìn)行研究,如表2所示。

2.1 各省區(qū)單位火電供應(yīng)生命周期能耗分析

為了對(duì)比不同省區(qū)火力發(fā)電能源消耗的差異,利用平均低位發(fā)熱量因子[19],對(duì)單位電力供應(yīng)的生命周期總能耗進(jìn)行計(jì)算。我國單位火電供應(yīng)的平均能源投入為13.05MJ/kWh。根據(jù)各省單位火電供應(yīng)能耗及與我國火電供應(yīng)平均生命周期能耗的差距,將我國省區(qū)分為五類,如圖2所示。我國各省單位火電供應(yīng)的能耗相差懸殊,分布在8—24MJ/kWh。云南等四個(gè)省區(qū)單位火電供應(yīng)的能耗大于18MJ/kWh,比國家平均水平高出40%—80%；吉林等7個(gè)省區(qū)能耗在14 —18 MJ/kWh之間,比國家平均水平高出5%—40%；新疆等10個(gè)省區(qū)能耗在13—14MJ/kWh,比國家平均水平高出0%—5%；貴州等4個(gè)省區(qū)能耗在11—13MJ/kWh,低于國家平均水平0%—10%；廣東等4個(gè)省區(qū)能耗在8—11MJ/kWh,低于國家平均水平10%—35%。能耗最大和最小的省區(qū)分別為云南省和北京市,分別為8.7MJ/kWh和24.7MJ/kWh。

2.2 各省區(qū)單位火電供應(yīng)生命周期全球變暖潛值分析

在污染物輸出端,不同省區(qū)火力發(fā)電的主要污染物排放也存在一定差距。本文選取溫室氣體CO2,CH4,N2O為例進(jìn)行分析,按照IPCC的全球變暖潛值計(jì)算方法折算二氧化碳當(dāng)量,CH4和N2O的當(dāng)量因子分別為25和298[22]。圖2 所示為各省區(qū)的單位火電供應(yīng)全球變暖潛值(本省因子)。我國單位火電供應(yīng)的平均全球變暖潛值為1.05kg CO2-eq./kWh(全國因子)。根據(jù)本省因子的大小及與全國因子的差距,將我國省區(qū)分為五類。云南等3個(gè)省區(qū)的各省因子在1.5—2.0 kg CO2-eq./kWh之間,比全國因子高出30%—46%；內(nèi)蒙古等7個(gè)省區(qū)各省因子在1.2—1.5 kg CO2-eq./kWh之間,比全國因子高出10%—30%；青海等8個(gè)省區(qū)各省因子在1.05—1.2 kg CO2-eq./kWh之間,比全國因子高出0%—10%；寧夏等七個(gè)省區(qū)各省因子在0.95—1.05 kg CO2-eq./kWh之間,低于全國因子0%—10%；廣東等5個(gè)省區(qū)各省因子在0.66-0.95 kg CO2-eq./kWh之間,低于全國因子10%—59%。

表1 我國各省區(qū)單位火力發(fā)電能源輸入

表2 我國各省區(qū)單位火電供應(yīng)主要污染物排放清單

圖2 我國各省區(qū)單位火電供應(yīng)生命周期能耗Fig.2 The life cycle energy consumption of 1kWh thermal electricity supply差距為各省單位火電供應(yīng)生命周期能耗與全國平均水平的差異,計(jì)算公式為(E省-E國)/ E省

1kWh火電供應(yīng)的全球變暖潛值最大和最小的省區(qū)和能耗對(duì)應(yīng),依然是云南和北京,分別為1.9kg CO2-eq./kWh和0.66kg CO2-eq./kWh。全球變暖潛值的差異除了與投入端能源投入多少有關(guān)以外,與發(fā)電投入能源結(jié)構(gòu)緊密相連。例如：單位火電供應(yīng)北京與上海對(duì)比,初始能源投入北京比上海高3%左右,而全球變暖潛值,北京卻比上海低12%左右,這是因?yàn)楸本┗痣娔茉赐度胫刑烊粴庹嫉搅?7%的份額,這表明增加天然氣火電廠的比例可以降低溫室氣體排放。

圖3 我國各省區(qū)單位火電供應(yīng)生命周期全球變暖潛值Fig.3 The life cycle Global Warm Potential of 1kWh thermal electricity supply差距為各省單位火電供應(yīng)全球變暖潛值與全國單位火電供應(yīng)平均全球變暖潛值之間的差異,計(jì)算公式為(G省-G國)/ G省

2.3 各省區(qū)火電總量生命周期全球變暖潛值分析

在各省區(qū)單位火電供應(yīng)的全球變暖潛值的基礎(chǔ)上,本文計(jì)算了各省區(qū)由發(fā)電總量引起的全球變暖潛值(總量潛值)。將本省因子與本省的火力發(fā)電量相乘得到各省總量潛值G1,圖4為我國各省區(qū)值的G1值?？偭繚撝凳歉魇∫蜃蛹盎痣娍偭績蓚€(gè)因素共同作用的結(jié)果?？偭繚撝底罡叩臑樯綎|省,最低的為北京。山東是我國第二大火力發(fā)電省,占全國火電總量的8.3%；而本省因子又高于全國因子6%,所以山東成為總量潛值最高的省區(qū)。北京市火電量在我國各省區(qū)中排倒數(shù)第四位,本省因子又是全國最小的,所以成為總量潛值最小的省區(qū)。

圖4 我國各省區(qū)火電總量全球變暖潛質(zhì)Fig.4 The GHG of total thermal power in provinces

將全國因子與某個(gè)省區(qū)火電總量相乘為G2,將(G2-G1)/G1設(shè)為Q,即為用全國因子計(jì)算本省總量潛值的誤差。圖5所示為我國不同省區(qū)的Q值,在坐標(biāo)軸以上為大于基于本省因子計(jì)算的總量潛值的百分比,坐標(biāo)軸以下為小于本省因子計(jì)算結(jié)果的百分比。結(jié)果顯示,誤差在20%—59%的省區(qū)共4個(gè)；誤差在0%—20%的省份有8個(gè)；誤差在-10%—0%的省份有9個(gè),誤差在-10%—30%的省份有6個(gè),誤差在-46%—-30%的省份有3個(gè)。將各省的總量潛值加和得到全國的總量潛值。對(duì)于全國的總量潛值而言,基于全國因子計(jì)算比基于本省因子計(jì)算少4.5億tCO2-eq。

圖5 基于全國單位火電全球變暖潛值及各省區(qū)單位火電全球變暖潛值的各省區(qū)火力發(fā)電溫室效應(yīng)對(duì)比Fig.5 The comparative analysis of Global warm potential

北京、湖南等省區(qū)差距達(dá)到了57%,-39%等,這意味著如果按照全國火電平均因子核算北京市由火電引起的全球變暖潛值,將比實(shí)際情況高出57%,而湖南省則會(huì)比實(shí)際情況少39%。這表明基于全國平均因子計(jì)算各省區(qū)總量潛值會(huì)引起一定的誤差,如果以全國火電平均因子來計(jì)算基于各省區(qū)的材料、產(chǎn)品以及行業(yè)的全球變暖潛值將會(huì)有更大的誤差。所以建立我國省區(qū)級(jí)別的火力發(fā)電生命周期清單非常有必要。

3 討論

本研究的數(shù)據(jù)主要來源于《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒》?！吨袊茉唇y(tǒng)計(jì)年鑒》是一部全面反映中國能源建設(shè)、生產(chǎn)、消費(fèi)、供需平衡的權(quán)威性資料書。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要來源于國家統(tǒng)計(jì)局年度統(tǒng)計(jì)報(bào)表,也就是來自于各能源生產(chǎn)企業(yè)的報(bào)表。數(shù)據(jù)全面考慮了不同火電廠的不同裝機(jī)容量、發(fā)電技術(shù)水平、能源投入結(jié)構(gòu)等,所以本研究結(jié)果能夠反映我國各省火力發(fā)電的平均水平。

生命周期評(píng)價(jià)研究的開展需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活的基礎(chǔ),電力的生命周期評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)是必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。近年來,隨著研究的不斷細(xì)化,生命周期評(píng)價(jià)也向本地化發(fā)展,例如北京市電動(dòng)車生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究,需要北京市電力生命周期評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。以溫室氣體排放為例,全國供應(yīng)1 kWh火電比北京市高出58%。所以只有區(qū)域化的生命周期評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)才能支撐相關(guān)研究的發(fā)展。目前,我國電力結(jié)構(gòu)中火電占主導(dǎo)地位,大部分省區(qū)也以火電為主。19個(gè)省的火電量占總發(fā)電量的80%以上,所以本文建立了火電生命周期清單。隨著新能源技術(shù)的發(fā)展和推廣,風(fēng)電、水電、太陽能發(fā)電等必將占到一定比例,所以在未來的研究中必須考慮風(fēng)電、水電等新清潔能源發(fā)電技術(shù)的省區(qū)生命周期評(píng)價(jià),進(jìn)一步完善電力的省區(qū)生命周期評(píng)價(jià)研究。

4 結(jié)論

本研究所建立的省區(qū)電力生命周期清單分析結(jié)果表明,在單位火電供應(yīng)的能源投入、污染物排放方面,我國不同省區(qū)之間,及不同省區(qū)與全國平均水平之間均存在一定差距。對(duì)于單位火電供應(yīng)的全球變暖潛值和火電總量的全球變暖潛值,均有15個(gè)省區(qū)與全國水平相差±10%以上,所以建立各省區(qū)的火電清單非常必要。該生命周期清單為我國進(jìn)一步開展產(chǎn)品本地化生命周期評(píng)價(jià)提供了數(shù)據(jù)支撐,也為各省區(qū)電力節(jié)能減排提供了理論基礎(chǔ)。

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Life cycle inventory analysis of provincial thermal electricity in China

DING Ning， YANG Jianxin*, LU Bin

StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchcenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China

Based on the life cycle assessment method, this paper developed the life cycle inventory of thermal electricity at provincial level in China. In this study, the data source and accounting method for thermal electricity were described in consideration of varies of primary energy and conversion technologies at each province. The inventory results indicated that, there are large differences between the provinces in context of energy requirements and Global Warming Potential (GWP) for production of 1 kWh thermal power. Averagely, 1.05 kg CO2-eq.of GWP was produced to provide 1kWh thermal electricity. The GWP values in 15 provinces were higher or lower more than ±10% compared with the national average level. GWP is nearly entirely caused by thermal power the discrepancies are more than ±10% in 15 provinces between based on the national average GWP and provincial GWP. This discrepancy shows that it is necessary to develop the life cycle inventory database of thermal electricity at provincial scale. This provincial database can provide better data for life cycle assessment of products and industry, which also promotes the energy conservation and emissions reduction in electricity sectors at both provincial and national level.

thermal electricity; life cycle assessment; life cycle inventory; global warming potential

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA05140200)

2015- 07- 28;

2016- 04- 20

10.5846/stxb201507281584

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yangjx@rcees.ac.cn

丁寧,楊建新, 呂彬.中國省級(jí)火電供應(yīng)生命周期清單分析.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(22):7192- 7201.

Ding N, Yang J X, Lu B.Life cycle inventory analysis of provincial thermal electricity in China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7192- 7201.