基于生命周期的風(fēng)電場碳排放核算

戢時雨，高　超，陳　彬，李勝男北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，環(huán)境模擬與污染控制國家重點實驗室，北京　100875

?

基于生命周期的風(fēng)電場碳排放核算

戢時雨，高超，陳彬*，李勝男
北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，環(huán)境模擬與污染控制國家重點實驗室，北京100875

摘要:風(fēng)電是實現(xiàn)低碳戰(zhàn)略的主力能源技術(shù)之一。為全面分析其對環(huán)境的影響，將自然植被納入系統(tǒng)邊界，計量風(fēng)電場建設(shè)前后植被破壞及恢復(fù)帶來的影響。在清單分析中，重點考慮對碳排影響較大的配件生產(chǎn)及運(yùn)輸、建設(shè)期工程車耗油排放，更加合理地核算風(fēng)電場碳排放和量化其環(huán)境影響。核算結(jié)果表明:案例風(fēng)電場全生命周期排碳量為2.97×104tC;運(yùn)營期由于電能損耗造成的CO2排放量遠(yuǎn)大于其它階段，占全過程的57.74%;整個過程中，能源消耗造成的碳排放遠(yuǎn)大于資源損耗排放。

關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電;生命周期評價;碳排放;植被碳匯

戢時雨，高超，陳彬，李勝男.基于生命周期的風(fēng)電場碳排放核算.生態(tài)學(xué)報，2016，36(4):915-923.

Ji S Y，Gao C，Chen B，Li S N.Carbon emission accounting for wind farm based on life cycle assessment.Acta Ecologica Sinica，2016，36(4):915-923.

當(dāng)下中國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對能源利用與生態(tài)保護(hù)施加極大壓力。為解決能源資源和環(huán)境挑戰(zhàn)，中國已經(jīng)明確提出低碳能源發(fā)展戰(zhàn)略和目標(biāo)，到2020年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到2億kW，2050年達(dá)到10億kW并滿足17%的電力需求［1］。風(fēng)電已經(jīng)開始并將繼續(xù)成為實現(xiàn)低碳能源戰(zhàn)略的主力能源技術(shù)之一。盡管風(fēng)能是取之不盡用之不竭的天然資源，但人類對于風(fēng)能的開發(fā)利用方式存在一定弊端，間接影響著生態(tài)環(huán)境。

經(jīng)過近30年的發(fā)展，生命周期評價已發(fā)展成為系統(tǒng)評價產(chǎn)品(材料)或活動(服務(wù))的環(huán)境影響和環(huán)境管理的重要工具。同時，關(guān)于風(fēng)電場的生命周期分析也已從不同視角廣泛開展。王曉天［2］指出風(fēng)電場產(chǎn)電過程本身并不排放污染物和溫室氣體，但風(fēng)電設(shè)備從原材料開采到設(shè)備的報廢處理整個過程中，需要消耗一定的能量，在評價其對環(huán)境的影響時，必須考慮償還這部分能量所產(chǎn)生的大氣污染物的排放。Pehnt等［3］認(rèn)為利用風(fēng)能發(fā)電可以減少碳排量，相比傳統(tǒng)能源降低發(fā)電過程對于自然環(huán)境的影響，對于制造建設(shè)階段消耗的能量與污染氣體排放，僅需12個月左右的運(yùn)營時間即可完成償還。Yang等［4］考慮風(fēng)電機(jī)組部件、變電站、運(yùn)輸過程、建筑建設(shè)工程、運(yùn)營維護(hù)和拆解處置6個部分，對風(fēng)電場的不可再生能源消耗量及溫室氣體排放量進(jìn)行全過程分析，發(fā)現(xiàn)67%的溫室氣體排放來自建筑建設(shè)，30%是由于風(fēng)機(jī)制造，而運(yùn)營維護(hù)溫室氣體排放僅占3%，Ardente等［5］對意大利風(fēng)電場的環(huán)境影響及效益分析也得出類似結(jié)論。而部分研究則認(rèn)為風(fēng)電機(jī)組的生命周期環(huán)境影響占整個風(fēng)電場生命周期過程最大［6-7］。郭敏曉［8］核算得到風(fēng)機(jī)生產(chǎn)階段耗能和CO2排放占風(fēng)電場生命周期總耗能及CO2排放比例最大，分別為68.23%和67.18%，因此可用風(fēng)機(jī)全過程的排放代表風(fēng)電場總排放進(jìn)行建模。對于風(fēng)機(jī)制造這一耗能排碳重要階段，對葉片、變速器及零件的回收再利用將有效減少其能耗［9-10］。在風(fēng)機(jī)制造與運(yùn)輸部分，若調(diào)整風(fēng)機(jī)制造廠的供電能源，或風(fēng)電場選址考慮臨近風(fēng)機(jī)制造廠或重要配件制造廠，則可有效減少風(fēng)機(jī)制造相關(guān)的能耗與碳排放［11］。

由于系統(tǒng)邊界設(shè)定、研究階段的差異，導(dǎo)致當(dāng)前對風(fēng)電場的LCA分析中，潛在能源消耗并未全部體現(xiàn)出來［12］。本研究意在同時向前和向后延伸傳統(tǒng)風(fēng)電LCA研究的系統(tǒng)邊界:考慮風(fēng)電場占用土地為風(fēng)電場所必須獲取的一種原材料，因此系統(tǒng)邊界向前延伸至“農(nóng)田破壞”過程，該過程獲得“建設(shè)用地”;而建設(shè)風(fēng)電場損壞了原有植被，需要進(jìn)行后續(xù)修復(fù)過程，因此系統(tǒng)邊界向后延伸至“草地恢復(fù)”過程，該過程恢復(fù)“建設(shè)用地”。由此，將“農(nóng)田破壞”與“草地恢復(fù)”都納入風(fēng)電場建設(shè)的生命周期過程，綜合考慮該風(fēng)電場建設(shè)前后植被破壞及恢復(fù)引起的植被碳匯影響，并對安徽某風(fēng)電場進(jìn)行案例研究，更加合理地核算風(fēng)電場的碳排放。

1　研究方法

1.1研究對象

安徽某風(fēng)電場位于城鎮(zhèn)交界處的低山上，裝機(jī)規(guī)模為48 MW，擬安裝單機(jī)容量2000 kW的風(fēng)電機(jī)組共24臺。年理論發(fā)電量127.28 GW·h，年上網(wǎng)電量95.97 GW·h。該風(fēng)電場距城區(qū)直線距離約20 km。工程永久征地總面積為0.23 km2，臨時征地總面積為0.17km2。

1.2研究方法

1.2.1系統(tǒng)邊界

本文將案例風(fēng)電場以下3階段(圖1)中各項目涉及的溫室氣體排放量，并最終轉(zhuǎn)換到碳排放量上進(jìn)行總碳排放量核算與討論。

圖1　風(fēng)電場系統(tǒng)邊界Fig.1System boundary of wind farm

1.2.2核算過程

建設(shè)期包含3部分:植被變化、建設(shè)工程、運(yùn)輸工程。

植被變化:風(fēng)電場建設(shè)將對原有土地開發(fā)，影響當(dāng)?shù)刂脖粻顩r與固碳能力。本研究使用相應(yīng)植被固碳值核算風(fēng)電場21a生命周期內(nèi)，由于電場建設(shè)造成的農(nóng)田損失與建后植被恢復(fù)固碳量變化引發(fā)的碳排放量。

建設(shè)工程:建設(shè)工程分為兩部分，其一為生產(chǎn)階段，其二為建設(shè)階段。生產(chǎn)階段指風(fēng)電場建設(shè)過程中需要的設(shè)備及建材的生產(chǎn)過程，其中包括風(fēng)機(jī)材料、基礎(chǔ)工程建設(shè)需要的建筑材料，以及線路安裝工程使用的線材等。本項目使用的是2 MW風(fēng)機(jī)，共24臺，根據(jù)2 MW風(fēng)機(jī)規(guī)格，可列出風(fēng)機(jī)制造所需材料種類及總質(zhì)量(表1)。基礎(chǔ)工程建設(shè)包括發(fā)電設(shè)備基礎(chǔ)工程、變配電工程及房屋建筑工程，主要是用到較多的混凝土和鋼筋。線路安裝工程包括電纜敷設(shè)、架空線路、配電裝置、無功補(bǔ)償系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、直流系統(tǒng)和遠(yuǎn)動系統(tǒng)的配置安裝等，這些工程會用到不同材質(zhì)的母線、電纜和光纜。

表1　2MW風(fēng)機(jī)材料需求清單［13］Table1　Material requirement list of 2MW wind turbines［13］

建設(shè)工程部分使用的材料及能源在其生產(chǎn)或使用時均會產(chǎn)生溫室氣體排放，在計算時只考慮CDM中規(guī)定的溫室氣體:CO2(二氧化碳)、CH4(甲烷)、N2O(氧化亞氮)、HFCs(氫氟碳化物)、PFCs(全氟化碳)、SF6(六氟化硫)，其中與工程相關(guān)的有CO2、CH4和N2O。其中排放1t CH4相當(dāng)于排放21 t CO2，排放1t N2O相當(dāng)于310 t CO2［14］。根據(jù)不同能源及材料的使用量及排放因子(表2)，可以計算出建設(shè)工程整個過程中的碳排放量。

項目建設(shè)期需要運(yùn)輸?shù)闹饕歉鞣N機(jī)械設(shè)備及基礎(chǔ)工程所需的建設(shè)材料，如風(fēng)機(jī)設(shè)備、變壓器設(shè)備、線路材料及建筑材料。將每種材料的質(zhì)量及距離的乘積加和，就可得到總的運(yùn)輸量。對于大型運(yùn)輸車輛，由于柴油提供的馬力大，運(yùn)輸效率較高，所以一般使用柴油。對車輛運(yùn)輸能耗以柴油計算，單位能耗采用0.06 L/tkm。在本研究中，考慮風(fēng)力渦輪機(jī)、變壓器、線路材料、混凝土和鋼筋的運(yùn)輸，其中前三者以風(fēng)電場與最近的風(fēng)力發(fā)電機(jī)公司之間的距離計算，約449.3 km;而混凝土及鋼筋在當(dāng)?shù)乜少I到，距離以20.5 km計。

1.2.2核算過程

建設(shè)期包含3部分:植被變化、建設(shè)工程、運(yùn)輸工程。

植被變化風(fēng)電場建設(shè)將對原有土地開發(fā)，影響當(dāng)?shù)刂脖粻顩r與固碳能力。本研究使用相應(yīng)植被固碳值核算風(fēng)電場21a生命周期內(nèi)，由于電場建設(shè)造成的農(nóng)田損失與建后植被恢復(fù)固碳量變化引發(fā)的碳排放量。

運(yùn)營期風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電過程可認(rèn)為極少排放或不排放溫室氣體。為維持風(fēng)電場機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)及工作人員的日常生活，需要消耗一部分能源。在風(fēng)電場運(yùn)行期生產(chǎn)性建筑物的能源主要是電能。本項目所建風(fēng)電場運(yùn)行期間主要建筑及電氣設(shè)備有:風(fēng)電場照明系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、一次、二次、通訊設(shè)備等負(fù)荷;電氣設(shè)備電能損耗主要產(chǎn)生在集電線路、主變壓器、箱式變電站、廠用變壓器等。為了便利使用及穩(wěn)定運(yùn)行，風(fēng)電場自身用電由國家電網(wǎng)提供，國家電網(wǎng)主要由火電提供，所以風(fēng)電場運(yùn)行期由于電能消耗產(chǎn)生的碳排量由火電決定，即以火電的CO2排放因子0.81 kg kW－1h－1計算。

報廢期本項目風(fēng)電場擬運(yùn)營20a，正好符合風(fēng)力渦輪機(jī)規(guī)定使用年限，所以可認(rèn)為在20a內(nèi)不更換或廢棄各種設(shè)備材料。運(yùn)營期結(jié)束后，大量材料廢棄并進(jìn)行處理時仍可能產(chǎn)生溫室氣體。部分材料可進(jìn)行回收利用，所以在總的碳排放量中需減去回收的部分。

2　研究結(jié)果

2.1建設(shè)期

2.1.1建設(shè)期——植被變化

根據(jù)風(fēng)電場可行性報告，風(fēng)電場所占地原為農(nóng)田，由于風(fēng)電場的建設(shè)運(yùn)營，該地將減少21a的農(nóng)田水平固碳量。建設(shè)期過后，在臨時征用土地上進(jìn)行植被恢復(fù)，恢復(fù)后為草地。忽略草生長時間，本文按運(yùn)營期20a計算恢復(fù)植被固碳量，并使用農(nóng)田與草地的全國平均固碳量數(shù)值計算植被變化帶來的固碳量損失(表3)。

表3　植被變化固碳影響計算Table3　Calculation of carbon sequestration affected by vegetation changes

計算可得，由于風(fēng)電場建設(shè)對植被造成改變，在21a運(yùn)行壽命中，植被碳匯量減少149.20 tC。

2.1.2建設(shè)期——建設(shè)工程

建設(shè)期建設(shè)工程部分的總碳排放量經(jīng)計算相當(dāng)于3.86×104tCO2，折合為1.05×104tC。

建設(shè)工程部分主要是由于各種資源能源的消耗引起碳排放。資源消耗主要是由于風(fēng)機(jī)材料制造和基礎(chǔ)工程建材的使用;能源消耗主要由于基礎(chǔ)建設(shè)及設(shè)備安裝中機(jī)械工程車的使用。其中，能源消耗引起的碳排放量如表4所示。

2.1.3建設(shè)期——運(yùn)輸工程

項目建設(shè)期需要運(yùn)輸?shù)闹饕歉鞣N機(jī)械設(shè)備及基礎(chǔ)工程所需的建設(shè)材料，如風(fēng)機(jī)設(shè)備、變壓器設(shè)備、線路材料及建筑材料。運(yùn)輸工程產(chǎn)生碳排放的主要原因是運(yùn)輸過程的油耗，而油耗與距離及貨物重量相關(guān)。計算發(fā)現(xiàn)，運(yùn)輸工程的總柴油消耗量為2.30×105L。由此計算得到碳排放量相當(dāng)于6.30×102tCO2，折合為1.72× 102tC。

表4　建設(shè)工程能源消耗計算Table4　Calculation of energy consumption for construction engineering

將建設(shè)期的碳排放分為三大部分:植被變化、建設(shè)工程和運(yùn)輸工程。經(jīng)過計算，植被變化、建設(shè)工程和運(yùn)輸工程造成的碳排量分別是149.20、1.05×104tC和1.72×102tC，其中建設(shè)工程占建設(shè)期總碳排的97.04%，主導(dǎo)著建設(shè)期的碳排放總量(圖2)。

圖2　風(fēng)電場建設(shè)期各部分碳排放對比Fig.2　Proportion of carbon emission from each stage of the construction period of wind farm

2.2運(yùn)營期

本項目風(fēng)電場擬運(yùn)營20a，根據(jù)風(fēng)電場運(yùn)營的能源年消耗量，可計算得到整個運(yùn)營期將要排放的總碳量，相當(dāng)于6.27×104tCO2，折合成1.71×104tC。

2.3報廢期

本項目風(fēng)電場擬運(yùn)營20a，正好符合風(fēng)力渦輪機(jī)規(guī)定使用年限，所以可認(rèn)為在20a內(nèi)不更換或廢棄各種設(shè)備材料。運(yùn)營期結(jié)束后，大量的材料廢棄，廢棄處理時仍可能產(chǎn)生溫室氣體。部分材料可進(jìn)行回收利用，所以在總的碳排量中需減去回收的部分。各種材料的回收及其它處理情況見表5［25］。

表5　風(fēng)機(jī)回收和廢物處理［25］Table5　Recycling and disposal of the waste from the wind turbines［25］

在廢棄材料的處理處置階段，雖然不銹鋼、銅等金屬材料有較大的回收量，但在回收時也會造成一定得溫室氣體排放;除此之外，材料的填埋、焚燒也會產(chǎn)生碳排。最終計算得到，廢棄階段的碳排量相當(dāng)于6.68×103tCO2，折合成1.83×103tC。

2.4風(fēng)電場生命周期碳排量

綜合以上計算，建設(shè)期植被變化導(dǎo)致風(fēng)電場所在地植被碳匯量減少了149.20 tC;建設(shè)期建設(shè)工程部分的總碳排量相當(dāng)于3.86×104tCO2，折合為1.05×104tC;建設(shè)期運(yùn)輸工程部分的總碳排量相當(dāng)于6.30×102tCO2，折合為1.72×102tC;20a運(yùn)營期總碳排放量相當(dāng)于6.27×104tCO2，折合成1.71×104tC;報廢期的碳排量相當(dāng)于6.68×103tCO2，折合成1.83×103tC。

將所有階段的碳排放量加和，得到整個風(fēng)電場從項目建設(shè)開始到運(yùn)行20a結(jié)束全生命周期的碳排放量，折合為2.97×104tC。

在整個碳排放過程中，運(yùn)營期占的比重最大，為57.74%，其它階段分別為:建設(shè)期植被影響0.0005%、建設(shè)期建設(shè)工程部分35.54%、建設(shè)期運(yùn)輸工程部分0.58%，報廢期6.15%。植被影響造成的碳排量雖然很大，但其在風(fēng)電場整個生命周期中占到的比例較小(圖3)。

圖3　修正前各階段碳排量Fig.3Carbonemissionofeachstageofthetotalcycle before modification

在整個生命周期過程中，運(yùn)營期由于電能消費(fèi)，溫室氣體排放量最大，其次是建設(shè)期。運(yùn)營期持續(xù)時間為20a，建設(shè)期為1a，所以在排放密度上，建設(shè)期遠(yuǎn)超過運(yùn)營期，對環(huán)境的影響相對來說更大。建設(shè)期的建設(shè)工程部分為主要碳排放貢獻(xiàn)者，遠(yuǎn)大于運(yùn)輸工程和植被影響。建設(shè)工程中基礎(chǔ)工程建材和風(fēng)機(jī)材料的生產(chǎn)造成了主要的碳排放，這部分屬于資源消耗造成的碳排放，大概占建設(shè)工程總碳排的96%，而機(jī)械車輛作業(yè)消耗的能量造成的碳排放只有4%(圖4)。

圖4　風(fēng)電場生命周期各階段碳排分析Fig.4Carbon emission of each stage of the total cycle of the wind farm

若是進(jìn)一步擴(kuò)大系統(tǒng)邊界，考慮報廢期的材料回收使大量資源繼續(xù)應(yīng)用到其它項目中，即相當(dāng)于在建設(shè)工程部分沒有使用這部分資源，則可將這部分資源造成的碳排從總碳排放量中除去，對上述計算方法進(jìn)行修正。

修正時，應(yīng)注意的是，只考慮報廢期回收材料使總碳排量減少的部分，即除去該部分材料建設(shè)工程階段的碳排量，但其運(yùn)輸工程中產(chǎn)生的碳排放不可忽略，其它階段的計算均不發(fā)生改變。根據(jù)表6中風(fēng)機(jī)回收和廢物處理可知:只對不銹鋼、生鐵及銅進(jìn)行回收，回收量分別為90%，90%，和95%，將其折合為減少的碳排量，即為1.12×104tCO2，折合成3.06×105tC。

圖5為修正前后各階段排放量對比圖。二者區(qū)別在于建設(shè)工程部分，修正后由于考慮材料回收對前幾階段的影響，總碳排放量要除去回收部分在建設(shè)工程計算的碳排放量，使得總碳排放量減少。

圖5　修正前后各階段碳排量對比Fig.5　Comparison of the carbon emission of each stage before and after modification

3　分析與討論

3.1植被影響

風(fēng)電場施工過程中，風(fēng)機(jī)與變電設(shè)備占地、道路鋪設(shè)、集電線路區(qū)和施工臨時占地都會對當(dāng)?shù)氐乇碇脖辉斐善茐?。表層影響為植被面積損失:占地范圍內(nèi)植被遭受砍伐、鏟除、掩埋等人類干擾，導(dǎo)致植被消失;深層影響為土層擾動，土壤生產(chǎn)力受損，植物多樣性減少及分布變化。根據(jù)計算，由于風(fēng)電場建設(shè)導(dǎo)致農(nóng)田破壞，并在建設(shè)完成后做草地恢復(fù)這一過程中引起的碳匯量損失為149.20 tC。上述土壤擾動、生物量減少引發(fā)的碳排量影響難以體現(xiàn)在計算中，故風(fēng)電場建設(shè)的間接碳排放遠(yuǎn)不止149.20 tC。

實際建設(shè)過程中，施工前需要將基礎(chǔ)表土剝離(約50 cm)，并在基坑一側(cè)堆放，以供植被恢復(fù)時表土回覆。此段時間，土壤的水分養(yǎng)分有所流失，風(fēng)沙產(chǎn)生，地表徑流污染。水、氣、土三圈都受到一定程度的破壞。

綜上所述，風(fēng)電場的建設(shè)對于自然生態(tài)環(huán)境的影響不容忽視。一方面，在對風(fēng)電場建設(shè)的環(huán)境影響評價需要更加全面而定量考慮對自然環(huán)境的影響，重新考察風(fēng)能發(fā)電的環(huán)境友好性;另一方面，對于風(fēng)電場建設(shè)對環(huán)境造成的影響要采取更加及時有效的補(bǔ)償恢復(fù)辦法，重點在于嚴(yán)格執(zhí)行。

3.2生產(chǎn)期碳排分析

在以往的風(fēng)電場材料生產(chǎn)碳排分析中，只對風(fēng)機(jī)材料進(jìn)行了計算［6，8］，但是，通過本研究發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)電場設(shè)備及線路安裝工程中使用了大量的線材，對運(yùn)輸耗能排放有約3%的貢獻(xiàn)。在所有線材中，銅芯電纜所占比重最大，以銅芯電纜的排放代表整個線材部分的生產(chǎn)排放，可得到其生產(chǎn)階段排放值。生產(chǎn)和運(yùn)輸綜合，建設(shè)期電纜的排放總量約為39.56 tCO2，折合成10.79 tC。

建設(shè)工程車的耗油碳排量也曾經(jīng)被以往研究所忽略。據(jù)計算，混凝土澆筑、鋼筋安裝、土方開挖回填所需工程車工作消耗柴油引起的碳排量占總建筑工程大約4%。此外，體型大，工作高度高的風(fēng)電機(jī)安裝也是風(fēng)電場建設(shè)工程所獨(dú)有的部分。其需要500 t履帶吊兩臺，對每臺風(fēng)機(jī)工作2—3臺班才可完成相關(guān)吊裝安裝工作。所以，吊裝車作業(yè)對碳排放也有很大貢獻(xiàn)，本文中此方面數(shù)據(jù)欠缺，尚未將其列入計算，亟待后續(xù)研究。

3.3運(yùn)營期碳排分析

傳統(tǒng)研究將風(fēng)電視作一種清潔能源，認(rèn)為風(fēng)力發(fā)電過程不會產(chǎn)生任何排放［6，8］，但在本研究中，由于風(fēng)電場需要維持許多大型設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及工作人員的日常生活，并且常年運(yùn)行，所以在整個生命周期中會消耗大量的電能，運(yùn)營期年用電量占風(fēng)電場年上網(wǎng)電量的3.9%。運(yùn)營用電來自電網(wǎng)，而電網(wǎng)以火電為主體，從而產(chǎn)生大量排放。因此風(fēng)能發(fā)電從這一角度來講間接消耗礦物燃料，產(chǎn)生一定環(huán)境污染。除此之外，由于風(fēng)力發(fā)電固有的間歇性和不穩(wěn)定性，必須要有足夠的調(diào)峰資源以保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。一系列的調(diào)節(jié)系統(tǒng)會耗費(fèi)大量金屬材料并消耗大量電能，更加重了風(fēng)電隱含的生態(tài)環(huán)境影響。

4　結(jié)論

整個風(fēng)電場從植被破壞開始到報廢處置，21a內(nèi)的全生命周期折合碳排量為2.97×104tC，單位發(fā)電量碳排量1.09×10－3tCO2kW－1h－1，2.98×10－4tC kW－1h－1，與已有研究中對于火力發(fā)電的碳排量估算值相差不大。

以往研究認(rèn)為風(fēng)機(jī)生產(chǎn)階段CO2排放占風(fēng)電場生命周期比例最大［12］，并且風(fēng)電場產(chǎn)電過程本身并不排放污染物和溫室氣體，所以可用風(fēng)機(jī)全過程的排放代表風(fēng)電總排放進(jìn)行建模。但本研究在進(jìn)行建設(shè)期清單分析時，全面地考慮了植被影響、用量大但較易被忽略的電纜光纜鋪設(shè)引發(fā)的碳排放、運(yùn)輸所耗燃油之外的建設(shè)工程車耗油碳排、運(yùn)營期能耗產(chǎn)生的碳排放等，發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場建設(shè)和運(yùn)營期間存在大量間接碳排放，對自然生態(tài)環(huán)境的影響不容忽視。

參考文獻(xiàn)(References):

［1］王仲穎，時璟麗，趙勇強(qiáng).中國風(fēng)電發(fā)展路線圖2050.國家發(fā)展和改革委員會能源研究所，2011.

［2］王曉天.基于全生命周期評價方法的風(fēng)電環(huán)境效益測算——以內(nèi)蒙古某風(fēng)電場為例.科技管理研究，2012，32(18):259-262.

［3］Pehnt M，Oeser M，Swider D J.Consequential environmental system analysis of expected offshore wind electricity production in Germany.Energy，2008，33(5):747-759.

［4］Yang Q，Chen G Q，Zhao Y H，Chen B，Li Z，Zhang B，Chen Z M，Chen H.Energy cost and greenhouse gas emissions of a Chinese wind farm.Procedia Environmental Sciences，2011，5:25-28.

［5］Ardente F，Beccali M，Cellura M，Lo Brano V.Energy performances and life cycle assessment of an Italian wind farm.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2008，12(1):200-217.

［6］Chen G Q，Yang Q，Zhao Y H.Renewability of wind power in China:a case study of nonrenewable energy cost and greenhouse gas emission by a plant in Guangxi.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2011，15(5):2322-2329.

［7］Martínez E，Sanz F，Pellegrini S，Jiménez E，Blanco J.Life cycle assessment of a multi-megawatt wind turbine.Renewable Energy，2009，34(3): 667-673.

［8］郭敏曉，蔡聞佳，王燦，陳吉寧.風(fēng)電場生命周期CO2排放核算與不確定性分析.中國環(huán)境科學(xué)，2012，32(4):742-747.

［9］Lenzen M，Munksgaard J.Energy and CO2life-cycle analyses of wind turbines—review and applications.Renewable Energy，2002，26(3): 339-362.

［10］Martínez E，Jiménez E，Blanco J，Sanz F.LCA sensitivity analysis of a multi-megawatt wind turbine.Applied Energy，2010，87(7):2293-2303.

［11］Tremeac B，Meunier F.Life cycle analysis of 4.5 MW and 250 W wind turbines.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2009，13(8): 2104-2110.

［12］Crawford R.Life cycle energy and greenhouse emissions analysis of wind turbines and the effect of size on energy yield.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2009，13(9):2653-2660.

［13］Guezuraga B，Zauner R，P?lz W.Life cycle assessment of two different 2 MW class wind turbines.Renewable Energy，2012，37(1):37-44.

［14］Intergovernmental Panel on Climate Change.2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories.Japan:Institute for Global Environmental Strategies，2006.

［15］Kabir M R，Rooke B，Dassanayake G D，F(xiàn)leck B A.Comparative life cycle energy，emission，and economic analysis of 100 kW nameplate wind power generation.Renewable Energy，2012，37(1):133-141.

［16］Athena Sustainable Materials Institute.A Life Cycle Perspective on Concrete and Asphalt Roadways:Embodied Primary Energy and Global Warming Potential.Canada:Cement Association of Canada，2006.

［17］Schleisner L.Life cycle assessment of a wind farm and related externalities.Renewable Energy，2000，20(3):279-288.

［18］Giurco D，Stewart M，Suljada T，Petrie J.Copper recycling alternatives:an environmental analysis//5th Annual Environmental Engineering Research Event.Noosa，QLD，2006.

［19］Rieradevall J，Domènech J X，F(xiàn)ullana P.Application of life cycle assessment to landfilling.The International Journal of Life Cycle Assessment，1997，2(3):141-144.

［20］White S W.Net energy payback and CO2emissions from three midwestern wind farms:an update.Natural Resources Research，2006，15(4): 271-281.

［21］馬忠海.中國幾種主要能源溫室氣體排放系數(shù)的比較評價研究［D］.北京:中國原子能科學(xué)研究院，2002.

［22］ATHENA Sustainable Materials Institute.Cradle-to-gate life cycle inventory:Canadian and US steel production by mill type.Ottawa，Canada: Markus Engineering Services，2002.

［23］韓冰，王效科，逯非，段曉男，歐陽志云.中國農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀和潛力.生態(tài)學(xué)報，2008，28(2):612-619.

［24］郭然，王效科，逯非，段曉男，歐陽志云.中國草地土壤生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀和潛力.生態(tài)學(xué)報，2008，28(2):862-867.

［25］Yang J，Chen B.Integrated evaluation of embodied energy，greenhouse gas emission and economic performance of a typical wind farm in China.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013，27:559-568.

Carbon emission accounting for wind farm based on life cycle assessment

JI Shiyu，GAO Chao，CHEN Bin*，LI Shengnan
School of Environment，Beijing Normal University，State Key Joint Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control，Beijing 100875，China

Abstract:In 2009，China became the world's largest carbon emitting country and therefore needs to work more actively to explore low-carbon development.Wind power is considered one of the major renewable energy technologies to achieve lowcarbon goals.With the other rapid development in China，wind farms have been constructed around the country，both onshore and offshore，to resolve energy resource and environmental challenges.The aim of this program is to develop wind power capacity to 200 million kilowatts in 2020 and to 1 billion kilowatts in 2050，to provide 17%of the electricity demand.In this study，the carbon emission of wind farms was analyzed using life cycle assessment，which is a powerful tool for energy system management and environmental emission mitigation.It has been widely used for environmental impact assessment of renewable energy systems.The life cycle of a wind turbine is assumed to be 21 years.The natural vegetation is incorporated into the system boundary，quantifying the impact of destruction and restoration of vegetation on carbon emissions before and after the construction stage.In the inventory analysis，the carbon emissions from production and transportation of accessories，as well as the fuel consumption of construction vehicles are considered，to provide a reasonable account of associated carbon emissions and to quantify the associated environmental impact.Then，carbon emissions from the three phases of the life cycle(construction，operation，and dismantling)were determined.The construction phase covers changes in vegetation，building，and transportation.The operation stage includes emissions from energy produced for the daily life activities of staff and for operating the main building and electrical equipment(e.g.，wind farm lighting systems，ventilation and air conditioning systems，and primary and secondary communication equipment).Regarding the dismantling phase，waste material disposal may still produce carbon emissions.The calculation of carbon emissions is based on the amount of energy used and on various emission factors.Part of the carbon emissions derived from recycled materials was subtracted to avoid double accounting.The carbon emissions caused by laying fiber optic cables，book=916,ebook=28diesel consumption of the mobile machinery shop，and consumption of electric energy were also considered.The results show that the carbon emissions of the whole life cycle of the concerned wind farm，from vegetation damage to scrap disposal，was 2.97×104tC，with the carbon emission intensity being 2.98×10(－4)tC kW(－1)h(－1).This is close to the value for thermal power generation.The contribution by change in vegetation was almost zero，while those of building，transportation，and dismantling were 35.54%，0.58%，6.15%，respectively.The emission from consumption of electricity during operation was far larger than that for the other categories，making up 57.74%of total emissions.In contrast to the results from previous studies，we found that the carbon emissions from energy consumption are far larger than those from resource consumption.The methodology used in this paper may help provide a more comprehensive and detailed carbon emission inventory of wind farms.It could thus be considered a benchmark for further comparison of typical wind farm performance.In particular，the inclusion of the ecosystem services provided by the natural vegetation is the first step in calculating the potential support to be derived from the area surrounding the wind farm，which was often ignored in previous studies.

Key Words:wind power generation;life cycle assessment;carbon emission;vegetation carbon sinks

*通訊作者

Corresponding author.E-mail:chenb@bnu.edu.cn

收稿日期:2014-06-11;網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015-07-09

基金項目:國家自然科學(xué)基金(91325302，71573021);國家基金委創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金(51121003);高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20130003110027);美國能源基金會項目(G-1407-21749)

DOI:10.5846/stxb201406111207