基于生命周期法的海上風(fēng)電系統(tǒng)溫室氣體排放核算

余茜

摘 要：在綠色發(fā)展和海上風(fēng)電項(xiàng)目快速擴(kuò)張的背景下，海上風(fēng)電系統(tǒng)的溫室氣體排放值得關(guān)注。已有研究多關(guān)注陸上風(fēng)電系統(tǒng)的環(huán)境影響評(píng)估，而鮮有研究對(duì)海上風(fēng)電系統(tǒng)溫室氣體排放進(jìn)行核算。本研究基于生命周期分析法，對(duì)浙江象山海上風(fēng)電場(chǎng)（一期）的生命周期各階段溫室氣體排放進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明，全生命周期溫室氣體排放量為13.169萬噸，與同等發(fā)電量的傳統(tǒng)燃煤電廠相比，運(yùn)營(yíng)階段海上風(fēng)電系統(tǒng)每年少排放溫室氣體143.039萬噸，具有一定的凈減排效應(yīng);設(shè)備生產(chǎn)階段為全生命周期溫室氣體排放的最大來源，占溫室氣體排放總量的67%，體現(xiàn)了在生產(chǎn)階段管控溫室氣體排放以及優(yōu)化節(jié)能減排的制造工藝的必要性。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電;生命周期分析;溫室氣體

一、引言

風(fēng)能作為一種清潔能源，是傳統(tǒng)化石能源的有效替代，風(fēng)電的發(fā)展對(duì)于我國綠色發(fā)展以及能源體系轉(zhuǎn)型都具有重要的意義。由于海上風(fēng)電具有風(fēng)力資源豐富、不占用陸地、能通過水路運(yùn)輸大型風(fēng)機(jī)且臨近沿海發(fā)達(dá)地區(qū)便于消納等優(yōu)勢(shì)（文鋒，2016），被認(rèn)為是未來風(fēng)電的重要發(fā)展方向而得到矚目。2018年全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)器容量為4.5 GW，其中中國就貢獻(xiàn)了近40%的增量（IRENA，2019）。隨著海上風(fēng)電項(xiàng)目的快速擴(kuò)張，海上風(fēng)電系統(tǒng)的環(huán)境影響值得關(guān)注。風(fēng)電系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)制造、原材料制造、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)也會(huì)排放一些溫室氣體（Greenhouse Gas， GHG），需要對(duì)其進(jìn)行核算與評(píng)估。

生命周期分析法（Life Cycle Assessment，LCA）充分考慮了產(chǎn)品整個(gè)生命周期的投入、產(chǎn)出、能量消耗和環(huán)境影響（ISO14044， 2006），被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于風(fēng)電系統(tǒng)的環(huán)境排放評(píng)估。海上風(fēng)電系統(tǒng)生命周期相關(guān)研究早期主要集中在國外學(xué)者的實(shí)踐（Hondo，2005;Ardente 等，2008;Gomaa等，2019）。不少學(xué)者得出海上、陸上風(fēng)電系統(tǒng)溫室氣體排放存在差異。Noori等（2015）發(fā)現(xiàn)相同功率的海上風(fēng)力渦輪和陸上風(fēng)力渦輪生命周期環(huán)境與能量績(jī)效存在差異，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)每千瓦時(shí)發(fā)電所產(chǎn)生的溫室氣體排放量比陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比減少48%。Bonou等（2016）得出海上風(fēng)電系統(tǒng)和陸上風(fēng)電系統(tǒng)生命周期各階段的物料消耗和溫室氣體排放存在差異。因此，將海上風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行溫室氣體排放核算具有一定的必要性。

由于我國海上風(fēng)電發(fā)展起步時(shí)間較晚，絕大多數(shù)國內(nèi)學(xué)者的生命周期評(píng)估對(duì)象為陸上風(fēng)電系統(tǒng)，主要集中于大氣污染物排放、能量回收時(shí)間、全球變暖潛力、酸化潛力等方面（Chen 等，2011;Yang 和Chen ，2013;Xue等，2015;Xu，2018;王曉天，2012）。國內(nèi)關(guān)于陸上風(fēng)電系統(tǒng)的生命周期研究日趨成熟，而鮮有研究者對(duì)海上風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。楊舉華（2017）運(yùn)用混合生命周期分析法對(duì)我國首個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行了能耗和溫室氣體排放研究。Zhang等（2016）研究了海上風(fēng)電系統(tǒng)的能量績(jī)效，以及其能源績(jī)效在長(zhǎng)期的變化趨勢(shì)。因此，基于生命周期分析核算海上風(fēng)電系統(tǒng)的溫室氣體排放能夠彌補(bǔ)該領(lǐng)域相關(guān)研究少的現(xiàn)狀，并為后續(xù)海上風(fēng)電生命周期研究作參考。

二、研究方法

（一）研究對(duì)象

本文擬選取的海上風(fēng)電系統(tǒng)為位于浙江省象山縣鶴浦鎮(zhèn)南田島東側(cè)海域的國電象山1#海上風(fēng)電場(chǎng)一期。該項(xiàng)目規(guī)劃裝機(jī)容量252MW，包括63臺(tái)單機(jī)容量4.0MW的風(fēng)電渦輪機(jī)，配套63臺(tái)機(jī)組變壓器以及一座220kV海上升壓站（內(nèi)含2臺(tái)主變壓器），計(jì)劃運(yùn)行時(shí)間為25年。

風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)主要來源為浙江省象山縣政府在官方網(wǎng)站公示的、由浙江碧陽環(huán)境工程技術(shù)有限公司于2019年9月編制的《國電象山1#海上風(fēng)電場(chǎng)（一期）工程環(huán)境影響報(bào)告書》，該報(bào)告書提供了生命周期評(píng)價(jià)所需的設(shè)備基礎(chǔ)信息與環(huán)境影響信息。

（二）系統(tǒng)邊界

海上風(fēng)電系統(tǒng)生命周期主要包括設(shè)備生產(chǎn)、設(shè)備運(yùn)輸、安裝、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、回收處理五個(gè)階段。按照時(shí)間進(jìn)行劃分，施工期包含設(shè)備生產(chǎn)、設(shè)備運(yùn)輸和安裝三個(gè)階段，運(yùn)行期包含運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段和回收處理階段（如圖1），假設(shè)回收處理工作于運(yùn)行期最后一年末進(jìn)行。

圖1 風(fēng)電系統(tǒng)生命周期邊界

（三）清單分析

1、設(shè)備生產(chǎn)階段

本文以原材料單元形式核算海上風(fēng)電系統(tǒng)的設(shè)備材料清單（見表1）。由于缺乏4.0MW風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)底座原材料數(shù)據(jù)，本文參考Nian（2019）研究中4.1MW風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)底座原材料相關(guān)數(shù)據(jù)以近似替代。主變壓器和變壓器底座原材料數(shù)據(jù)參考Xue（2015）的研究。風(fēng)機(jī)配套變壓器相關(guān)原材料數(shù)據(jù)參考王曉天（2012）的研究。

表1 設(shè)備材料清單

在設(shè)備生產(chǎn)階段，我們僅考慮風(fēng)機(jī)和變壓器的原材料生產(chǎn)產(chǎn)生的排放（見表2）。因此，在設(shè)備生產(chǎn)階段總共排放溫室氣體88330.695 t。GHG排放強(qiáng)度參考Chen等（2011）的研究。

表2 設(shè)備生產(chǎn)階段的溫室氣體排放

2、設(shè)備運(yùn)輸階段

需要運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備為風(fēng)機(jī)和變壓器，假設(shè)變壓器由風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)廠家配套提供，運(yùn)輸距離為每趟240海里。運(yùn)輸方案參照環(huán)評(píng)報(bào)告。運(yùn)輸工具為5000t駁船，1HP的功率耗油可按150g計(jì)，燃油以柴油計(jì)。參考楊舉華等（2017）的研究，駁船發(fā)電機(jī)功率按3200HP計(jì)，平均航速為12節(jié)。因此，則單艘船舶每小時(shí)耗油量為480kg。設(shè)備總重量為45990.67t，運(yùn)輸約需要一艘駁船往返10趟。參考Chen等（2011）的研究，柴油的GHG排放強(qiáng)度系數(shù)為0.45kgCO2-eq/kg。則產(chǎn)生的溫室氣體排放共計(jì)43200kg。

3、安裝階段

安裝階段風(fēng)機(jī)底座和變壓器底座建設(shè)消耗大量的原材料，主要溫室氣體排放來源于風(fēng)機(jī)底座和變壓器底座原材料生產(chǎn)與運(yùn)輸。水泥和鋼生產(chǎn)的溫室氣體排放強(qiáng)度系數(shù)參照Chen等（2011）的研究，鋁生產(chǎn)的溫室氣體排放強(qiáng)度參照Gao 等 （2009）的研究。水泥密度以1.25g/cm3計(jì)。安裝階段原材料生產(chǎn)產(chǎn)生的溫室氣體排放如表3所示，共計(jì)31299.381t。

表3 安裝階段的底座材料生產(chǎn)的溫室氣體排放

鋼管柱和水泥為風(fēng)機(jī)和升壓站底座的原材料。由于鋁的用料較少，其運(yùn)輸產(chǎn)生的排放忽略不計(jì)。本文主要考慮水泥和鋼材的運(yùn)輸。鋼材和水泥在項(xiàng)目周邊區(qū)域有較可靠的供應(yīng)來源，運(yùn)輸距離分布為每趟20海里和110海里。鋼的總重量約為80996.63t，水泥的總重量約為122664.425 t。參照環(huán)評(píng)報(bào)告，運(yùn)用5000t級(jí)駁船進(jìn)行運(yùn)輸。鋼管柱需運(yùn)輸17趟，水泥需運(yùn)輸25趟。因此，安裝階段的鋼材水泥運(yùn)輸產(chǎn)生的GHG排放共55.62 t。

4、運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段

根據(jù)環(huán)評(píng)報(bào)告，風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)使用壽命為25年。風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)運(yùn)行年限也為25年，因此本文參考戢時(shí)雨等（2016）的研究，假設(shè)運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段沒有風(fēng)機(jī)組件的替換，不考慮替換風(fēng)機(jī)組件的生產(chǎn)和運(yùn)輸產(chǎn)生的溫室氣體排放。

同時(shí)，由于風(fēng)力屬于清潔能源，其相對(duì)于火力發(fā)電能有效減少溫室氣體排放。根據(jù)環(huán)評(píng)報(bào)告，風(fēng)電場(chǎng)年上網(wǎng)電量約 72261 萬 kWh。假設(shè)自用電率為3.9%（戢時(shí)雨等，2016）。參照Chen等（2011）的研究，全國火電廠發(fā)電平均耗煤量為356.0g/kWh，我國煤炭低熱值為26.3MJ/kg，燃煤電廠的典型溫室氣體排放系數(shù)為0.22 kg CO2-eq/MJ，則風(fēng)電場(chǎng)在運(yùn)營(yíng)階段每年少排放溫室氣體143.039萬噸。

5、回收處理階段

由于風(fēng)電場(chǎng)的拆卸和處置數(shù)據(jù)難以獲得，本文參考（王曉天，2012）的研究，假設(shè)在整個(gè)回收處理階段的溫室氣體排放為生產(chǎn)時(shí)的10%，包含設(shè)備生產(chǎn)與底座原材料生產(chǎn)，因此回收處理階段產(chǎn)生溫室氣體排放11963.008 噸。

三、結(jié)果分析

海上風(fēng)電系統(tǒng)各階段溫室氣體排放量如下表所示。假設(shè)運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段沒有風(fēng)機(jī)組件的替換，不考慮替換風(fēng)機(jī)組件的生產(chǎn)和運(yùn)輸產(chǎn)生的溫室氣體排放，相比火力發(fā)電，運(yùn)營(yíng)階段每年能少排放溫室氣體143.039萬噸，由于涉及相對(duì)凈減排量，故不在下表展示。

表4 各階段溫室氣體排放量

具體而言，海上風(fēng)電系統(tǒng)溫室氣體排放主要排放源為風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的生產(chǎn)（67%），第二溫室氣體排放源為設(shè)備的底座材料生產(chǎn)（24%），第三為設(shè)備回收處理產(chǎn)生的溫室氣體排放（9%），設(shè)備和底座材料運(yùn)輸產(chǎn)生的溫室氣體排放為最小構(gòu)成部分，僅占0.075%。

圖2 海上風(fēng)電系統(tǒng)GHG排放構(gòu)成

四、結(jié)論

本文以國電象山海上風(fēng)電場(chǎng)（一期）為例，運(yùn)用生命周期分析法對(duì)海上風(fēng)電系統(tǒng)的生命周期溫室氣體排放量進(jìn)行核算，得到以下結(jié)論：

海上風(fēng)電系統(tǒng)全生命周期溫室氣體排放量為13.169萬噸。與此同時(shí)，由于風(fēng)電屬于清潔能源，相對(duì)于火力發(fā)電，其一定程度上減少了溫室氣體排放。與同等發(fā)電量的傳統(tǒng)燃煤電廠相比，運(yùn)營(yíng)階段海上風(fēng)電系統(tǒng)每年少排放溫室氣體143.039萬噸?？傮w而言，其溫室氣體減排量大于排放量，產(chǎn)生了凈減排效應(yīng)，是一種值得推廣的可再生能源發(fā)電模式。

溫室氣體排放主要源于設(shè)備和底座原材料的生產(chǎn)、運(yùn)輸過程的溫室氣體排放，其中設(shè)備生產(chǎn)過程成為了溫室氣體排放的最大來源（67%）。因此，現(xiàn)階段在研發(fā)大直徑大功率海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的同時(shí)，也要通過技術(shù)升級(jí)采用更加節(jié)約能源、減少排放的制造工藝，在生產(chǎn)過程中考慮可能會(huì)帶來的環(huán)境影響，并予以優(yōu)化處理。同時(shí)，通過合理的海上運(yùn)輸工具選擇和路線規(guī)劃盡可能減少運(yùn)輸過程中的溫室氣體排放。

海上風(fēng)電系統(tǒng)與同等發(fā)電量的陸上風(fēng)電系統(tǒng)生命周期溫室氣體排放存在一定差異?？赡苁怯捎诤ｊ戯L(fēng)機(jī)設(shè)備直徑功率差異（影響設(shè)備生產(chǎn)階段排放）、風(fēng)機(jī)和變壓器底座構(gòu)造差異（影響安裝階段排放）、運(yùn)輸工具和距離差異（影響運(yùn)輸階段排放），以及部分生命周期清單核算口徑差異造成的。進(jìn)一步比較海陸風(fēng)電系統(tǒng)生命周期各階段溫室氣體排放差異，是本研究未來需要繼續(xù)完善的方向。

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