基于全生命周期的風(fēng)電系統(tǒng)碳排放核算與分析

李新航

（北京天潤新能投資有限公司，北京 100029）

1 引言

新能源和可再生能源綠色低碳、環(huán)境友好，是世界各國應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境惡化的重要途徑，代表能源未來的發(fā)展方向。至2019 年年底，我國風(fēng)電電量占到全社會(huì)總用電量的5.5%［1］，是繼煤電和水電之后的第三大電源。目前，國家已明確在2030 年前實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰，在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和的總體目標(biāo)。在此進(jìn)程中，風(fēng)電對(duì)于我國社會(huì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和起著關(guān)鍵性作用。

本文基于全生命周期視角，對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的碳排放進(jìn)行研究。通過構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電全生命周期的碳排放測(cè)算模型，以廣西某50 MW 風(fēng)電項(xiàng)目為案例，系統(tǒng)、全面、定量地測(cè)算風(fēng)電系統(tǒng)全生命周期中的碳足跡，并進(jìn)行減排量計(jì)算，得出一個(gè)典型的風(fēng)電場實(shí)現(xiàn)碳中和的時(shí)間期限（碳回收期），并分析影響碳排放水平的主要因素與實(shí)現(xiàn)減排的主要手段。

2 方法和數(shù)據(jù)

2.1 碳足跡計(jì)算方式

碳足跡是在一個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，基于生命周期評(píng)價(jià)（LCA）的方法對(duì)于主要溫室氣體的排放和吸收的集合，用以衡量人類活動(dòng)對(duì)于環(huán)境的影響，本文利用二氧化碳（CO2）排放當(dāng)量的形式來表征，即某個(gè)產(chǎn)品在其從原材料一直到生產(chǎn)（或提供服務(wù)）、使用、維護(hù)和處置/再生利用等所有階段的溫室氣體排放［2-4］。本研究基于LCA 方法，對(duì)風(fēng)電全生命周期過程直接和間接排放的溫室氣體進(jìn)行分析與量化，溫室氣體范疇包括CO2、氟利昂（HFCs）和六氟化硫（SF6）等［4-5］。

2.2 系統(tǒng)邊界

風(fēng)電系統(tǒng)邊界是從風(fēng)機(jī)各種原材料的獲取與生產(chǎn)直至退役期設(shè)備的回收與處置。系統(tǒng)邊界包含了風(fēng)電場4 個(gè)生命階段，即風(fēng)機(jī)生產(chǎn)與制造階段、風(fēng)電場建設(shè)施工及設(shè)備運(yùn)輸階段、運(yùn)營維護(hù)階段、退役階段（從完整生命周期考慮，該階段為預(yù)估階段）［4，6］，見圖1。

圖1 風(fēng)電場全生命周期碳排放核算系統(tǒng)邊界

2.3 研究對(duì)象與數(shù)據(jù)來源

核算對(duì)象為廣西某50 MW 風(fēng)電場工程，共布置金風(fēng)25 臺(tái)2.0 MW 風(fēng)機(jī)，總裝機(jī)容量50 MW。場址大部分屬中低山地貌，場地內(nèi)地面高程650～1 065 m，相對(duì)高差50～350 m，屬于山地丘陵風(fēng)電場。風(fēng)電場服役期為20 年，年利用小時(shí)數(shù)為2 160 h。工程永久征地總面積為0.28 km2，臨時(shí)征地總面積為0.21 km2。

本研究基于風(fēng)機(jī)廠商提供的技術(shù)文件以及現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)電場生命周期溫室氣體排放進(jìn)行核算。主要材料碳排放因子來源于IPCC 報(bào)告、IPCC 國家溫室氣體排放清單指南、綠色奧運(yùn)建筑研究課題組、ICE（Inventory of Carbon ＆ Energy）的溫室氣體排放因子數(shù)據(jù)庫（2019）［7］。

2.4 計(jì)算方法

2.4.1 風(fēng)電機(jī)組及電氣設(shè)備生產(chǎn)與制造

基于風(fēng)機(jī)主機(jī)廠家實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組部件的主要材料構(gòu)成進(jìn)行分類，見表1。風(fēng)電場設(shè)備構(gòu)件生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳排放量根據(jù)材料的碳排放系數(shù)和材料的消耗量進(jìn)行計(jì)算。風(fēng)電場退役時(shí)部分材料進(jìn)行回收利用，所以在總的碳排放量中需減去生產(chǎn)回收的材料所產(chǎn)生的碳排放量［4，6］。

表1 風(fēng)電場電氣設(shè)備材料構(gòu)成 t

設(shè)備生產(chǎn)制造階段碳排放量為：

式中，E設(shè)備為生產(chǎn)制造階段碳排放量，tCO2e；Qi為第i種材料的消耗量，t；gi為第i 種材料的碳排放系數(shù)。

2.4.2 施工建設(shè)階段

施工建設(shè)階段的溫室氣體排放主要來源于工程建設(shè)材料消耗、施工機(jī)械運(yùn)行的能源消耗等，建筑材料主要是砂石、混凝土和鋼筋。項(xiàng)目建設(shè)期會(huì)產(chǎn)生各類設(shè)備的運(yùn)輸排放，運(yùn)輸方式為汽運(yùn)，根據(jù)每種材料的質(zhì)量、運(yùn)輸距離的乘積加和，進(jìn)而計(jì)算運(yùn)輸過程中的碳排放量。

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)、集電線路和施工臨時(shí)占地都會(huì)改變?cè)械耐恋乩眯问剑斐傻乇碇脖黄茐亩a(chǎn)生碳匯損失，導(dǎo)致溫室氣體排放量增加［8］。根據(jù)計(jì)算，本項(xiàng)目由于風(fēng)電場建設(shè)導(dǎo)致林地、農(nóng)田、草地征占，并在建設(shè)完成后做植被恢復(fù)這一過程中引起的碳排放量為158 tCO2e。

建設(shè)施工階段的溫室氣體排放量為：

式中，E建設(shè)為建設(shè)階段碳排放量，tCO2e；mi為第i 種材料與設(shè)備的質(zhì)量，t；di為運(yùn)輸?shù)趇 種材料與設(shè)備的距離，km；ei為運(yùn)輸車輛的排放系數(shù)；MCi為建設(shè)施工階段第i 種建筑材料的消耗量，t；gi為第i 種材料的碳排放系數(shù)；MEi為第i 種能源的消耗量，t；Ei為第i 種能源消耗的排放系數(shù)；ΔSi為施工階段工程用地中第i 種植被原占地的變化面積，m2；fbi為第i 種植被的單位固碳量。

2.4.3 生產(chǎn)運(yùn)維階段

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，需要消耗一部分電能，因部分用電來自電網(wǎng)而包含部分火電電量，此部分碳排放量根據(jù)風(fēng)電場下網(wǎng)電量乘以電網(wǎng)的排放因子計(jì)算。在日常的運(yùn)維活動(dòng)中，檢修過程中涉及運(yùn)輸排放。此外，此階段的溫室氣體排放還來源于運(yùn)營期空調(diào)等含有的各類冷媒、CO2滅火器、電氣設(shè)備中SF6的逸散排放。

2.4.4 設(shè)備退役階段

退役階段的溫室氣體排放主要來源于風(fēng)電場內(nèi)設(shè)備與設(shè)施拆除過程中施工機(jī)械耗能以及廢棄物運(yùn)輸過程中運(yùn)輸耗能產(chǎn)生的影響，退役后部分材料進(jìn)行填埋或焚燒產(chǎn)生的碳排放量。目前風(fēng)電場的拆除與處置尚未實(shí)際發(fā)生，風(fēng)電行業(yè)整體也尚未進(jìn)入退役周期，因此本階段的測(cè)算是基于現(xiàn)有研究進(jìn)行模糊假設(shè)。即保留風(fēng)電場建設(shè)施工階段所建設(shè)的道路設(shè)施，拆除后的設(shè)備材料將會(huì)絕大部分進(jìn)行資源化處置，玻璃纖維等高分子材料進(jìn)行填埋或焚燒處置。

設(shè)備退役階段的溫室氣體排放量為：

式中，E處置為拆除處置階段碳排放量，tCO2e；E運(yùn)輸，E填埋，E焚燒分別為各類材料運(yùn)輸、填埋以及焚燒部分代表的溫室氣體排放量，tCO2e；金屬以及混凝土的衛(wèi)生填埋不產(chǎn)生溫室氣體排放［9］。

2.4.5 風(fēng)電場生命周期CO2排放量

風(fēng)電場生命周期CO2排放量計(jì)算公式如下：

式中，E 為生命周期溫室氣體排放總量，tCO2e；E設(shè)備，E建設(shè)，E運(yùn)維，E處置分別為設(shè)備生產(chǎn)制造階段、施工建設(shè)階段、運(yùn)營與維護(hù)階段、拆除處置階段的溫室氣體排放量，tCO2e。

某風(fēng)電場各階段溫室氣體排放量見表2。

表2 某風(fēng)電場各階段溫室氣體排放量

3 碳回收期及碳排放不確定性分析

3.1 碳回收期

在運(yùn)維階段，風(fēng)電場上網(wǎng)電量因?yàn)槔碚撋咸娲嗽摬糠值幕痣婋娏?，由此產(chǎn)生了碳減排量。根據(jù)風(fēng)電在運(yùn)營期內(nèi)預(yù)估的上網(wǎng)電量可以計(jì)算出生命周期內(nèi)的碳減排量，對(duì)比全生命周期的CO2排放量，可以計(jì)算出風(fēng)電場的碳排放回收期。本項(xiàng)目在不考慮設(shè)備材料回收的前提下，碳排放回收期不足8 個(gè)月，約0.7 年；在考慮設(shè)備材料回收的前提下，碳排放回收期約6 個(gè)月，約0.5 年。根據(jù)20 年生命周期內(nèi)預(yù)估的發(fā)電量，生命周期內(nèi)碳減排量可達(dá)1.36×106tCO2e。

3.2 碳排放敏感性分析

由于LCA 碳排放核算過程的線性疊加關(guān)系，對(duì)比各種類別的排放量，風(fēng)機(jī)制造以及建設(shè)階段各種材料的使用與消耗產(chǎn)生的碳排放所占比重最大，其中以鋼材、鑄鐵的碳排放量最大，其相關(guān)參數(shù)的變化對(duì)于CO2排放總量影響也最為敏感，其次為混凝土利用產(chǎn)生的排放。

在不考慮材料回收抵扣的碳排放時(shí)，鋼鐵消耗產(chǎn)生的碳排放對(duì)于總排放量的影響較為顯著，當(dāng)參數(shù)變動(dòng)10%時(shí)，對(duì)應(yīng)結(jié)果變動(dòng)5.98%；當(dāng)考慮材料回收抵扣的碳排放時(shí)，混凝土消耗產(chǎn)生的碳排放對(duì)于總排放量的影響較為顯著，當(dāng)參數(shù)變動(dòng)10%時(shí)，對(duì)應(yīng)結(jié)果變動(dòng)3.81%。

3.3 局限性

風(fēng)機(jī)設(shè)備的處置方式將顯著影響風(fēng)電系統(tǒng)全生命周期的碳排放，該過程涉及LCA 方法中一個(gè)傳統(tǒng)問題就是分配問題［4］，即設(shè)備材料的回收處置而引發(fā)的碳排放量的分配。從碳足跡計(jì)算的模型來看，提升退役風(fēng)機(jī)的材料、設(shè)備回收比例，將顯著降低風(fēng)電系統(tǒng)全生命周期的碳排放。目前本項(xiàng)目尚未退役，風(fēng)電行業(yè)還尚未進(jìn)入大規(guī)模的退役期，對(duì)于風(fēng)機(jī)退役的相關(guān)信息與數(shù)據(jù)很少，相關(guān)的研究可進(jìn)一步深入。

4 分析與討論

通過風(fēng)電系統(tǒng)碳足跡的計(jì)算，在其生命周期中碳排放主要來自于原材料獲取的過程。各類材料的碳排放系數(shù)與各類材料的開采、生產(chǎn)、制造環(huán)節(jié)的能耗水平，資源回收比例，可再生能源使用比例等息息相關(guān)［10］。這些行業(yè)通常都是高能耗的行業(yè)，因此降低各類材料的綜合能耗、提升廢料資源化比例并提升可再生能源使用比例，將會(huì)顯著降低風(fēng)電系統(tǒng)生命周期內(nèi)CO2排放總量，有助于下游相關(guān)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)碳中和。

本研究在計(jì)算時(shí)采用的各種材料的排放因子，體現(xiàn)的是世界范圍內(nèi)各種材料生產(chǎn)與制造過程中的綜合水平，因此在生命周期中的各個(gè)階段采用低能耗、先進(jìn)工藝生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品，也會(huì)有助于降低總體的碳排放水平。

本研究將由于土地利用類型的改變、植被變化導(dǎo)致的碳匯變化也納入了全生命周期碳排放計(jì)算過程。在考慮材料回收與不回收兩種情況下，其排放量占總體排放量的0.61%與0.68%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于風(fēng)力發(fā)電在運(yùn)營期產(chǎn)生的碳減排量。但是由于地表植被還具有美化環(huán)境、保持水土、凈化空氣、固碳釋氧等功能，因此在風(fēng)電建設(shè)過程中應(yīng)努力減輕植被的破壞并積極地進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。

本研究在進(jìn)行生命周期分析時(shí)考慮了電氣設(shè)備及其配套設(shè)施的生產(chǎn)及運(yùn)輸排放以及建設(shè)施工階段主要建筑材料的生產(chǎn)及運(yùn)輸排放、施工機(jī)械能源消耗、植被擾動(dòng)產(chǎn)生的排放，運(yùn)維過程中能耗排放、空調(diào)冷媒與SF6的逸散排放，退役設(shè)備處理處置過程產(chǎn)生的排放等，因此本研究對(duì)各類排放源識(shí)別較全面，風(fēng)電場生命周期碳排放總量相對(duì)較高［11-14］。

5 結(jié)論

在風(fēng)電場全生命周期碳排放計(jì)算中，風(fēng)機(jī)材料生產(chǎn)和建設(shè)階段產(chǎn)生的碳排放所占比例均較大，退役期風(fēng)機(jī)設(shè)備各類材料的回收處置對(duì)于碳排放量的影響十分顯著。在不考慮材料回收時(shí)，風(fēng)機(jī)材料生產(chǎn)和施工建設(shè)階段產(chǎn)生的碳排放所占比例分別為63.39%與23.10%；考慮材料回收時(shí)，兩者占比分別為18.91%與51.17%。運(yùn)維過程產(chǎn)生的碳排放占比較小，主要由下網(wǎng)電量產(chǎn)生。

按照本文的碳排放量模型計(jì)算，該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在全生命周期中的碳回收期不考慮材料回收與考慮材料回收分別約為0.7 年、0.5 年，也就是說，該系統(tǒng)20 年的生命周期中，只需要很短的時(shí)間即可以實(shí)現(xiàn)碳中和，相對(duì)于傳統(tǒng)的化石能源電站具有很好的低碳效益。

通過計(jì)算及綜合分析可見，減少風(fēng)電系統(tǒng)生命周期碳排放的三大有效途徑是：其一，提高原材料生產(chǎn)制造過程中可再生能源消費(fèi)量占比；其二，提高高耗能行業(yè)能效水平；其三，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，提高廢棄物資源化的水平。