風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣全生命周期對(duì)環(huán)境的影響分析

薛 崟， 段鈺鋒

(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 南京 210096)

中國(guó)是資源消耗大國(guó)，傳統(tǒng)化石能源在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)相當(dāng)大的比例[1]，其使用造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，其中溫室效應(yīng)的影響最為突出。大力開發(fā)可再生能源是緩解環(huán)境污染問題的良策。中國(guó)可再生能源的儲(chǔ)備量十分豐富，其中風(fēng)能因具有儲(chǔ)量豐富、轉(zhuǎn)化效率高的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的開發(fā)和利用。風(fēng)能的主要利用形式為風(fēng)能發(fā)電，而風(fēng)能的波動(dòng)性、季節(jié)性[2]等特征造成了風(fēng)電的不穩(wěn)定性。為維護(hù)電力系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行，風(fēng)能棄能率一直居高不下，造成風(fēng)能資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

電轉(zhuǎn)氣技術(shù)是一種以電解水的方式生成可燃?xì)怏w的化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。將電轉(zhuǎn)氣技術(shù)與風(fēng)能協(xié)同利用，構(gòu)成綜合能源系統(tǒng)，不僅可以降低電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的購(gòu)電成本，而且能夠有效緩解棄風(fēng)現(xiàn)象，提高能源利用率。

目前，電轉(zhuǎn)氣技術(shù)已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。沈海平等[3]通過研究組合線性模型下電轉(zhuǎn)氣技術(shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，指出電轉(zhuǎn)氣技術(shù)可加強(qiáng)綜合能源系統(tǒng)的耦合程度并有效提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。劉繼春等[4]提出了電轉(zhuǎn)氣技術(shù)在運(yùn)行過程中環(huán)境成本和能量損失的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型，分析了氫氣-天然氣混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行特性，指出綜合能源系統(tǒng)具備經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。BLANCO H等[5]指出在可再生能源并網(wǎng)的情況下，電轉(zhuǎn)氣技術(shù)能提高系統(tǒng)運(yùn)行效率和儲(chǔ)能性能。陳沼宇等[6]在微網(wǎng)型能源集線器模型的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了電轉(zhuǎn)氣技術(shù)可明顯改善棄風(fēng)現(xiàn)象。GUANDALINI G等[7]提出通過電轉(zhuǎn)氣技術(shù)與燃?xì)廨啓C(jī)相結(jié)合的方式能減少棄風(fēng)量。WULF C等[8]闡述了采用多種可再生能源協(xié)同發(fā)電的方式為電轉(zhuǎn)氣技術(shù)提供電能，并論述了電轉(zhuǎn)氣產(chǎn)物的多種利用方式。杜琳等[9]分析了電轉(zhuǎn)氣技術(shù)對(duì)改善風(fēng)能過剩率的影響，驗(yàn)證了電轉(zhuǎn)氣技術(shù)能夠有效減少棄風(fēng)量。黃國(guó)日等[10]運(yùn)用能源集線器模型，系統(tǒng)分析了電轉(zhuǎn)氣技術(shù)對(duì)消納過剩風(fēng)能的作用。

上述研究成果為深入探索風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)各方面性能奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。然而，上述研究大多考慮綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，卻沒有深入研究風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)環(huán)境的影響，無法直觀地展現(xiàn)該技術(shù)各階段對(duì)環(huán)境的影響程度。因此，有必要對(duì)風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)，以判斷該技術(shù)的投資價(jià)值及其帶來的環(huán)境影響。

筆者基于現(xiàn)有研究成果，對(duì)風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的工藝流程進(jìn)行描述，通過分析工藝流程各階段的資源輸入與輸出情況，獲得各階段污染物排放清單，在此基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)；同時(shí)，基于環(huán)境影響評(píng)價(jià)得出的結(jié)果，對(duì)比分析風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)和普通電轉(zhuǎn)氣技術(shù)對(duì)環(huán)境的影響，說明風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

1 風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)

電轉(zhuǎn)氣分為電轉(zhuǎn)氫氣(水電解過程)和電轉(zhuǎn)甲烷(甲烷化過程)[11]。電轉(zhuǎn)氫氣分為堿性電解(AWE)、質(zhì)子交換膜電解(PEME)與固體氧化物電解(SOEC)等電解方式；電轉(zhuǎn)甲烷主要有化學(xué)甲烷化(CM)和生物甲烷化(BM)2種轉(zhuǎn)化方式。電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的主要類型及其特性見表1[12]。

表1 電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的主要類型及其特性

雖然電轉(zhuǎn)氣技術(shù)總體轉(zhuǎn)化效率較高，但是高昂的投入成本是電轉(zhuǎn)氣快速發(fā)展的障礙，其投入成本主要由購(gòu)電成本與碳捕集成本構(gòu)成。因此，利用可再生能源發(fā)電與加快碳捕集系統(tǒng)的技術(shù)革新，是降低電轉(zhuǎn)氣技術(shù)投入成本、實(shí)現(xiàn)電轉(zhuǎn)氣技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的重要舉措。

水電解生成氧氣和氫氣是電轉(zhuǎn)氣的基本途徑。在此基礎(chǔ)上，通過薩巴蒂埃反應(yīng)[13]將生成的氫氣(H2)與二氧化碳(CO2)在金屬催化劑的作用下進(jìn)一步反應(yīng)生成甲烷(CH4)和水(H2O)，其原理見圖1。

圖1 風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的原理

電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)包含的設(shè)備有水電解裝置、甲烷化裝置及加壓裝置。水電解產(chǎn)生的氫氣可以先儲(chǔ)藏在儲(chǔ)氫罐中，當(dāng)風(fēng)電較為富余，甲烷化反應(yīng)器無法及時(shí)消納氫氣時(shí)，可將儲(chǔ)氫罐中的氫氣作為燃?xì)廨啓C(jī)的燃料，系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的電能作為水電解的能量供應(yīng)端，實(shí)現(xiàn)能源的回收利用，或?qū)錃庥米魅剂想姵?、氫燃料電池車的燃料，?shí)現(xiàn)氫能的多向利用和靈活配給。系統(tǒng)在進(jìn)行甲烷化反應(yīng)時(shí)需要將通過碳捕集系統(tǒng)收集到的CO2輸送到反應(yīng)裝置中。系統(tǒng)生成的合成甲烷經(jīng)加壓裝置壓縮后可存儲(chǔ)于儲(chǔ)氣罐中，運(yùn)輸?shù)接脩舳?。該技術(shù)以較低成本實(shí)現(xiàn)甲烷的大量?jī)?chǔ)存，彌補(bǔ)了電能無法經(jīng)濟(jì)存儲(chǔ)的弊端。采用電轉(zhuǎn)氣這一儲(chǔ)能技術(shù)來消納過剩的風(fēng)電，不僅實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能的高效利用，而且顯著減少了電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的購(gòu)電成本。

電轉(zhuǎn)氫氣與電轉(zhuǎn)甲烷的比較見表2[4,14]，氫氣與甲烷特性的比較見表3[15-18]。

表2 電轉(zhuǎn)氫氣與電轉(zhuǎn)甲烷的比較

表3 氫氣與甲烷特性的對(duì)比

由于氫氣的安全隱患較大且不易存儲(chǔ)，而甲烷存儲(chǔ)方便且運(yùn)輸成本較低，相比而言，電轉(zhuǎn)甲烷在經(jīng)濟(jì)性、安全性和實(shí)用性等方面具備綜合優(yōu)勢(shì)，更適合大規(guī)模推廣使用。因此，主要研究風(fēng)能電轉(zhuǎn)甲烷的過程，利用生命周期評(píng)價(jià)對(duì)其進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)，在了解環(huán)境效益的基礎(chǔ)上確定其可行性。

2 生命周期評(píng)價(jià)

生命周期評(píng)價(jià)是指對(duì)產(chǎn)品系統(tǒng)從原材料的采集、加工、包裝、運(yùn)輸、使用及最終處理等生命周期有關(guān)過程，進(jìn)行資源和環(huán)境影響的分析與評(píng)價(jià)的方法[19-21]。生命周期評(píng)價(jià)框架由目標(biāo)與范圍確定、清單分析、環(huán)境影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解釋構(gòu)成，具體見圖2。

圖2 生命周期評(píng)價(jià)框架

風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)在設(shè)備制造、設(shè)備運(yùn)輸和搭建、甲烷和氫氣的生產(chǎn)、甲烷運(yùn)輸與利用這一完整生命周期過程中會(huì)產(chǎn)生一定的污染物排放和資源消耗，因此有必要對(duì)其進(jìn)行環(huán)境影響、資源消耗分析，從而確定該技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的可行性。目前，有關(guān)風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣環(huán)境影響、資源消耗的文獻(xiàn)較少，并且理論體系較為匱乏。因此，開展風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的生命周期分析，對(duì)評(píng)估可再生能源電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的大規(guī)模開發(fā)利用價(jià)值具有深遠(yuǎn)意義。

2.1 目標(biāo)與范圍確定

風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)生命周期評(píng)價(jià)的目標(biāo)是獲得風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)全生命周期內(nèi)的環(huán)境影響和資源消耗，以生產(chǎn)1 kg CH4為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分析其經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)邊界指設(shè)備制造、設(shè)備運(yùn)輸和搭建、甲烷和氫氣的生產(chǎn)、甲烷運(yùn)輸與利用等主要工藝步驟。風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的生命周期評(píng)價(jià)框架見圖3。

圖3 風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的生命周期評(píng)價(jià)框架

風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)生命周期評(píng)價(jià)的影響因素較多，對(duì)風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的系統(tǒng)邊界進(jìn)行以下假設(shè)：

(1) 產(chǎn)品CH4都作為燃料使用且完全燃燒，產(chǎn)物只有CO2與H2O。

(2) 不考慮風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)階段占用土地等資源引起的環(huán)境影響。

(3) 不考慮碳捕集系統(tǒng)及加壓裝置的運(yùn)行能耗。

2.2 清單分析

風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)生命周期的環(huán)境影響清單由各階段直接排放和間接排放的污染物構(gòu)成，例如CO2、CH4、N2O、NOx、SO2、CO、PM10等。資源消耗需要考慮全生命周期過程中能源和礦物質(zhì)的投入，如鋁、鐵、鋼、煤炭、柴油、水泥等。

2.2.1 設(shè)備制造

所研究的風(fēng)電場(chǎng)由33臺(tái)1.5 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)、變電站、電纜及配套設(shè)施所構(gòu)成，相關(guān)數(shù)據(jù)由文獻(xiàn)[22]獲得，包含風(fēng)力發(fā)電機(jī)各組成部分的原材料種類及消耗量。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備各部件的材料組成和各種主要原材料每噸生產(chǎn)能耗[23]和污染物排放量[24]，可以計(jì)算出風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電轉(zhuǎn)氣裝置在設(shè)備制造階段的能耗和污染物排放量，結(jié)果分別見表4和表5。

表4 設(shè)備制造階段的能耗

表5 設(shè)備制造階段的污染物排放量

2.2.2 設(shè)備運(yùn)輸和搭建

設(shè)備運(yùn)輸途中只考慮運(yùn)輸工具排放的有害污染物，原材料運(yùn)輸及配件組裝運(yùn)輸階段運(yùn)輸里程取2018年全國(guó)公路貨物運(yùn)輸平均里程(180 km[25])，交通工具選擇載重量8 t的重型貨車。每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的所有部件需要由8輛重型貨車進(jìn)行運(yùn)輸，甲烷化反應(yīng)器的質(zhì)量約8 t[26]，需要用一輛重型貨車進(jìn)行運(yùn)輸，電解水裝置與加壓裝置總質(zhì)量在8 t以內(nèi)，可采用同一輛貨車運(yùn)輸。貨車的油耗為1 L/km，柴油密度取0.9 kg/L，假定柴油完全燃燒，運(yùn)輸過程中的污染物排放(如CO、NOx、PM10)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[27]。N2O和CH4的排放因子依據(jù)歐洲Ⅲ號(hào)排放標(biāo)準(zhǔn)(歐盟組織制定的汽車廢氣排放標(biāo)準(zhǔn))中規(guī)定的柴油重型貨車主要排放物排放因子獲得[28]。由于缺乏設(shè)備搭建時(shí)的有效數(shù)據(jù)，并且搭建階段的能源輸入和資源消耗與運(yùn)輸階段比相對(duì)較小，所以忽略搭建階段的排放與能耗。設(shè)備運(yùn)輸階段的能耗和污染物排放量分別見表6和表7。

表6 設(shè)備運(yùn)輸階段的能量消耗

表7 設(shè)備運(yùn)輸階段的污染物排放量

2.2.3 甲烷和氫氣的生產(chǎn)

電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)的運(yùn)行原理是先由風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，將這部分電能輸送到電轉(zhuǎn)氣裝置，進(jìn)入電解水裝置促使反應(yīng)的發(fā)生并生成H2，H2在甲烷化裝置中與CO2反應(yīng)生成CH4。在運(yùn)行階段，主要的能耗包含組合部件的更換、運(yùn)輸?shù)?。因?yàn)檫\(yùn)行階段的污染物排放及能耗的計(jì)算難度較大，可假定1臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在其全生命周期內(nèi)平均更換1個(gè)葉片和15%的零部件[21]，于是可以假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行階段的污染物排放與能耗為初始階段的15%。電解水的耗能為風(fēng)電，采用堿性水電解技術(shù)，1 m3H2平均消耗5.2 kW·h[29]的電能，電轉(zhuǎn)氣過程的排放物只有O2和H2O，生態(tài)效益良好。假設(shè)H2與CO2反應(yīng)時(shí)所需的高溫環(huán)境由甲烷化過程產(chǎn)生的余熱來提供，并且不考慮金屬催化劑生產(chǎn)所需的能源、設(shè)備及催化劑材料的處理。

通過Aspen Plus軟件對(duì)電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)進(jìn)行模擬，系統(tǒng)仿真圖見圖4，反應(yīng)器初始參數(shù)設(shè)置見表8。

圖4 電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)仿真圖FEED—給水裝置；ELECTRIC—電解水裝置；METHANE—甲烷化裝置；COOLER—冷凝器；SEP、SEP1、SEP2—分離器；MIX1、MIX2、MIX3、MIX4—物流。

表8 反應(yīng)器初始參數(shù)設(shè)置

初始進(jìn)口物流為H2O，溫度為15 ℃，壓力為101 325 Pa，質(zhì)量流量為400 kg/h。CO2的物流數(shù)據(jù)為：溫度為22 ℃，壓力為101 325 Pa，質(zhì)量流量為300 kg/h。H2O進(jìn)入水電解裝置進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)生成的H2、O2與未參與反應(yīng)的H2O組成物流，進(jìn)入分離器進(jìn)行氣液分離；分離出的H2和O2組成物流，進(jìn)入分離器再次分離，將分離出的H2連同CO2送入甲烷化裝置進(jìn)行反應(yīng)；反應(yīng)生成的CH4、水蒸氣與未參與反應(yīng)的CO2組成物流，進(jìn)入冷凝器中冷凝；最后通過分離器分離出H2O(液態(tài))及CH4和CO2組成的混合氣體。水電解與甲烷化過程采用的反應(yīng)器為RStoic反應(yīng)器。計(jì)算得出1 h耗電量為1 432.48 kW·h(由風(fēng)電場(chǎng)提供)，生成71.24 kg CH4，所以生產(chǎn)1 kg CH4所需的電量為20.11 kW·h，并且根據(jù)模擬結(jié)果得出生產(chǎn)1 kg CH4需要消耗4.492 kg H2O和2.743 kg CO2。

2.2.4 甲烷運(yùn)輸與利用

甲烷的運(yùn)輸與利用主要考慮甲烷從生產(chǎn)源到用戶使用端的運(yùn)輸過程和甲烷燃燒過程。通過電轉(zhuǎn)氣技術(shù)生成的合成甲烷經(jīng)加壓裝置壓縮后形成液化天然氣，液化天然氣可存放在儲(chǔ)存罐中輸送到用戶端，生產(chǎn)源到用戶使用端的運(yùn)輸距離取200 km，運(yùn)輸全程所用的交通工具為載重量8 t的重型貨車，燃料是柴油。

以生產(chǎn)1 kg CH4為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)全生命周期內(nèi)的環(huán)境排放和資源消耗匯總于表9，其中：階段1、2、3、4、5分別為設(shè)備制造階段、設(shè)備運(yùn)輸和搭建階段、生產(chǎn)中水電解階段、生產(chǎn)中甲烷化階段、甲烷運(yùn)輸與利用階段。全生命周期內(nèi)的能耗合計(jì)80 425.02 kJ。

表9 全生命周期內(nèi)的環(huán)境排放和資源消耗清單

2.3 環(huán)境影響評(píng)價(jià)

環(huán)境影響類型及其對(duì)應(yīng)的影響物質(zhì)見表10。

表10 環(huán)境影響類型及其對(duì)應(yīng)的影響物質(zhì)

采用SimaPro軟件對(duì)風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)全生命周期進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)，設(shè)備制造階段、設(shè)備運(yùn)輸和搭建階段的資源消耗及污染物排放數(shù)據(jù)來自Ecoinvent 3.5和ELCD數(shù)據(jù)庫(kù)，有關(guān)風(fēng)電輸入與輸出的相關(guān)數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)，其他數(shù)據(jù)根據(jù)Aspen Plus軟件模擬所得結(jié)果而定，分析方法選擇CML-IA baseline 3.05，以生產(chǎn)1 kg CH4為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得到結(jié)果見表11。由表11可得：全球暖化、人體毒性、海洋水生毒性的影響程度較為突出。以生產(chǎn)1 kg CH4為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，影響全球暖化的CO2當(dāng)量質(zhì)量為2.96 kg，影響人體毒性的1,4-DB當(dāng)量質(zhì)量為18.70 kg，影響海洋水生毒性的1,4-DB當(dāng)量質(zhì)量為3 557.00 kg。

表11 風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3.1 各階段污染物排放比較

圖5為風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)生命周期各階段對(duì)環(huán)境影響類型的貢獻(xiàn)程度。

圖5 風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)全生命周期內(nèi)各階段對(duì)環(huán)境影響類型的貢獻(xiàn)程度

在全生命周期中，甲烷化階段對(duì)環(huán)境影響類型的貢獻(xiàn)程度始終為負(fù)值。這是因?yàn)榧淄榛磻?yīng)時(shí)吸收了大量CO2，并且生成物中只有甲烷和水，對(duì)溫室效應(yīng)、臭氧層空洞等環(huán)境問題有著顯著的緩解作用。

圖6為全生命周期內(nèi)各階段對(duì)全球暖化的影響。由圖6可得：在設(shè)備制造階段、設(shè)備運(yùn)輸和搭建階段、甲烷和氫氣的生產(chǎn)階段的CO2當(dāng)量質(zhì)量呈遞減趨勢(shì)，甲烷運(yùn)輸與利用階段對(duì)全球暖化的貢獻(xiàn)程度最大，其CO2當(dāng)量質(zhì)量占比為58.6%，這是因?yàn)榧淄槿紵龝?huì)生成大量CO2。

圖6 全生命周期內(nèi)各階段對(duì)全球暖化的影響

圖7為全生命周期內(nèi)各階段對(duì)海洋水生毒性影響的占比。設(shè)備制造階段對(duì)海洋水生毒性的影響較大，占69.22%。這是因?yàn)樵O(shè)備制造階段會(huì)投入大量金屬耗材，耗材的獲取、加工制作過程中會(huì)對(duì)水體造成嚴(yán)重污染。人體毒性對(duì)環(huán)境的影響程度較大，僅次于海洋水生毒性，主要影響階段為設(shè)備制造階段與水電解階段。全生命周期內(nèi)對(duì)酸化、光化學(xué)污染、富營(yíng)養(yǎng)化的影響較小，其中水電解階段和設(shè)備制造階段占了主要部分。

圖7 全生命周期內(nèi)各階段對(duì)海洋水生毒性影響的占比

圖8為生命周期各階段對(duì)非生物耗竭、酸化、富營(yíng)養(yǎng)化的影響。

由圖8可得：水電解階段對(duì)環(huán)境的影響始終處于較高水平，這是因?yàn)樵讷@取風(fēng)電的過程中會(huì)排放大量的SO2、磷酸鹽等有害物質(zhì)。

圖8 全生命周期內(nèi)各階段對(duì)非生物耗竭、酸化、富營(yíng)養(yǎng)化的影響

2.3.2 風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣與普通電轉(zhuǎn)氣的對(duì)比

采用SimaPro軟件對(duì)普通電轉(zhuǎn)氣技術(shù)(即燃煤電廠為電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的電能供應(yīng)端)全生命周期進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)，燃煤電廠的資源消耗及污染物排放數(shù)據(jù)來自Ecoinvent 3.5和ELCD數(shù)據(jù)庫(kù)，其他數(shù)據(jù)根據(jù)Aspen Plus軟件模擬所得結(jié)果而定，分析方法選擇CML-IA baseline 3.05，結(jié)果見表12和圖9。

表12 普通電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)果

圖9 普通電轉(zhuǎn)氣技術(shù)全生命周期內(nèi)各階段對(duì)環(huán)境影響類型的貢獻(xiàn)程度

全球暖化、人體毒性、海洋水生毒性和淡水水生毒性對(duì)環(huán)境的影響尤為突出，關(guān)于這4種環(huán)境影響類型，普通電轉(zhuǎn)氣技術(shù)與風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的對(duì)比見表13。

表13 風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)與普通電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的對(duì)比

由表13可得：

(1) 風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的CO2當(dāng)量質(zhì)量為普通電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的8.24%。這是因?yàn)槿济弘姀S主要以燃燒煤炭的方式產(chǎn)生電能，CO2的大量產(chǎn)生加劇了溫室效應(yīng)，說明風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的環(huán)境效益明顯優(yōu)于普通電轉(zhuǎn)氣技術(shù)。

(2) 風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的1,4-DB(海洋水生毒性)和1,4-DB(淡水水生毒性)的當(dāng)量質(zhì)量分別為普通電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的12.40%和28.63%。這是因?yàn)槿济弘姀S排放的污水在淡水區(qū)域短暫停留后，最終匯入海洋，海洋成了微塑料的聚集地。微塑料可在水體中穩(wěn)定持久地存在，它能作為微生物的載體，促進(jìn)生物膜的形成并為病原體的繁殖提供溫床，使海洋水生毒性增強(qiáng)。微塑料能夠吸附污水中的重金屬，形成復(fù)合毒性的物質(zhì)會(huì)對(duì)生物造成巨大傷害，如抑制海洋水生植物的生長(zhǎng)、影響貝類的正常發(fā)育等。大顆粒微塑料的不斷分解，會(huì)進(jìn)一步增加海洋生物對(duì)微塑料的攝入量，進(jìn)而對(duì)海洋生物造成嚴(yán)重危害，破壞海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡。

(3) 風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的1，4-DB(人體毒性)高于普通電轉(zhuǎn)氣技術(shù)，主要原因是風(fēng)電場(chǎng)在初期建設(shè)階段消耗了大量原材料，如原材料獲取、加工制作等階段會(huì)排放大量重金屬、SO2、PM10等污染物，這些污染物是造成人體毒性的主要物質(zhì)。

3 結(jié)語(yǔ)

在論述風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)原理和工藝流程的基礎(chǔ)上，利用生命周期評(píng)價(jià)模型全面評(píng)價(jià)風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)全生命周期內(nèi)的過程及對(duì)環(huán)境的影響，通過SimaPro軟件對(duì)風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)、普通電轉(zhuǎn)氣技術(shù)進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)分析，得到電轉(zhuǎn)氣技術(shù)全生命周期內(nèi)各階段對(duì)環(huán)境的影響值。

通過比較不同供電方式下電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的污染物排放情況，得出采用風(fēng)能作為電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的電能供應(yīng)端，可大大緩解溫室效應(yīng)、人體毒性、水體毒性等環(huán)境問題。風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)具有顯著的環(huán)境效益，大規(guī)模開發(fā)風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)，可以為CO2和水體污染物的減排作出巨大貢獻(xiàn)。風(fēng)能電轉(zhuǎn)氣技術(shù)是一種具有可行性的新型可再生能源高效利用方式，具有較大的商業(yè)開發(fā)價(jià)值。