碳纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片全生命周期內(nèi)的碳排放分析

劉 瑾，張 明，張淑斌,2

(1.江蘇恒神股份有限公司，江蘇 丹陽 212314； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

當(dāng)前，全球范圍內(nèi)應(yīng)對氣候變化的壓力日趨增大。為了降低以二氧化碳(CO2)為主的溫室氣體排放總量，作為全球 CO2排放總量最多的國家之一，我國將力爭在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，并出臺(tái)了相應(yīng)的具體政策來實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)[1]。

碳纖維及其復(fù)合材料制品具有輕質(zhì)、高強(qiáng)的特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)部件、設(shè)備、系統(tǒng)輕量化的理想材料，是國家大力推動(dòng)的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域[2]。近年來，碳纖維在風(fēng)電領(lǐng)域的用量快速增加，已經(jīng)成為改變國內(nèi)碳纖維市場供需關(guān)系的關(guān)鍵因素。碳纖維的生產(chǎn)制備過程需要消耗大量的電能，隨著地方政府雙碳政策的逐步制定和落實(shí)，碳纖維生產(chǎn)企業(yè)面臨著越來越大的雙控壓力。

全生命周期分析(LCA)是一種對產(chǎn)品、工藝或活動(dòng)的全過程包括原材料開采、產(chǎn)品生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用、廢棄物處理所消耗的資源及污染物排放造成的潛在環(huán)境影響等進(jìn)行量化的系統(tǒng)分析方法[3]。標(biāo)準(zhǔn)化的LCA方法被廣泛應(yīng)用于清潔生產(chǎn)評估、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和優(yōu)化、政策制定等領(lǐng)域。

碳纖維通常與樹脂等基體復(fù)合制備成各種部件后才能得到應(yīng)用。因此，單獨(dú)考察碳纖維生產(chǎn)過程中的碳排放是不全面的，必須對其整個(gè)生命周期內(nèi)的碳排放情況進(jìn)行綜合考慮，才能得到相對客觀的結(jié)論。作者以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)風(fēng)電葉片為例，應(yīng)用LCA方法分析了其在全生命周期各個(gè)過程中的碳排放情況，對材料制備和運(yùn)行兩個(gè)過程進(jìn)行了重點(diǎn)考察和分析。

1 CFRP風(fēng)電葉片的生命周期過程

LCA框架包括目標(biāo)和范圍的確定、清單分析、影響評價(jià)和結(jié)果解釋，4部分各自的作用與彼此聯(lián)系如圖1所示[4]。

圖1 LCA方法框架示意Fig.1 Framework of LCA method

LCA方法概念清晰簡單，但是將其用于碳纖維領(lǐng)域卻存在不少困難，如系統(tǒng)邊界的界定、準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的獲得、結(jié)果的評估等。根據(jù)LCA框架，CFRP風(fēng)電葉片的生命周期過程從材料制備到報(bào)廢分為4個(gè)主要階段，如圖2所示。

圖2 CFRP風(fēng)電葉片的生命周期過程Fig.2 Life cycles of CFRP wind turbine blade

(1)材料制備階段。聚丙烯腈(PAN)原絲經(jīng)過預(yù)氧化、碳化、表面處理和上漿后得到碳纖維，碳纖維與環(huán)氧樹脂經(jīng)過拉擠成型制備成拉擠碳板。

(2)運(yùn)輸組裝階段。拉擠碳板與其他必要的原料組裝成為葉片，葉片經(jīng)運(yùn)輸至風(fēng)電場后組裝為風(fēng)機(jī)。

(3)運(yùn)行使用階段。風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)持續(xù)輸出電能。

(4)報(bào)廢階段。超出服役期的風(fēng)機(jī)按照一定的報(bào)廢程序進(jìn)行報(bào)廢處理或者回收再利用。

通過對各個(gè)階段的能量消耗與碳排放情況進(jìn)行系統(tǒng)考察，可以對CFRP風(fēng)電葉片的潛在減排效果提供系統(tǒng)視角和全局評價(jià)。

2 CFRP風(fēng)電葉片生命周期內(nèi)的碳排放分析

2.1 碳纖維生產(chǎn)過程中的碳排放

碳纖維是指碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于92%的纖維材料，市場上常見的PAN基碳纖維是以PAN原絲為原料，經(jīng)過預(yù)氧化、碳化、表面處理和上漿等過程后得到[5]。由于流程長、邊界模糊及工藝差別等因素，準(zhǔn)確地對碳纖維生產(chǎn)過程中消耗的能量及碳排放量進(jìn)行測算是一項(xiàng)復(fù)雜而困難的工程。最近，日本帝人集團(tuán)宣布要對其生產(chǎn)的碳纖維產(chǎn)品的碳足跡進(jìn)行準(zhǔn)確測算，這在碳纖維生產(chǎn)領(lǐng)域尚屬首次[6]。

由于不同供應(yīng)商生產(chǎn)工藝的差別，以及碳纖維本身有眾多的型號，其性能、包裝形式等各有不同，因而在以往的文獻(xiàn)中，以單位質(zhì)量碳纖維產(chǎn)品消耗的能量測算的碳纖維能量消耗強(qiáng)度差別較大。表1顯示了不同數(shù)據(jù)來源的碳纖維能量消耗強(qiáng)度和CO2當(dāng)量排放量的情況。碳纖維的能量消耗強(qiáng)度在286～500 MJ/kg，CO2當(dāng)量排放量在20～30 kg/kg。能量消耗強(qiáng)度越大，CO2當(dāng)量排放量就越大，兩者之間正相關(guān)。

表1 碳纖維的能量消耗強(qiáng)度和CO2當(dāng)量排放量Tab.1 Energy consumption intensity and CO2equivalent emission of carbon fiber

2.2 CFRP葉片生產(chǎn)過程中的碳排放

碳纖維與環(huán)氧樹脂經(jīng)過拉擠制成拉擠碳板。環(huán)氧樹脂的能量消耗強(qiáng)度為76～80 MJ/kg[12]，拉擠碳板成型過程中的能量消耗強(qiáng)度為3.1 MJ/kg[7-9]， 按照碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%計(jì)算，則可知拉擠碳板的能量消耗強(qiáng)度為206～332 MJ/kg。拉擠碳板經(jīng)過運(yùn)輸、組裝成葉片后，最后組裝為風(fēng)電機(jī)組。運(yùn)輸組裝過程的能量消耗強(qiáng)度與制備過程相比，可以忽略不記[9]。

進(jìn)入報(bào)廢階段的CFRP葉片，如果采用填埋法進(jìn)行處理，則其能量消耗僅為1～2 MJ/kg，CO2當(dāng)量排放量為0.14 kg/kg[13]。

2.3 CFRP葉片運(yùn)行過程中的減排效果

考察CFRP葉片運(yùn)行過程中的減排效果，需比較風(fēng)電與傳統(tǒng)發(fā)電方法的減排量，以及使用碳纖維和玻璃纖維時(shí)的減排情況。這是因?yàn)樵陲L(fēng)電領(lǐng)域，碳纖維與玻璃纖維屬于競爭關(guān)系，兩者均可以作為增強(qiáng)材料用于風(fēng)電葉片的制造。

與玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)相比，CFRP更加適合應(yīng)用于超大型風(fēng)電葉片，根據(jù)美國能源部的統(tǒng)計(jì)，隨著葉片長度的增加，使用CFRP的比例明顯增加，50 m以下的傳統(tǒng)葉片中，CFRP的使用比例為9%，而長度超過70 m的大型和超大型葉片中，CFRP的使用比例超過55%[14]。

在相同的纖維含量下，CFRP制備的葉片長度要遠(yuǎn)大于GFRP葉片，例如，當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，GFRP葉片可以做到約40 m，而CFRP葉片則可以做到75～80 m。風(fēng)機(jī)功率與葉片長度的平方成正比相關(guān)，兩者之間的關(guān)系滿足式(1)[15]。

P=1.196 3L2+ 9.944 8L- 117.03

(1)

式中：P為風(fēng)機(jī)功率；L為葉片長度。

考慮其他因素綜合計(jì)算，CFRP葉片每度電的CO2排放量比GFRP要減少20%～30%[16]。

風(fēng)力發(fā)電被視為清潔能源，是由于與傳統(tǒng)火力發(fā)電方式相比，生產(chǎn)過程中的碳排放量大幅減少?；鹆Πl(fā)電的CO2排放量一般在720.0～975.3 g/(kW·h)[15-16]，而風(fēng)電的CO2排放量則在5～46 g/(kW·h)[16-20]。文獻(xiàn)數(shù)據(jù)雖然在一定程度上有所差異，但是整體來看風(fēng)電相對于火力發(fā)電的碳排放量要小兩個(gè)數(shù)量級。

以3 MW的風(fēng)電機(jī)組為例，其實(shí)際輸出功率以1 MW計(jì)算，每臺(tái)使用CFRP約3 t，若使用GFRP則約6 t，服役期限為20年，計(jì)算CFRP、GFRP葉片在制造過程中的CO2排放量和總減排量，結(jié)果見表2。

表2 CFRP和GFRP葉片的減排效果Tab. 2 Carbon emission reduction of CFRP and GFRP wind turbine blade

從表2可知：對于3 MW的風(fēng)電機(jī)組，與火電相比，在其服役期內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)不低于150 kt的CO2減排量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出材料制備過程中CO2排放量；使用CFRP葉片與使用GFRP葉片相比，CO2總減排量超出1 kt。當(dāng)用于更大功率的風(fēng)電機(jī)組時(shí)，使用CFRP葉片的CO2減排效果更加顯著。

3 結(jié)論

a.根據(jù)LCA框架，CFRP風(fēng)電葉片的生命周期過程從材料制備到報(bào)廢分為4個(gè)主要階段即材料制備、運(yùn)輸組裝、運(yùn)行使用、報(bào)廢。

b.碳纖維制備過程中，能量消耗強(qiáng)度為286～500 MJ/kg，CO2當(dāng)量排放量在20～30 kg/kg，兩者之間正相關(guān)。

c.3 MW風(fēng)電機(jī)組的CFRP葉片在20年的服役期內(nèi)，與火電相比，能夠?qū)崿F(xiàn)CO2減排不低于150 kt。與GRRP相比，使用CFRP能夠減輕葉片質(zhì)量，大幅增加葉片長度，提高輸出功率，每度電的CO2排放量減少20%～30%。

d.從全生命周期考慮，使用CFRP具有非常突出的減排效果。