135 MWe塔式太陽能熱發(fā)電站全生命周期 碳排放研究

朱曉林，宓霄凌,2*，章顥繽,2，金建祥,2，王伊娜,2

(1. 浙江高晟光熱發(fā)電技術(shù)研究院有限公司，湖州 313000；2. 浙江可勝技術(shù)股份有限公司，杭州 310053)

0 引言

太陽能熱發(fā)電(concentrating solar power，CSP)是一種穩(wěn)定、連續(xù)、可調(diào)可控的可再生能源利用方式，對增加可再生能源發(fā)電量、解決“棄光限電”現(xiàn)象具有重要作用。在“雙碳”目標(biāo)背景下，促進(jìn)能源電力系統(tǒng)向低碳化發(fā)展成為目前關(guān)鍵與緊迫的任務(wù)之一，太陽能熱發(fā)電作為重要的可再生能源發(fā)電技術(shù)，國外學(xué)者已針對其開展了全生命周期碳排放量的研究工作。2008年，Viebahn等[1]研究得出西班牙Solar Tres塔式太陽能熱發(fā)電站的度電碳排放量為22 gCO2e/kWh；同年，Lechón等[2]研究得出西班牙Sevilla塔式太陽能熱發(fā)電站的度電碳排放量為24 gCO2e/kWh；2011年，Viebahn等[3]研究得出在年均太陽直接輻射量(DNI)為2000 kWh/m2條件下，西班牙Andasol-I槽式太陽能熱發(fā)電站的度電碳排放量為33.4 gCO2e/kWh，而在年均太陽直接輻射量為2500 kWh/m2條件下，其度電碳排放量為30.9 gCO2e/kWh；Burkhardt等[4]基于SAM軟件計(jì)算太陽能熱發(fā)電站的年發(fā)電量，研究得出位于美國加州Daggett的槽式太陽能熱發(fā)電站的度電碳排放量為26 gCO2e/kWh；Corona等[5]研究得出位于西班牙Ciudad Real的槽式太陽能熱發(fā)電站的度電碳排放量為26.6 gCO2e/kWh。上述研究均基于ISO 14040和ISO 14044提出的生命周期評估(LCA)方法，采用生命周期評估軟件SimaPro完成清單統(tǒng)計(jì)和碳排放因子選取，進(jìn)而計(jì)算太陽能熱發(fā)電站全生命周期內(nèi)的度電碳排放量。其中，清單統(tǒng)計(jì)包括電站設(shè)備、建筑的材料用量，以及電站全生命周期內(nèi)的能源消耗量等。上述研究中各太陽能熱發(fā)電站的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 不同太陽能熱發(fā)電站的關(guān)鍵參數(shù)Table 1 Key parameters of different CSP plants

對于文獻(xiàn)[1-5]而言，其太陽能熱發(fā)電站清單統(tǒng)計(jì)的全面性、完整性等無法確定，更重要的是，其研究的國外太陽能熱發(fā)電站在地理位置、氣象條件、材料單位制造能耗(或當(dāng)量碳排放因子)、電站運(yùn)行能耗等方面與中國太陽能熱發(fā)電站均存在差異，其度電碳排放量研究結(jié)果并不能直接作為中國太陽能熱發(fā)電站碳排放量情況的參考。

目前，中國缺乏太陽能熱發(fā)電站碳排放量方面的研究工作，特別是塔式太陽能熱發(fā)電站，僅針對敦煌10 MWe塔式太陽能熱發(fā)電站進(jìn)行過相關(guān)研究工作[6]。針對中國塔式太陽能熱發(fā)電站碳排放量缺乏研究的現(xiàn)狀，有必要開展其全生命周期碳排放量研究，以便于為中國塔式太陽能熱發(fā)電的低碳性提供科學(xué)依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐，促進(jìn)太陽能熱發(fā)電在節(jié)能減排方面的應(yīng)用。同時(shí)，希望此類研究能擴(kuò)大塔式太陽能熱發(fā)電站在中國的布局，促進(jìn)相關(guān)政策的制定，并期望能為太陽能熱發(fā)電評價(jià)指標(biāo)等提供參考。因此，本文以中國西北地區(qū)135 MWe塔式太陽能熱發(fā)電站為研究對象，基于全生命周期評估方法，通過研究邊界定義、清單統(tǒng)計(jì)，計(jì)算該塔式太陽能熱發(fā)電站全生命周期的度電碳排放量，并對結(jié)果進(jìn)行分析。

1 研究方法

根據(jù)塔式太陽能熱發(fā)電站的設(shè)計(jì)方案，圍繞相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)工藝、取材要求等，參考近年來中國權(quán)威部門數(shù)據(jù)，國內(nèi)文獻(xiàn)、標(biāo)準(zhǔn)等，盡可能選取本土化當(dāng)量碳排放因子，無法獲得的數(shù)據(jù)則參考國外相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)。

1.1 研究邊界定義

以中國西北地區(qū)135 MWe塔式太陽能熱發(fā)電站為研究對象，研究設(shè)定的參數(shù)條件為：電站全生命周期為25年，年均太陽直接輻射量為2015 kWh/m2，鏡場面積為145萬m2，年均光電效率為14.9%；采用冷、熱雙罐熔鹽儲熱，儲熱時(shí)長為11.2 h；冷卻方式為直接空冷?？紤]調(diào)峰后，該電站的年設(shè)計(jì)發(fā)電量為4.35億kWh；考慮廠用電情況后，該電站的年上網(wǎng)電量為3.95億kWh。

以該電站從設(shè)備、材料制造到廢棄處置階段的整個(gè)過程為研究邊界，按時(shí)間劃分為4個(gè)階段，即設(shè)備、材料制造階段，建設(shè)安裝階段，運(yùn)營維護(hù)階段，廢棄處置階段[4-5]，具體如圖1所示。

圖1 本塔式太陽能熱發(fā)電站整個(gè)過程的研究邊界Fig. 1 Research boundary of whole process of tower CSP plant

塔式太陽能熱發(fā)電站按功能可劃分為9個(gè)子系統(tǒng)，分別為鏡場、吸熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和附屬生產(chǎn)工程，如圖2所示。

圖2 塔式太陽能熱發(fā)電站的子系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of subsystem of tower CSP plant

1.2 計(jì)算方法

在研究邊界內(nèi)對塔式太陽能熱發(fā)電站全部材料、設(shè)備、能耗等的用量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、確認(rèn)與合并處理，本文用量數(shù)據(jù)來自電站工程量清單和物料清單，清單數(shù)據(jù)點(diǎn)大于2000個(gè)。

計(jì)算過程遵循以下假設(shè)：1)電站在無故障條件下運(yùn)行；2)電站全生命周期按25年計(jì)算；3)忽略設(shè)備制造工藝中產(chǎn)生的碳排放量；4)廢棄處置階段僅考慮電站的拆除、運(yùn)輸，電站設(shè)備、材料重量不變。

塔式太陽能熱發(fā)電站全生命周期的度電碳排放量EL的計(jì)算式為：

式中：(Ee+Et)為設(shè)備、材料制造階段的度電碳排放量，gCO2e/kWh；(Eo+Es)為建設(shè)安裝階段的度電碳排放量，gCO2e/kWh；Eu為運(yùn)營維護(hù)階段的度電碳排放量，gCO2e/kWh；Ed為廢棄處置階段的度電碳排放量，gCO2e/kWh。

1.2.1 設(shè)備、材料制造階段

材料包括建筑材料和設(shè)備材料，n種材料在制造階段的度電碳排放量Ee的計(jì)算式為：

式中：Wi為n種材料中第i種材料的用量，kg、m3或m2；?i為n種材料中第i種材料的當(dāng)量碳排放因子，gCO2e/kg、gCO2e/m3或gCO2e/m2；Q為太陽能熱發(fā)電站全生命周期的上網(wǎng)電量，kWh。

電站建設(shè)所需的建筑材料主要為鋼材、混凝土等，其當(dāng)量碳排放因子如表2所示。

表2 塔式太陽能熱發(fā)電站建筑材料的當(dāng)量碳排放因子Table 2 Equivalent carbon emission factors of building materials for tower CSP plant

(續(xù)表)

建筑材料通常只涉及原材料的簡單物理混合，而電站設(shè)備種類繁多且制造工藝復(fù)雜，涉及多種原材料的化學(xué)或熱處理，以及組件機(jī)械加工等，其制造過程中的能量消耗及溫室氣體排放目前無法定量統(tǒng)計(jì)，因此前文假設(shè)中忽略此部分的碳排放。設(shè)備材料的當(dāng)量碳排放因子根據(jù)設(shè)備主要材料構(gòu)成及其制造工藝，參考國內(nèi)文獻(xiàn)確定(見表3)，例如：儲熱系統(tǒng)中太陽鹽(二元硝酸鹽)的原料來自于當(dāng)?shù)佧}礦，采用國際主流的真空結(jié)晶工藝生產(chǎn)[13]，采礦法獲取熔鹽原料也是國際主流方法，其當(dāng)量碳排放因子遠(yuǎn)低于化學(xué)合成法的[14]；定日鏡玻璃采用浮法玻璃工藝生產(chǎn)[15]，具備低碳排放量的優(yōu)點(diǎn)。

表3 塔式太陽能熱發(fā)電站設(shè)備材料的當(dāng)量碳排放因子Table 3 Equivalent carbon emission factors of equipment materials for tower CSP plant

設(shè)備、材料制造階段還包括交通運(yùn)輸?shù)亩入娞寂欧帕?，某種運(yùn)輸方式下F車次運(yùn)輸時(shí)的度電碳排放量Et可表示為[16]：

式中：mr為F車次運(yùn)輸中第r車次的運(yùn)輸重量，t；Dr為第r車次從供應(yīng)商到施工現(xiàn)場的平均運(yùn)輸距離，km；ftr為第r車次運(yùn)輸中單位重量運(yùn)輸距離的當(dāng)量碳排放因子，gCO2e/(t·km)。

鋼筋、混凝土等常規(guī)建筑材料的運(yùn)輸距離按平均50 km、其余建筑材料按平均500 km計(jì)算，電站子系統(tǒng)中太陽鹽、鏡場設(shè)備運(yùn)輸距離分別按330、500 km計(jì)算，以上定義為本地材料和設(shè)備[16]。其他子系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)輸距離平均按1000 km計(jì)算，采用重型柴油貨車(載重46 t)公路運(yùn)輸時(shí)，其單位重量運(yùn)輸距離的當(dāng)量碳排放因子為57 gCO2e/(t·km)[8]。

1.2.2建設(shè)安裝階段

建設(shè)安裝階段的能源總消耗量采用施工工序能耗估算法計(jì)算，此階段涉及不同類型施工機(jī)械的能耗，由于所用機(jī)械種類、臺班多，以場地施工階段總的一次能源(化石能源)和二次能源消耗量計(jì)算(計(jì)算式分別如式(4)和式(5)所示)。其中，化石能源的度電碳排放量計(jì)算時(shí)相關(guān)參數(shù)的取值如表4所示，二次能源主要為電力消耗。

表4 化石能源相關(guān)參數(shù)的取值Table 4 Value of parameters related to fossil energy

電站建設(shè)安裝階段ω種化石能源消耗的度電碳排放量Eo可表示為：

式中：Mok為第k種化石能源的消耗量，kg或Nm3；Tk為第k種化石能源的平均低位發(fā)熱量，MJ/t或MJ/Nm3；Pk為第k種化石能源的單位熱值含碳量，kg/MJ；tk為第k種化石能源的碳氧化率，%。

z臺施工機(jī)械設(shè)備的電力消耗的度電碳排放量Es可表示為：

式中：Mq為第q個(gè)施工機(jī)械設(shè)備的電力消耗量，kWh；fe為電量當(dāng)量碳排放因子，gCO2e/kWh，取2016年全國電網(wǎng)平均當(dāng)量碳排放因子。

Y個(gè)施工項(xiàng)目中施工機(jī)械設(shè)備的化石能源消耗總量Mo可由式(6)、式(7)計(jì)算，施工機(jī)械設(shè)備單位臺班能源用量參考相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)[8]。

式中：Qo,x為第x個(gè)施工項(xiàng)目的工程量；fo,x為第x個(gè)施工項(xiàng)目的能耗系數(shù)，kWh/臺班或kg/臺班。

其中：

式中：Tx,j為第x個(gè)施工項(xiàng)目單位工程量中第j種施工機(jī)械設(shè)備的臺班消耗量，臺班；Rx,j為第x個(gè)施工項(xiàng)目中第j種施工機(jī)械設(shè)備單位臺班的能源用量，kWh/臺班或kg/臺班；ex為第x個(gè)施工項(xiàng)目中小型施工機(jī)具，不列入施工機(jī)械設(shè)備臺班消耗量，但消耗的能源列入材料的部分能源用量，kWh。

1.2.3 運(yùn)營維護(hù)階段

運(yùn)營維護(hù)階段清單統(tǒng)計(jì)的電站能量消耗，特指為保障電站正常運(yùn)營外購并消耗的能源，包括電能、天然氣、燃油等。而電站運(yùn)營主要能量消耗為廠用電，廠用電為自發(fā)自用，不外購；主廠房及各生產(chǎn)輔助建筑物熱水采暖熱源為發(fā)電系統(tǒng)輔助蒸汽，來自汽輪機(jī)除氧抽汽，停機(jī)運(yùn)行時(shí)由汽包抽取部分蒸汽，所以這些內(nèi)容不計(jì)入清單統(tǒng)計(jì)。

電站廠前區(qū)的太陽能采暖輔助電鍋爐用電、生活天然氣等為外購能源，需要計(jì)入清單統(tǒng)計(jì)。電站員工食堂的用氣量標(biāo)準(zhǔn)如表5所示，根據(jù)《城市天然氣年用氣量參考表》，員工食堂內(nèi)單人年能耗以1884 MJ計(jì)算。

表5 塔式太陽能熱發(fā)電站員工食堂的用氣量標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Gas consumption standard for staff canteen of tower CSP plant

在電站運(yùn)營維護(hù)階段，化石能源和電能消耗產(chǎn)生的度電碳排放量總量Eu，可結(jié)合式(4)和式(5)計(jì)算得到。

1.2.4 廢棄處置階段

廢棄處置階段是塔式太陽能熱發(fā)電站全生命周期結(jié)束后對其建筑、設(shè)備的拆除和處置。廢棄處置包含交通運(yùn)輸、不可回收材料的焚燒及填埋，可回收材料的回收再利用[17]。處置階段僅作拆除和交通運(yùn)輸?shù)暮喕?jì)算[18]，簡化出于以下考慮：1)為防止回收造成排放量估算偏低，且同類研究中未包括回收計(jì)算[4,14]；2)回收利用后涉及材料的拆分、清洗、化學(xué)處理及能耗，計(jì)算復(fù)雜；3)防止重復(fù)計(jì)算，比如設(shè)備重新回收冶煉或直接再利用等，因此更偏向于在下一個(gè)生命周期計(jì)算設(shè)備、材料制造階段的度電碳排放量。

廢棄處置階段的度電碳排放量Ed的計(jì)算式為：

建筑、設(shè)備拆除的度電碳排放量可視作建設(shè)安裝階段的逆過程，其值占建設(shè)安裝階段的度電碳排放量的90%[19-20]。交通運(yùn)輸?shù)亩入娞寂欧帕堪纯苫厥詹糠趾筒豢苫厥詹糠钟?jì)算，可回收部分包括電站設(shè)備和金屬類建筑材料，運(yùn)輸距離按平均500 km計(jì)算；不可回收部分的材料包括混凝土、碎石等無機(jī)材料，運(yùn)輸至填埋場或回收站，運(yùn)輸距離按平均50 km計(jì)算。采用重型柴油貨車(載重46 t)公路運(yùn)輸時(shí)其單位重量運(yùn)輸距離的當(dāng)量碳排放因子為57 gCO2e/(t·km)[8]。

2 結(jié)果分析

2.1 塔式太陽能熱發(fā)電站不同階段的度電碳排放量

基于前述的研究參數(shù)條件，通過對清單中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到該塔式太陽能熱發(fā)電站全生命周期的度電碳排放量為22.7 gCO2e/kWh，處于國內(nèi)外同類電站全生命周期度電碳排放量(22～35 gCO2e/kWh)的低位水平。22.7 gCO2e/kWh的度電碳排放量與國外研究成果接近，比如文獻(xiàn)[1]中的22 gCO2e/kWh和文獻(xiàn)[2]中的24 gCO2e/kWh，折合到單位鏡場面積的度電碳排放量為1.56×10-5gCO2e/(kWh·m2)。

4個(gè)階段的度電碳排放量占比如圖3所示。

圖3 4個(gè)階段的度電碳排放量占比Fig. 3 Percentage of carbon emissions per kilowatt hour in four stages

從圖3可以看出：

1)設(shè)備、材料制造階段的度電碳排放量最高(19.8 gCO2e/kWh)，占4個(gè)階段總度電碳排放量的比例為87.40%，與國外部分研究結(jié)果相近[4]，這是由于建筑材料、設(shè)備材料數(shù)量與種類繁多，生產(chǎn)制造過程的單位耗能高。其中，材料、設(shè)備的交通運(yùn)輸度電碳排放量約為0.50 gCO2e/kWh，約為36.5萬t貨物運(yùn)輸?shù)亩入娞寂欧帕?，僅占設(shè)備、材料制造階段度電碳排放量的2.2%，這關(guān)乎到運(yùn)輸成本及便利性，建筑材料、設(shè)備應(yīng)盡量向本地供應(yīng)商采購，縮短運(yùn)輸距離。大宗設(shè)備盡量采取低能耗運(yùn)輸方式，例如大噸位載重汽車、遠(yuǎn)途鐵路運(yùn)輸?shù)?，從而降低碳排放量和?jié)省成本。

2)建設(shè)安裝階段的度電碳排放量為0.48 gCO2e/kWh，略小于材料、設(shè)備運(yùn)輸階段的度電碳排放量，占4個(gè)階段總度電碳排放量的2.11%。建設(shè)工程度電碳排放量為0.41 gCO2e/kWh；安裝工程度電碳排放量為0.068 gCO2e/kWh，占比較小。

3)運(yùn)營維護(hù)階段的度電碳排放量為1.62 gCO2e/kWh，占4個(gè)階段總度電碳排放量的7.16%，主要來源為廠前區(qū)辦公、生活的采暖用能。西北地區(qū)的光照充足，電站運(yùn)營良好，無需燃?xì)庋a(bǔ)燃或頻繁由燃?xì)饣}。不同于塔式太陽能熱發(fā)電站，相關(guān)研究表明：槽式太陽能熱發(fā)電站因采用外購電能，會增加30%的度電碳排放量[21]，采用天然氣補(bǔ)燃的度電碳排放量是非補(bǔ)燃狀態(tài)下的7～11倍[1-2,5,12]，說明不同類型太陽能熱發(fā)電站的運(yùn)營維護(hù)的用能方式對電站的度電碳排放量有巨大影響。根據(jù)電站項(xiàng)目可行性研究報(bào)告，統(tǒng)計(jì)電站調(diào)試一次性用電量、采暖用電量，以及食堂、員工交通耗能產(chǎn)生的度電碳排放量，結(jié)果如表6所示。

表6 運(yùn)營維護(hù)階段的度電碳排放量Table 6 Carbon emissions per kilowatt hour during operation and maintenance stage

4)廢棄處置階段的度電碳排放量為0.75 gCO2e/kWh，約占4個(gè)階段總度電碳排放量的3.33%。其中，建筑、設(shè)備拆除過程的度電碳排放量占該階段的比例為57.33%；隨著回收利用技術(shù)的進(jìn)步，可回收的度電碳排放量占比將進(jìn)一步降低。該階段的度電碳排放量具體如表7所示。

表7 廢棄處置階段的度電碳排放量Table 7 Carbon emissions per kilowatt hour during waste disposal stage

2.2 子系統(tǒng)設(shè)備、材料制造階段的度電碳排放量

由前文可知，設(shè)備、材料制造階段的度電碳排放量占比最高，對此重點(diǎn)從各子系統(tǒng)和原材料角度進(jìn)一步分析。根據(jù)表8的用量清單(限于篇幅，僅部分列出)，材料性質(zhì)選取表2、表3中對應(yīng)的當(dāng)量碳排放因子，由式(2)計(jì)算子系統(tǒng)設(shè)備、材料制造階段的度電碳排放量。

表8 設(shè)備和材料用量的部分清單Table 8 Partial list of equipment and material consumption

子系統(tǒng)的設(shè)備、材料制造階段的度電碳排放量計(jì)算結(jié)果如表9所示。

表9 子系統(tǒng)的設(shè)備、材料制造階段的 度電碳排放量計(jì)算結(jié)果Table 9 Calculation results of carbon emissions per kilowatt hour at manufacturing stage of equipment and materials of subsystem

從表9可以看出：

1)鏡場度電碳排放量最高(7.87 gCO2e/kWh)，約占電站全生命周期總度電碳排放量的40.8%，這是由于定日鏡鋼材、玻璃的用量占比大，二者的度電碳排放量分別為5.25、1.91 gCO2e/kWh，分別占到鏡場總度電碳排放量的66.7%和24.3%。建筑材料主要為鋼筋混凝土，其度電碳排放量僅占鏡場的9.5%。

2)儲熱系統(tǒng)的度電碳排放量次之，為4.04 gCO2e/kWh，約占電站全生命周期總度電碳排放量的20.9%。其中熱鹽罐、冷鹽罐、太陽鹽的度電碳排放量分別占儲熱系統(tǒng)度電碳排放量的49.7%、12.9%和9.4%，其原因是鹽儲罐材料用量大，熱鹽罐和冷鹽罐重量分別達(dá)到2248、2120 t，采用斜溫層單罐儲熱節(jié)省約50%的金屬材料用量，可降低儲熱系統(tǒng)產(chǎn)生的碳排放量。太陽鹽用量大，但度電碳排放量較小，其主要原因是太陽鹽直接以礦物鹽為原料，相關(guān)研究表明：若采用化學(xué)法工藝制備太陽鹽，將提高50%以上的碳排放量[4]。另外，建筑材料度電碳排放量約占儲熱系統(tǒng)度電碳排放量的21.3%。

3)吸熱系統(tǒng)的度電碳排放量位列第3，約占電站全生命周期總度電碳排放量的9.8%。其中建筑部分占比為88.9%，這是由于吸熱塔的塔身和地基采用了大量高標(biāo)號鋼筋混凝土(C45～C50)，其生產(chǎn)工藝耗能大，當(dāng)量碳排放因子高。雖然吸熱器、熔鹽下降管等設(shè)備材料采用了當(dāng)量碳排放因子高的不銹鋼，但用量占比小，所以此類設(shè)備僅占吸熱系統(tǒng)度電碳排放量的10.5%。

4)其余子系統(tǒng)中：發(fā)電系統(tǒng)和附屬生產(chǎn)工程分別約占電站全生命周期總度電碳排放量的6.4%和6.5%；供水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)的度電碳排放量占比均在5%左右，處于同一水平；蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中設(shè)備多數(shù)采用碳鋼且用量少，度電碳排放量占比降為4.2%；水處理系統(tǒng)的度電碳排放量占比僅約為1.1%。

5)整體上來看，9個(gè)子系統(tǒng)的建筑材料度電碳排放量占設(shè)備、材料制造階段的31.9%，設(shè)備占65.6%，這說明電站設(shè)備總體制造能耗高于建筑材料的，設(shè)備的碳減排潛力高于建筑的，需要通過系統(tǒng)優(yōu)化、技術(shù)創(chuàng)新，減少設(shè)備用量或使用高耗能材料來實(shí)現(xiàn)，特別是鏡場和儲熱系統(tǒng)。

2.3 全生命周期碳排放量的影響因素分析

鏡場和儲熱系統(tǒng)的碳排放量占比大，主要是由材料用量和性質(zhì)決定的，而太陽直接輻射量和儲熱時(shí)長分別是影響鏡場和儲熱系統(tǒng)規(guī)模的直接因素，所以針對這兩個(gè)參數(shù)，研究其對電站全生命周期度電碳排放量的影響。

2.3.1 太陽直接輻射量的影響

為了排除其他因素干擾，電站的上網(wǎng)電量、儲熱時(shí)長、發(fā)電效率等參數(shù)保持不變，以年均太陽直接輻射量為變量，計(jì)算相應(yīng)的鏡場面積，得出相應(yīng)的鏡場設(shè)備材料、建筑材料的用量，最后計(jì)算得出電站全生命周期度電碳排放量，并進(jìn)行分析。采用年均指標(biāo)，鏡場面積A由式(9)計(jì)算得到[22]。

式中：E為年上網(wǎng)電量，kWh；JD為年均太陽直接輻射量，kWh/m2；d為年平均棄光率，本文按無棄光處理；ηf為鏡場年平均效率，本文取52.9%～57.1%；ηr為吸熱器年均效率，本文取84.7%；ηH為集熱及換熱系統(tǒng)管路年平均傳輸效率，98%；ηT為儲熱系統(tǒng)效率，本文取98%；ηP為發(fā)電單元汽水管道傳輸效率，本文取99%；ηS為發(fā)電機(jī)組年均發(fā)電效率，本文取41.3%。

不同年均太陽直接輻射量下電站的全生命周期度電碳排放量如表10所示。

由表10可知：由于年均太陽直接輻接量增加，同上網(wǎng)電量條件下的鏡場面積相應(yīng)減小，鏡場材料用量減少，電站全生命周期度電碳排放量呈降低趨勢。年均太陽直接輻射量由1800 kWh/m2增加到3600 kWh/m2，相應(yīng)度電碳排放量降低18.7%，在實(shí)際的太陽能熱發(fā)電站整體設(shè)計(jì)過程中，除鏡場外其他子系統(tǒng)的材料用量等也會發(fā)生不同幅度的減少，所以實(shí)際的度電碳排放量降低幅度會更大。

2.3.2 儲熱時(shí)長的影響

以儲熱時(shí)長為變量，其他子系統(tǒng)規(guī)模及參數(shù)保持不變，采用SAM軟件計(jì)算不同儲熱時(shí)長對應(yīng)的太陽鹽用量及電站年均上網(wǎng)電量。由于缺乏詳細(xì)設(shè)計(jì)，故對儲熱系統(tǒng)設(shè)備、材料用量進(jìn)行折算，最后計(jì)算對應(yīng)的電站全生命周期度電碳排放量，建立多個(gè)儲熱時(shí)長與度電碳排放量的數(shù)量對應(yīng)關(guān)系，分析儲熱時(shí)長對度電碳排放量的影響。

不同儲熱時(shí)長對應(yīng)的電站全生命周期度電碳排放量如表11所示。隨儲熱時(shí)長的增長，儲熱系統(tǒng)材料用量增加，使其碳排放量增加，由于上網(wǎng)電量隨儲熱時(shí)長的增幅大于碳排放量增幅，電站全生命周期度電碳排放量總體呈減小趨勢，儲熱時(shí)長從4 h增加到12 h，電站全生命周期度電碳排放量降低約18.7%，隨著儲熱時(shí)長的等量增長，度電碳排放量降幅減小。

表11 不同儲熱時(shí)長的電站全生命周期度電碳排放量Table 11 Carbon emissions per kilowatt hour of CSP plant with different heat storage duration in the whole life cycle

2.4 塔式太陽能熱發(fā)電站的碳減排分析

實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重點(diǎn)任務(wù)是能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，近些年塔式太陽能熱發(fā)電的快速發(fā)展，已具備替代火力發(fā)電的技術(shù)能力。目前中國能源結(jié)構(gòu)中，火力發(fā)電仍占有較大比例，據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2020全年中國發(fā)電量為77790.6億kWh，其中火力發(fā)電量占比為68.5%，達(dá)到53302.48億kWh。已有研究表明，中國火力發(fā)電規(guī)模、發(fā)電技術(shù)的多樣性導(dǎo)致火力發(fā)電站全生命周期度電碳排放量存在差異，具體如表12所示[23]。取表12中火力發(fā)電站全生命周期度電碳排放量的中位數(shù)940 gCO2e/kWh作為參考值，以2020年全國火力發(fā)電的發(fā)電量為基準(zhǔn)，計(jì)算塔式太陽能熱發(fā)電替代火力發(fā)電的年碳減排量，計(jì)算結(jié)果如表13所示。

表12 中國火力發(fā)電站全生命周期度電碳排放量Table 12 Carbon emissions per kilowatt hour of coalfired power plant in the whole life cycle in China

表13 塔式太陽能熱發(fā)電站替代火力發(fā)電站發(fā)電的 年碳減排量Table 13 Annual Carbon emission reduction of tower CSP plant replacing coal-fired power plant

由表13可知：新增135座塔式太陽能熱發(fā)電站(135 MWe/座)，可替代1%的全國火力發(fā)電發(fā)電量，年碳減排量達(dá)到0.49億t，全生命周期可實(shí)現(xiàn)碳減排12.25億t。如果塔式太陽能熱發(fā)電站替代20%的全國火力發(fā)電發(fā)電量，需新增約2700座塔式太陽能熱發(fā)電站(135 MWe/座)，年碳減排量達(dá)到9.78億t，全生命周期可實(shí)現(xiàn)碳減排244.5億t。綜上可知，當(dāng)新增的百兆瓦級塔式太陽能熱發(fā)電站發(fā)電量替代全國火力發(fā)電發(fā)電量的1%～20%時(shí)，年碳減排量可達(dá)0.49億～9.78億t。由此可知，塔式太陽能熱發(fā)電站具有極大的碳減排能力及環(huán)保效益。

3 結(jié)論

本文以中國西北地區(qū)135 MWe塔式太陽能熱發(fā)電站(太陽直接輻射量為2015 kWh/m2，年均光電效率為14.9%，儲熱時(shí)長為11.2 h，全生命周期為25年)為研究對象，基于全生命周期評估方法，通過研究邊界定義、清單統(tǒng)計(jì)，計(jì)算得到該電站全生命周期4個(gè)階段的度電碳排放量，并對結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示：

1)該塔式太陽能熱發(fā)電站的全生命周期度電碳排放量為22.7 gCO2e/kWh，折合到單位鏡場面積的度電碳排放量為1.56×10-5gCO2e/(kWh·m2)；22.7 gCO2e/kWh的度電碳排放量處于國內(nèi)外同類電站度電碳排放量(22～35 gCO2e/kWh)的低位水平。

2)在該塔式太陽能熱發(fā)電站全生命周期4個(gè)階段中，設(shè)備、材料制造階段的度電碳排放量最高(占比約為87.4%)，運(yùn)營維護(hù)階段次之(占比約為7.2%)，廢棄處置階段位列第3(占比約為3.3%)，建設(shè)安裝階段最低(占比約為2.1%)。

3)在設(shè)備、材料制造階段，對于該電站的子系統(tǒng)而言，鏡場的度電碳排放量最高(約占電站全生命周期總度電碳排放量的40.8%)，儲熱系統(tǒng)的度電碳排放量次之(約占電站全生命周期總度電碳排放量的20.9%)，吸熱系統(tǒng)位列第3(約占電站全生命周期總度電磁排放量的9.8%)，發(fā)電系統(tǒng)和附屬生產(chǎn)工程同時(shí)位列第4(分別約占電站全生命周期總度電碳排放量的6.4%和6.5%)，其余子系統(tǒng)的度電碳排放量處于同一水平(均約占電站全生命周期總度電碳排放量的5%)，水處理系統(tǒng)的度電碳排放量最低(約占1.1%)。建議重點(diǎn)關(guān)注鏡場、熔鹽儲罐等度電碳排放量高占比的子系統(tǒng)和設(shè)備，通過提高鏡場效率、鹽罐結(jié)構(gòu)優(yōu)化等技術(shù)創(chuàng)新，減少用量或以低能耗材料替代，進(jìn)一步降低電站成本及度電碳排放量。

4)該塔式太陽能熱發(fā)電站全生命周期的度電碳排放量，隨年均太陽直接輻射量和儲熱時(shí)長的增加呈降低趨勢，且降幅逐步減小。在電站設(shè)計(jì)、優(yōu)化過程中應(yīng)綜合考慮上述因素的影響，兼顧經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益，降低電站的度電碳排放量。

5) 當(dāng)新增的百兆瓦級塔式太陽能熱發(fā)電站發(fā)電量替代全國火力發(fā)電發(fā)電量的1%～20%時(shí)，年碳減排量可達(dá)0.49億～9.78億t。由此可知，塔式太陽能熱發(fā)電站具有極大的碳減排能力及環(huán)保效益。