基于生命周期分析（LCA）方法的地热发电环境影响比较研究＊

■ 孙上斐 邹乐乐

1.中国科学院科技战略咨询研究院 北京市 100190

2.中国科学院大学公共政策与管理学院 北京市 100049

0 引言

电力作为全球重要能源行业，其温室气体排放量一直居所有行业首位。1995年以来，电力部门超过工业部门成为我国最大的碳排放部门，电力部门CO2排放量约占我国总排放的51.44%，占全球电力部门总排放的1/3（IEA）。2019年我国总发电量7.3万亿kWh，其中火电占比68.9%、水电17.8%、风电5.5%、核电4.8%、太阳能发电3.0%[1]，以煤电为主导的电力结构是我国温室气体排放量居高不下的重要原因。因此，加深对中国发电结构的认识，研究可再生能源发电方式对于电力部门减排具有重要现实意义，符合中国2030 碳达峰、2060 碳中和的远景规划要求。城市化进程中，碳排放随着区域的经济发展而不断增加，加重了社会与环境的负担，绿色低碳转型是实现城市可持续发展的必然选择，研究城市群区域内电源结构低碳化发展方向对于实现城市群绿色低碳转型具有重要意义。地热能属于可再生能源，具有储量丰富、分布广泛、开发稳定可靠等特点。随着世界范围内人口激增、能源安全问题频发，世界各国越来越重视地热资源的开发和利用。从地热储量现状来看，近10年全球地热能装机容量增长了30%（2009年10.72GW，2019年13.93 GW，数据来自国际能源署），中国地热能可采储量超过2.0×1019J，还有较高的开发潜力，甚至可以逐渐替代燃煤发电[2]。但是地热发电在前期建设时，需要大量原材料、能源投入，地热勘测钻井阶段环境污染风险较大，对其进行环境效益评估是及其重要的。

既往文献研究多集中在地热电站建设较好的国家[3][4][5][6][7]，尤其是欧洲非洲以及拥有大型地热电厂的国家，对中国地热电站的研究较少[8]；有些研究将地热电站环境评估的系统边界定义在地热电站运营期[2][7][8][9]，有些研究通过比较不同技术的环境效益探讨更适合的发电方式[2][8]，但对于地热电站建设期，以及全生命周期的环境评价较少。从研究方法来看，LCA 评价方法已被广泛应用于风电场、光伏发电环境效果评估，Vargas等以墨西哥某个大型风电场为例，运用LCA方法得到长叶片的风电机组更具有环境效益[10]；马艺等利用LCA 方法核算100MW 风电场建设运营期温室气体排放量[11]；Barton研究了多晶硅-太阳能发电全生命周期的碳足迹和环境影响[12]。

国内外学者对不同发电方式均有过不同类型、不同程度的全生命周期的环境影响分析，但相关研究中缺乏对不同可再生能源及传统能源发电的横向对比研究；针对地热发电的全生命周期分析中，由于系统边界和研究阶段的差异，电站地下建设期环境影响尚未有明确数据支撑。因此，本研究通过建立地热发电全生命周期评价系统，并横向对比不同发电方式全生命周期内单位发电量CO2排放情况，可以系统、全面的研究不同发电方式不同阶段的环境影响程度，综合评估传统发电方式和可再生能源发电方式的环境和经济效益，为我国电力行业转型、能源政策制定、城市群区域内低碳转型路径及“双碳”规划提供决策依据。

1 不同类型发电方式的生命周期环境影响评价模型

本研究采用LCA 方法分析地热电站、风电、光电和传统火电电力生产全过程的污染排放情况，考虑到不同发电方式的特点以及使评价结果具有横向可比性，将全生命周期评价系统边界划分为建设期和运营期两部分，建设期又单独划分为地下建设或机组生产期和地上建设时期。通过对比分析不同发电方式生命周期内各阶段生产活动环境污染情况，探究地热开发全过程的环境影响程度。

1.1 地热发电

地热发电系统包括地热电站建设、运营维护和退役3个阶段，由于地热井运营期较长及技术改进效果明显，退役期对环境的影响相对较小，故将地热电站全生命周期范围划定为建设期和运营期，建设期又分为钻井完井和地上机组建设。图1是给出的地热开发全生命周期系统边界。

图1 地热电站全生命周期系统边界

本研究依据中海油现有油井钻井技术及羊八井地热电站相关开发数据为基础，根据生命周期及部分地热工程环评报告相关数据整理及中海油公司提供的数据，汇总整理得出如下地热电站开发能源消耗清单（表1）。

表1 地热电站开发能源消耗清单

1.2 风力发电机组

风力发电的生产建设期主要包括风力机组、配电站建设和输电设施等建筑原材料的生产和运输、维持机器运转的电力能源消耗；运营期主要是维持风力机组正常运转的能源消耗。

选取单机容量2MW 风电机组组成的50MW 的风电场项目为研究对象，风机的寿命为20年，年发电量1.27×109kWh，参考WTG1-1500 风力机招标技术文件以及文献[11][13]，得出风电场建设运营的能源消耗清单（表2）。

表2 风力发电项目能源消耗清单

1.3 光伏发电机组

光伏发电是利用太阳能电池板将太阳辐射直接转换为电能，具有可再生、资源储量丰富、无污染、安全、维护简单等特点。光伏发电与其他发电系统不同的是，一旦太阳能电池板安装投入运营后，只需要投入少量的人力进行管理和维护，运营期中原料能源的投入和排放在全生命周期中占比均小于1%，可以忽略不计。但在太阳能电池板的制造阶段也就是光伏发电系统的建设期，会消耗大量能源，产生的污染也引起越来越多的学者[14][15][16]关注。因此，本研究将边界建设期包括光伏组件生产（工业硅生产、高纯多晶硅提取、多晶硅电池生产）和组件运输两部分。

案例地选择上海某年均发电量124.56 万kWh，年利用时间2600h 的光伏电站建设情况为核算基础，对多晶硅太阳能光伏发电各环节资源消耗和污染物排放情况进行归类整理，得到光伏电站建设运营的能源消耗清单（表3）。

表3 光伏组件生产、运输能源消耗清单

1.4 燃煤发电

燃煤发电生命周期的系统边界可以划定为生产建设期（包括厂房机组安装建设及相关组件运输环节）和发电运营期，其中生产建设期不将煤炭开采计算在内，发电运营期主要包括煤炭运输消耗以及维持设备运转所需要的电力。

案例地选取东北某600MW 装机容量、年发电量274500 万kWh、机组寿命20年、年运行5500h 的火电站为核算基础，并按照国家能源局2019年公布的全国供电标准煤耗307g/kWh 计算单位总耗煤量，得到火电站建设运营的能源消耗清单（表4）。

表4 电厂建设、发电运营能源消耗清单

2 生命周期碳足迹及减排效益分析

地热发电的全生命周期环境影响评价是本研究的重点，故在单独分析地热发电系统时将评价指标设定为发电运营全过程排放总量；在进行不同发电方式的环境效益横向研究中，选取1kWh为基本功能单位，即每发电1kWh 的电量耗用的原材料及燃料和其所产生的污染物排放情况。

2.1 污染物排放总量测算

式中，mijt表示原材料i 在t 阶段j 型污染物排放总量（吨），Cit表示第i中原材料t阶段的消耗量（吨），fij为第i种原材料j型污染物排放因子

2.2 环境影响潜值

生命周期评价方法将地热电站生命周期过程中产生的环境影响分为有限资源消耗、全球变暖、环境酸化和富营养化4 大类型，并针对每个阶段每种类型的具体指标清单对地热电站的环境影响进行综合评价。

环境影响潜值是指地热电站整个生命周期过程中系统边界内所有对环境产生影响的污染物排放总和及资源消耗的综合，即环境影响潜值计算公式为：

其中，Pi 表示第i 类环境影响潜值，mj表示第j 种排放物的质量（kg），Dij 表示第j 种排放物对第i 类环境影响潜值的特征化因子（特征化因子取自IPCC2007）。

2.3 减排效益

节能减排效益是指将地热发电项目和其他发电系统年消耗能量转换为一次能源（标准煤）进行对比，计算地热发电系统运行的节能量，并通过节能量计算得出CO2总减排量情况。

其中，ECO2指CO2减排量，Gi,Gj表示某种发电方式运营期消耗的能源总量（吨标准煤），fCO2表示标煤CO2排放因子（标煤CO2排放因子=标煤低位热值×焦煤含碳量×CO2分子量=29.3076GJ/t×25.8kg/GJ×44/12=2.77）。

3 结果及分析

3.1 地热电站全生命周期评价

从地热电站开发全过程的环境排放情况（表5）可以看出，在所有的排放物中，CO2排放量在生命周期的各个过程均居首位，且地下建设期的碳排放量最高；运营期年均碳排放总量为391t，文献[18]最低功率燃煤发电碳排放量为59.08万t，这一数值远低于燃煤电站。

表5 地热电站开发全过程环境排放清单（单位：t）

从图2 可以看出，全球变暖潜值主要来自地下建设时期，占比超过90%，其次是地上机组厂房建设期，运营期（按20年计算）虽然时间远大于建设期，但在全球变暖潜值中的影响程度最低；运营期环境酸化潜值占比最高约占90%，酸化程度严重，这是因为地热尾水含有大量SO2，地热尾水回灌或者处理不到位造成酸化情况严重；对于富营养化潜值，除地上建设期占比小于5%外，其余阶段影响较平均，运营期富营养化潜值较高可能与电站运行过程中水热交换使用的“冷却水”有较大的关系。从有限资源消耗潜值分析，地热电站建设的钻井完井过程中消耗掉大量原料和柴油，换算成有限资源消耗量后在整个地热生命周期过程中占比超60%，运营期由于年限时间长，设备运转需要依靠电力，而本研究最初选用的电力来自于燃煤发电，故而在运营期有限资源消耗潜值占比也接近30%，而后期随着地热发电、风电、光伏等可再生能源发电的普及化，其资源消耗潜值在运营期会有较大程度降低。

图2 不同过程地热电站环境影响情况（单位：吨）

通过对地热电站开发的整个生命周期过程进行环境影响综合评价的结果（图3），可以得知，地热电站全生命周期中对环境造成影响程度最大的是地下建设时期，占59%；其次是运营期占比40%，但若将运营期环境影响折合到每年，其影响程度即可忽略不计，这一结论也与现有研究[7][9]基本一致。

图3 地热电站各阶段环境影响占比

总的来看，地热电站在钻进完井阶段的排放较难控制，只能依靠技术进步降低单位能耗；运营期环境影响可以通过尾水处理或多级利用进行有效调节，因此，可以通过对地热废水处理，降低环境影响。

3.2 与其他发电方式比较

3.2.1 不同发电方式的环境影响

为了更全面的了解地热发电系统环境效益的情况，本研究将研究结果按年均发电量单位化，与其他清洁能源发电及传统发电方式进行对比。表6 是地热发电、风电、光伏发电、煤电系统全生命周期排放清单，单位g/kWh。

通过对不同发电方式建设运营全过程的环境排放情况（表6）可以看出，CO2排放量无论是在化石能源发电还是可再生能源发电中的全生命周期的各个过程中均居首位；单位发电量化石能源碳排放量755.37g·kWh-1远高于可再生能源发电，在可再生能源发电中，风电和光伏发电单位碳排放量在8g·kWh-1以内，单位碳排放量大约是地热发电的2/3，这主要是与地热发电前期需要投入大量能源进行建设有关。

表6 各发电方式全生命周期排放清单（单位：g/kWh）

从全生命周期的各个阶段排放情况来看（图4），传统发电方式由于需要用化石能源作为燃料，通过燃烧发电，故发电运营期碳足迹最大；光伏发电通过电池片将光能转化为电能，其碳排放量最大的环节主要在电池组件生产阶段，现阶段我国80%以上的太阳能电池板都是以单晶硅或多晶硅为主要原材料，多晶硅生产和铸造阶段产生的碳排放量成为光伏发电全生命周期的主要排放来源；风力发电中风电配电机组和输电设施建设是全生命周期碳排放最大的环节，需要考虑降低风电站地上建筑施工阶段的碳排放。

图4 不同发电方式的碳足迹

3.2.2 不同发电方式经济效益影响

传统火力发电产业的成本主要来自发电过程中燃料成本，受燃料价格波动影响较大；与火电厂不同的是地热发电产业与其他可再生能源发电产业类似，初始投资较大，前期投入基本包含了所有的资源成本，项目完工投入运营后就几乎不再需要化石燃料维持运转，可以有效的消除化石燃料价格波动对电力市场价格的冲击，起到稳定电力市场的作用。

国家能源局发布的《2018年度全国电力价格情况监管通报》显示，2018年全国燃煤电厂平均上网电价为370.52 元/MWh（0.056 美元/kWh，按2018年汇率1:6.118元计算），燃气上网平均电价584.10元/MWh（0.088美元/kWh）。

从全球范围来看，国际可再生能源署（IRENA）发布的《2019年可再生能源发电成本报告》中显示（表7），2019年大规模化光伏发电成本为0.068 美元/kWh，较2010年0.36 美元/kWh 的成本下降超70%，陆上风电和海上风电成本分别降至0.053 美元/kWh 和0.0115 美元/kWh，降幅分别为25%和17%，可以看出随着技术进步和规模化生产，可再生能源发电成本极具下降，逐渐接近化石燃料发电成本（0.05～0.17 美元/kWh，数据来自国家能源局 http://www.nea.gov.cn/2018-01/22/c_136914884.htm）下限；新投产的水电项目从2010年的0.037 美元/kWh 增至2019年的0.047 美元/kWh，由于其单位成本仍然低于其他可再生能源，故水利发电在市场上仍有较大竞争力；2019年地热发电成本约为0.073 美元/kWh，较2017年0.07美元/kWh略微上涨，整体来看还是低于化石燃料发电成本。因此，地热发电行业还需要向光伏、风电产业借鉴经验，加大技术研发、努力形成规模化经济，才能保持一定的成本优势。

表7 不同发电方式成本比较（单位：美元/kWh）

3.3 减排效益分析

地热电站运营期单井年均用电量36.5 万kWh，约产生1576.8 万kWh 电量（数据由横向课题“中国海油陆上地热能开发利用评估”中计算得出），按照每kWh电折合0.1299kg标准煤计算，折合

耗煤量：G地热=365000*0.1229=44858.5（kg）=44.86（t）

根据国内标准，火力发电系统中，一吨煤可以发出3200 kWh 电量（2019年电力行业限制类、淘汰类目录情况：1千克煤发电量低于3.2度属于较低效率水平），原煤折标准煤系数0.7143kg/kg（数据来源：2012年中国能源统计年鉴.各种能源折标煤参考系数），若生产1576.8 万kWh 的电量，需要消耗原煤：G原煤(火电)= 1 ÷ 3200 ×15768000 = 4927.5(t)

折合标准煤G火电(标煤)= 4927.5 × 0.7143 =3519.71(t)

则节能效益：G节=G火电(标煤)-G地热= 3519.71 -44.86 = 3474.85(t)

减排效益：CO2减排量=G节× fco2= 3474.85 ×2.77 = 9625.33(t)

4 结论与对策

4.1 研究结论

（1）本研究建立了基于LCA 方法的不同发电方式全生命周期评价模型，从污染物排放、环境影响潜值、经济成本是3个方面进行较为系统、全面的评估，为城市群低碳转型路径中电源结构低碳化发展提供决策方向，提高路径优化的科学性。

（2）本研究通过横向比较地热发电与其他可再生能源发电，纵向对比地热发电的全生命周期环境影响情况，归纳出地热发电存在的问题：单位地热发电量碳排放水平约为化石能源发电的1/53，是风电、光电的1.83倍；地热发电在地热井建设环节能源消耗量大导致碳排放相对较高，环境酸化问题主要来自发电时产生的地热尾水不合理回灌，单位发电成本仍有较大降低潜力。从这两个方面进行分析，为解决地热发电存在的问题及提出相应的对策措施提供可靠的数据支撑。

4.2 对策建议

绿色低碳是我国城市可持续发展的必然选择，也是我国能源战略发展的核心取向，地热能虽然在现阶段仍有较多尚未解决的问题，但其作为一种新兴清洁能源可以弥补风能、光能等清洁能源在发电时长方面的不足，完善我国可再生能源体系，推动区域实现协调发展。因此，本研究基于以上结论，提出如下发展建议：

（1）从国家层面推动电源结构转型，尤其是加快低碳转型示范区内的城市电源结构低碳化发展，降低化石能源（煤电）的比例，逐渐提高风电、光伏发电、地热发电等清洁能源比例。

（2）有针对性地推动不同发电方式向更低碳化方向发展。如，风电碳足迹最大的环节是风电站建设，因此规划建设时可以在满足风电站发电需求的基础上，选择较为轻便和绿色环保的建筑材料建设风电站基础设施，降低风电站在地上建筑施工阶段的碳排放；光伏发电系统碳足迹最大的环节是电池组件的生产，故可以通过持续不断优化单/多晶硅电池生产技术，改进工艺流程以降低光电碳排放。

地热发电行业需要充分挖掘区域内资源潜力，依托现有油气井，特别是废弃油气井改造，以降低地热发电碳足迹最大的建设期碳排放；加强地热尾水处理技术改进，考虑将热度不达标的地热尾水通过设备转换为向城市绿色建筑供暖或制冷；借鉴光伏、风电产业发展经验，努力形成规模化经济，降低单位发电成本。