基于全生命周期理论的风力发电环境评估研究

王永利， 蔡成聪， 张丹阳， 刘 振， 李颐雯

(华北电力大学 经济与管理学院，北京 102206)

0 引 言

在第75届联合国大会上,中国提出了在2030年前实现碳排放达到峰值和在2060年前实现碳中和的“双碳目标”。从中国当前的污染物排放和碳排放分布特征来看,电力行业是污染物和碳排放的主要来源行业之一[1]。而可再生能源替代化石能源有助于缓解能源供给紧张与气候变暖的问题[2],在实现经济社会的低碳可持续发展中扮演着重要角色。其中,风能是一种可再生的清洁能源,通过风能发电可以实现节能减排,促进社会可持续发展[3]。从产品的全生命周期来看,在发电环节,风力发电几乎不产生二氧化碳和大气污染物,但仍需要不可再生资源的投入,在此过程中会排放二氧化碳以及其他有害气体[4]。因此,研究风力发电的环境影响与碳减排潜力,对中国风力发电的发展、新能源政策的制定、双碳目标实现等一系列社会生产实践活动具有重要意义。

在国外,大多数学者主要研究风力发电对环境产生的效益和影响[5-9],并与其他形式的可再生能源发电进行比较。Chipindula等[10]对比了海上风电场及陆上风电场全生命周期的碳排放情况。Schreiber[11]评估了不同类型风力发电机组的全生命周期的碳减排潜力。在国内,全生命周期环境评估主要集中在建筑领域与能源领域[12-14]。对风力发电的全生命周期环境评估研究较少,如:杨举华[15]基于混合LCA计算风电场能耗和核算温室气体排放,并与其他典型陆上风电场和其它类型的可再生能源核算结果进行比较。马艺[16]基于LCA进一步量化分析了风电场各阶段的碳排放影响因素及减排效果。向宁等[17]对比研究了海、陆风电系统的排放差异,得到节能减排效果最佳的风电模式。综上所述,现有文献通过LCA着重研究风力发电各环节的能耗、碳排放以及碳减排效益,忽略了风力发电的其他污染排放。同时,在“30·60”双碳目标背景下,有必要对风力发电的碳排放发展趋势进行预测,研究风力发电在电力行业实现碳中和情况下的全生命周期单位发电碳排放强度,助力中国实现低碳、零碳乃至绿色阶段的目标。

因此,本文的贡献在于:第一,引入时间序列,对2011-2020年风力发电全生命周期的环境影响趋势变化进行评估。第二,研究耗材的污染物排放系数、风力发电装机容量对风力发电的环境影响程度。第三,运用情景模拟法预测风电在不同的发展情景下的全生命周期碳排放量,从全生命周期系统化角度更为合理地评价预测未来风力发电的碳排放强度及碳减排潜力。第四,估算出电力行业实现碳中和时风力发电的全生命周期碳排放强度,得到风力发电产业未来发展的最佳情景,为电力企业、政府相关部门等团体制定电能替代政策、设置碳减排指标、开展可再生能源项目等提供参考。

1 研究方法

1.1 全生命周期理论

全生命周期(LCA)指产品从诞生到消亡的整个过程,在此期间产品进行了物质转化,包括从自然界获取资源和能源、开采、冶炼、加工制造、储存、销售、使用消费、报废处置整个过程。本文针对风力发电进行环境评估时,应当考虑全能源链过程,即包括从原材料采集及风机生产加工、风机运输、施工期的风电场建设、风电场运行过程中的风机运行维护和风电场服务期满后风机的拆除与回收利用五个阶段。对能源链进行全生命周期分析,即计算每一过程的物质流和能量流,包括各阶段运行中的直接排放,也包括能源链系统及相应基础设施所消耗的能源和原材料在其开采、加工制造和运输期间产生的间接排放。

1.2 情景模拟分析理论

情景模拟的观点认为对于未来的发展趋势有多种可能,同时解决方案也存在各种可能性。“情景”是描述未来的情形以及事态由初始状态向未来状态发展的一系列事实。情景分析法预测结果带有多维性。它是一种定性与定量分析结合,注重多学科知识的综合运用,注重关键因素和协调一致性关系的分析方法。

通常我们认为情景在碳减排效益评估中扮演着重要角色,通过外部条件设定不同的指标,能够有效探索风力发电发展的潜力,可以系统地探讨在相关碳排放政策或技术发展的情景下,风力发电的碳排放水平以及碳减排效益如何变化。

2 风力发电全生命周期环境评估模型构建

2.1 研究对象与系统边界

2.1.1 研究对象

目前中国风力发电的主流机型为1.5～2.5 MW,为了保证案例的代表性,选取1.5 MW和2 MW的两种风力发电机组进行研究。根据《中国风能太阳能资源年景公报》中的统计数据显示,内蒙古的可开发利用的风能资源占全国可利用风能储量的40%,而且内蒙古中东部地区是全国平均风速大于6.0 m/s的地区之一。从“十三五”期间的发电数据来看,内蒙古不仅是风能发电量最大的地区,还是拥有优胜风电场数量最多的地区。江苏省地处中国东部沿海,拥有丰富的风能资源,是中国风电深入开展的重点战略地区之一。因此,内蒙古与江苏省的风电在全国具有典型性。考虑到数据的可获取性与真实性,本研究选取内蒙古国华通辽风电场和江苏华电灌云风电场进行研究与分析。本文根据《中国电力行业年度发展报告》数据,更新每一年电量对应的各类排放系数,计算2011-2020年风电场全生命周期污染物排放强度与二氧化碳排放强度。具体排放系数见表1与表2。

表1 材料或能源的排放系数

表2 2011-2020年电能的排放系数

2.1.2 系统边界与范围

风力发电全生命周期的边界如图1所示,包括五个阶段:风机制造、风机运输、风电场建设、风机运行维护与输配、风机退役拆除。

图1 风力发电全生命周期系统分析边界Fig. 1 Analysis boundary of wind power life cycle system

2.2 生命周期阶段划分与测算模型

2.2.1 风机制造阶段

风机制造阶段主要是叶片、轮毂、变桨轴承、机舱罩、主机架、齿轮箱、发电机、侧风仪等原材料的采集和生产制造,制造过程排放的污染物有SO2、NOX、颗粒物(TPM)、二氧化碳。

(1)

(2)

2.2.2 风机运输阶段

由于风电机组的特殊性,只能通过大型卡车运输。根据相关文献,单台风机的重量为1 100 t,根据风机形状与重量,每台风电机组需要32台卡车(35 t)运输,燃料为柴油。每台重型卡车油耗是0.6 L/km[18]。根据风电场与供应商厂房的距离为400 km,可以计算得到每台风电机组的柴油消耗量为6 528 kg。根据柴油运输过程中产生的各污染物排放因子,可以进行如下公式的运算。

(3)

2.2.3 风电场建设阶段

从图2中可以看到,风电场建设包含了电力并网到输电网线路的工程,即包含辅助设施、风电机组、升压站、输电线路等多个装置的施工过程。同时,整个施工过程中消耗柴油的机械主要包括推土机、装卸机、运输车辆及吊车等。

图2 2011-2020年的风力发电单位发电量的污染物排放强度Fig. 2 Emission intensity per unit power generation of wind power system from 2011-2020

(4)

2.2.4 风机运行维护与输配阶段

运行维护与输配阶段是风电场的主要生命阶段,包括运营发电的整个时期。而二氧化碳排放来源主要是风电场运营周期内设备材料的更新替换以及运营过程中能源资源的消耗。在输配阶段,污染物与二氧化碳排放极少,忽略不计。

由于风机运行与维护的能耗及环境排放很难计算,通常假设在一台风机的生命周期中,平均15%的零部件需要运维,因此假设在风机的整个生命周期中,其维护阶段的能耗为生产阶段的15%[19]。

(5)

2.2.5 风机退役拆除阶段

本文假定条件是所有的风电设施都将被拆除。其回收环节中能量、排放是生产环节中的10%[18]。

(6)

在回收处理阶段,二氧化碳排放的计算还要考虑资源的回收利用与植被恢复带来的环境效应。考虑到植被类型众多,假设风电场退役后恢复为草地,年单位固碳量为0.5 t/hm2[20]。考虑到当前投产的风机多数使用的是传统的树脂等高分子材料以及混凝土、砂石等建设材料,在项目生命周期结束后的回收利用价值不高,因此采用焚烧的处理方式。钢、铁、铜等金属材料在项目生命周期结束后的回收利用率则较高,理论上这些材料的回收利用率可以达到90%及以上[21]。而风力发电的生命周期通常在20年及以上,考虑到较长的项目生命周期内的腐蚀及损耗,钢、铸铁、铝和铜的回收处理方式及比例具体如表3所示[21]。

表3 风力发电回收处理阶段资源处理方式

3 结果分析与讨论

本研究以风电工程设计使用年限20年为生命周期,计算其污染物与二氧化碳的排放总量。以全生命周期有效发电量计算1.5 MW和2 MW风机的权重,通过权重求得风电全生命周期平均污染排放强度与平均二氧化碳排放强度。其中,1.5 MW风电的全生命周期各阶段排放强度取塔架为80 m和65 m的风机算数平均值。

3.1 全生命周期空气污染物排放强度分析

3.1.1 单位发电量污染物排放潜力分析

从图2来看,SO2与NOX的排放强度分别从2011年的0.140 1 g/kW·h、0.153 2 g/kW·h降低到2020年的0.024 1 g/kW·h、0.026 4 g/kW·h,降幅逐年缩小。颗粒物(TMP)的排放强度呈现逐年下降趋势。风力发电全生命周期的TMP排放水平从2011年的0.041 2 g/kW·h降低到2020年的0.021 8 g/kW·h。2015年后,在能源技术的推动下,SO2与NOX的排放强度大幅度下降。这可能因为2015年中国风力发电装机量增幅较大,有效替代了部分火电供应,使得风力发电全生命周期的单位耗电量对应的排污系数降低。

3.1.2 贡献度分析

从图3中可以看出,目前风机制造阶段的污染物排放水平所占比例最大。该阶段的SO2、NOX、TMP的排放量分别为910.37 kg、852.04 kg和1 277.02 kg。该阶段的污染物排放总量在全生命周期排放中平均占比为51%。这可能是由于在叶片、轮毂、机舱罩、主机架、发电机、侧风仪等风机设备的生产过程中消耗了大量高排放强度的资源,如铜、钢、铝等金属以及电能。其中在全生命周期总排放中,SO2占比42%,NOX占比38%,TMP占比71%。各阶段排污水平对比为:风机制造阶段>风机运行维护与输配阶段>风电场建设阶段>风机拆除阶段>风机运输阶段。由此可见,风机的制造阶段是当前风电产业减排的重中之重。

图3 2020年风力发电单位发电量各阶段污染物排放强度Fig. 3 Pollutant emission intensity of each stage of wind power generation unit power generation in 2020

3.2 全生命周期二氧化碳排放强度分析

3.2.1 不同阶段碳排放潜力分析

从图4来看,2020年风电的全生命周期碳排放强度为16.14 g/kW·h,较2011年下降了1.20%。10年间的碳排放水平下降幅度极小。但风电场仍然存在一定的碳减排空间。

图4 2011-2020年的风电项目单位发电量碳排放强度Fig. 4 Carbon emission intensity per unit power generation of wind power projects from 2011 to 2020

由图5可知各阶段碳排放强度对比为:风机制造阶段>风电场建设阶段>风机运行维护与输配阶段>风机运输阶段>风机拆除阶段。风电场制造阶段的碳排放强度最大。在该阶段,钢铁的碳排放量最高,占比达到56.58%。由于在风机制造过程中,高塔筒技术的进步使得在发电效率提升、运输成本降低的同时需要消耗更多的钢铁量,从而造成的较高的碳排放水平。此外,制造过程中所采用的电力来源也会对碳排放产生影响。在建设阶段,碳排放量主要来源于铝的消耗,占比超过70%。该环节的碳排放强度为3.15 g/kW·h。风机退役拆除阶段虽然也消耗能源,产生碳排放。但由于拆除后存在可回收资源与可恢复植被,可以减少二氧化碳的排放。因此,该阶段的碳排放强度为-5.55 g/kW·h。其中拆除风机消耗的能源碳排放量在风力发电的全生命周期碳排放总量中占据8%的比重,碳排放强度为1.59 g/kW·h。

图5 2020年风力发电单位发电量各阶段碳排放强度Fig. 5 Carbon emission intensity of each stage of wind power generation unit power generation in 2020

3.2.2 社会减排潜力分析

根据《中国电力行业年度发展报告2021》统计数据,中国2020年单位火力发电的CO2排放强度约为832 g/kW·h。与火力发电对比,风力发电每kW·h能减少CO2排放815.86 g。如果二者发电量均为9.2×106kW·h,则风力发电比火力发电能减少CO2排放7 505.912 t。因此,以风电清洁能源代替火电的方式对于“碳中和”的贡献空间和潜力十分巨大。

与水电、核电、火电、太阳能光伏发电和生物质发电的碳排放强度对比,水力发电的碳排放强度最小(3.52 g/kW·h)[22],核电次之(11.9 g/kW·h)[23],风力发电的碳排放强度(16.14 g/kW·h)略高于二者。而火电(832 g/kW·h)、太阳能光伏发电(50 g/kW·h)和生物质发电(200 g/kW·h)[7]均高于风力发电。因此,风力发电仍存在一定的碳减排潜力,以实现产业链零碳排放转型。

3.3 敏感性分析

3.3.1 参数变化对污染物与二氧化碳排放的影响

(7)

式中:k表示耗材(耗能)的种类;Sjk代表了某污染物Ej对某材料污染物系数xk的敏感程度。由公式(7)可知,参数的污染物敏感因子Sjk为某类污染物Ej对某耗材污染物系数xk的偏导数∂Ej/∂xk、污染物系数xk和Ej的函数。由于电源全生命周期存在多种污染物,且有多种耗材,其污染物系数敏感因子可表示为

(8)

在风力发电的全生命周期内,所需要的耗材主要为电能、铝、不锈钢、铜和柴油等。这些耗材产生的污染物主要有CO2、SO2、NOX和TMP,分别对这些污染物的敏感因子进行计算(以2020年数据为基础),结果如表4所示。

表4 风电场能耗敏感因子

根据计算结果,对风力发电全生命周期CO2排污系数影响最大的为电能,敏感因子为0.337 8;对SO2排污系数影响最大的为铝,敏感因子为0.338 2;对NOX排污系数影响最大的为电能,敏感因子为0.215 4;对TMP排污系数影响最大的为电能,敏感因子为0.203 6。因此,未来对风力发电全生命周期排污系数产生较大影响是电能和铝的发展水平,对碳排放系数产生较大影响是电能、铝和铁的发展水平,其次是柴油的发展水平。

3.3.2 风电装机容量对污染物与CO2排放的影响

这些诗歌所集黄庭坚的三句诗分别出自《答龙门秀才见寄》《黄几复自海上寄惠金液三十两，且曰“唯有德之士宜享，将以排荡阴邪、守卫真火，幸不以凡物畜之”，戏答》和《鄂州南楼书事》。

以2020年的基础数据为例,图6、7显示了不同单机容量、相同运行条件下风机的全生命周期污染物与二氧化碳排放变化。除每台单机容量外,其他影响因素保持不变。在风机台数不变时,单机容量增大,将会增加运维阶段和退役回收阶段的环境排放,而制造、施工和运输阶段的排放保持不变。但是单机容量的增加也增大了扫风面积,从而利用了更多的风能,增加了发电量。增加的发电量所带来的减排效果远远大于其运维阶段和退役回收阶段增加的环境排放。因此,通过单机容量的提升增大风电的装机容量,有助于减少单位发电量的污染物排放与二氧化碳排放,从而缓解环境污染。

图6 装机容量变化与污染物排放的比较Fig. 6 Comparison between installed capacity change and pollutant emission

图7 装机容量变化与二氧化碳排放的比较Fig. 7 Comparison between installed capacity change and carbon dioxide emission

3.4 情景模拟分析

风力发电作为实现碳中和最有潜力的电源之一,其单位发电碳排放强度远远高于其单位发电污染物排放强度。为了进一步落实碳中和目标,本文采用情景分析法对风力发电的发展情景进行全生命周期的碳排放预测,分析不同发展情景中的多时间尺度的减碳潜力。

3.4.1 情景构建

从风力发电的测算结果可以发现,影响风力发电减排潜力的主要阶段分别是风机制造阶段、风机退役拆除阶段、风机运维阶段。结合敏感性分析,可以发现在风机制造中可以通过使用负碳材料从而适当减少二氧化碳的排放。负碳材料是一种将二氧化碳与生物质结合碳化成生物碳的一种新型的可再生材料。目前,德国Carbonauten公司已经研制出能够减少碳排放的负碳材料NET Materials。在风机退役中,提高废弃金属等资源的回收利用水平,进一步抵消二氧化碳的排放。在风机运维中可以通过技术创新提高材料的耐用性,减少运维次数,提升面对故障反应力和管理运行能力,间接提高其发电效率,增加节能减排效益。因此,本文通过调整负碳材料使用占比、金属回收利用率、运维能耗占比三类参数,设置不同发展情景,预测并分析多个不同情景下的该风力发电碳排放情况及对应的碳减排潜力。

在中共中央、国务院印发的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中,提出要制定科技支撑碳达峰、碳中和行动方案,并开展低碳零碳负碳和储能新材料、新技术、新装备攻关。因此,预计在未来的风机制造中将会逐步应用负碳材料。考虑到风机的特性与适用环境,无法在短时间内将风机的原材料全部替换成负碳材料,本文将“负碳材料使用占比”设置为高(50%)、中(25%)、低(5%)三个等级。根据国家发展改革委印发的《“十四五”循环经济发展规划》,未来中国废有色金属再生资源回收利用水平还将进一步大幅提升。基于当前的技术水平与政策,本文将“再利用水平”设置为积极(90%)、普通(75%)、不积极(50%)三类等级。考虑含有负碳材料的风机以及生物能源与碳捕获和储存(BECCS)技术的应用,本文假设可能抵消部分在运行维护与输配阶段的能耗,即将“运维比例”设置为高(0.15)、中(0.12)、低(0.80)三类等级。在其他因素,如寿命、弃风率等条件不变时,依次考虑单一技术进步、双技术进步、三种技术同时进步,可依次设置7个不同的风电发展情景。

3.4.2 碳减排发展分析

情景7为理想发展情景,在该情景下风电场的负碳材料使用占比、金属回收利用率与运维比例发展趋势积极。而情景3为消极发展情景,该消极发展模式下风电场站未使用负碳材料技术,金属回收利用率较低,仅发展运维技术。结合LCA数据清单及风力发电各阶段CO2排放测算模型,可以得到不同发展情景下的CO2排放强度如表5所示。

表5 二氧化碳排放强度

图8 碳减排潜力时间节点累计量Fig. 8 Cumulative amount of time nodes with carbon emission reduction potential

3.4.3 碳中和分析

虽然自然碳汇是碳减排措施中最经济且影响最小的手段,但其存在很大的不确定性与不稳定性。一方面,大自然可能会达到二氧化碳的吸收饱和状态;另一方面,当生态开始退化、干枯时,可能会释放出大量的二氧化碳。而碳捕获及储存技术可以储存CO2的时间更久、更稳定,进一步发展成了碳捕集、利用与封存技术(CCUS),在减排效果上更具优势。国外发达国家开展CCUS较早且应用较为成熟,碳捕集能力可以达到百万t级别以上[24]。目前中国的CCUS主要应用于工业领域,以10万t级捕集规模为主。根据国际能源署(IEA)数据,中国在2050年的CCUS减排贡献为6～14.5亿t。假设捕碳量按照当前碳排放比例分配给中国主要行业(按国家统计年鉴中的行业分类),则在2050年电力行业可以有2.58～6.24亿t碳减排潜力。

有不少学者预计在2050年时,电力行业将完全为非化石能源发电,以实现电力行业“碳中和”,同时给其他行业实现“碳中和”留出充足的时间。本文以《中国“十四五”电力发展规划研究》中2050年中国电源发电量预期值14.3万亿kW·h,其中,风电占比30.5%,太阳能发电占比32.6%,核电占比8.6%,水电占比15.7%,煤电占比5.7%,气电占比3.4%,生物质发电占比3.5%为计算依据。经计算,此时电力行业要想实现“碳中和”风电全生命周期碳排放强度需要在3.24 g/kW·h以下。因此,从碳排放角度考虑,只有情景7能满足要求,即同时调整负碳材料使用占比、金属回收利用率与运维比例。

4 结 论

(1)风力发电的单位发电量污染物排放强度与碳排放强度逐年降低。2020年,基于LCA测算的风力发电中SO2、NOX、TMP、CO2排放强度理论值分别为0.024 1 g/kW·h、0.026 4 g/kW·h、0.021 8 g/kW·h、16.14 g/kW·h。

(2)风力发电各阶段排污强度对比为:风机制造阶段>风机运行维护与输配阶段>风电场建设阶段>风机拆除阶段>风机运输阶段。各阶段碳排放强度对比为:风机制造阶段>风电场建设阶段>风机运行维护与输配阶段>风机运输阶段>风机拆除阶段。

(3)通过敏感性分析发现电能和铝的发展水平对风电全生命周期排污系数与碳排放系数均产生较大影响。此外增加风力发电的装机容量,也可减少污染物与二氧化碳的排放。

(4)利用情景模拟分析法预测风力发电全生命周期的碳排放强度,发现不同发展情景下的风力发电全生命周期碳减排潜力均存在不同差异。其中,负碳材料使用占比与金属回收利用率对风力发电全生命周期CO2排放量影响较大。风力发电的全生命周期碳排放强度需要降低至3.24 g/kW·h以下,才能助力电力行业实现碳中和。

上述研究充分表明,未来风力发电的建设需要从风机制造与风机退役两个阶段提高减排效益。一方面,可以改变风机组件材料及其生产方式,并逐步应用负碳材料,进一步降低风电场所用材料的CO2排放系数;另一方面,可以采用合理的处置方式或相关技术创新以提高技术材料的回收率,从而降低风力发电生命周期内CO2排放强度,促使风力发电成为更加清洁的能源。随着负碳技术、碳吸收技术、金属回收利用方式等技术的突破与提升,从技术与成本两个角度继续深入分析负碳技术、碳吸收技术、金属回收利用方式等技术在风力发电中的可实施性将是我们今后研究的重点。