李新航

（北京天潤新能投資有限公司，北京 100029）

1 引言

新能源和可再生能源綠色低碳、環(huán)境友好，是世界各國應(yīng)對能源危機和環(huán)境惡化的重要途徑，代表能源未來的發(fā)展方向。至2019 年年底，我國風(fēng)電電量占到全社會總用電量的5.5%［1］，是繼煤電和水電之后的第三大電源。目前，國家已明確在2030 年前實現(xiàn)碳排放達峰，在2060 年前實現(xiàn)碳中和的總體目標(biāo)。在此進程中，風(fēng)電對于我國社會實現(xiàn)碳達峰、碳中和起著關(guān)鍵性作用。

本文基于全生命周期視角，對風(fēng)電系統(tǒng)的碳排放進行研究。通過構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電全生命周期的碳排放測算模型，以廣西某50 MW 風(fēng)電項目為案例，系統(tǒng)、全面、定量地測算風(fēng)電系統(tǒng)全生命周期中的碳足跡，并進行減排量計算，得出一個典型的風(fēng)電場實現(xiàn)碳中和的時間期限（碳回收期），并分析影響碳排放水平的主要因素與實現(xiàn)減排的主要手段。

2 方法和數(shù)據(jù)

2.1 碳足跡計算方式

碳足跡是在一個生產(chǎn)系統(tǒng)中，基于生命周期評價（LCA）的方法對于主要溫室氣體的排放和吸收的集合，用以衡量人類活動對于環(huán)境的影響，本文利用二氧化碳（CO2）排放當(dāng)量的形式來表征，即某個產(chǎn)品在其從原材料一直到生產(chǎn)（或提供服務(wù)）、使用、維護和處置/再生利用等所有階段的溫室氣體排放［2-4］。本研究基于LCA 方法，對風(fēng)電全生命周期過程直接和間接排放的溫室氣體進行分析與量化，溫室氣體范疇包括CO2、氟利昂（HFCs）和六氟化硫（SF6）等［4-5］。

2.2 系統(tǒng)邊界

風(fēng)電系統(tǒng)邊界是從風(fēng)機各種原材料的獲取與生產(chǎn)直至退役期設(shè)備的回收與處置。系統(tǒng)邊界包含了風(fēng)電場4 個生命階段，即風(fēng)機生產(chǎn)與制造階段、風(fēng)電場建設(shè)施工及設(shè)備運輸階段、運營維護階段、退役階段（從完整生命周期考慮，該階段為預(yù)估階段）［4，6］，見圖1。

圖1 風(fēng)電場全生命周期碳排放核算系統(tǒng)邊界

2.3 研究對象與數(shù)據(jù)來源

核算對象為廣西某50 MW 風(fēng)電場工程，共布置金風(fēng)25 臺2.0 MW 風(fēng)機，總裝機容量50 MW。場址大部分屬中低山地貌，場地內(nèi)地面高程650～1 065 m，相對高差50～350 m，屬于山地丘陵風(fēng)電場。風(fēng)電場服役期為20 年，年利用小時數(shù)為2 160 h。工程永久征地總面積為0.28 km2，臨時征地總面積為0.21 km2。

本研究基于風(fēng)機廠商提供的技術(shù)文件以及現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)對風(fēng)電場生命周期溫室氣體排放進行核算。主要材料碳排放因子來源于IPCC 報告、IPCC 國家溫室氣體排放清單指南、綠色奧運建筑研究課題組、ICE（Inventory of Carbon ＆ Energy）的溫室氣體排放因子數(shù)據(jù)庫（2019）［7］。

2.4 計算方法

2.4.1 風(fēng)電機組及電氣設(shè)備生產(chǎn)與制造

基于風(fēng)機主機廠家實際調(diào)研數(shù)據(jù)，對風(fēng)電機組部件的主要材料構(gòu)成進行分類，見表1。風(fēng)電場設(shè)備構(gòu)件生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳排放量根據(jù)材料的碳排放系數(shù)和材料的消耗量進行計算。風(fēng)電場退役時部分材料進行回收利用，所以在總的碳排放量中需減去生產(chǎn)回收的材料所產(chǎn)生的碳排放量［4，6］。

表1 風(fēng)電場電氣設(shè)備材料構(gòu)成 t

設(shè)備生產(chǎn)制造階段碳排放量為：

式中，E設(shè)備為生產(chǎn)制造階段碳排放量，tCO2e；Qi為第i種材料的消耗量，t；gi為第i 種材料的碳排放系數(shù)。

2.4.2 施工建設(shè)階段

施工建設(shè)階段的溫室氣體排放主要來源于工程建設(shè)材料消耗、施工機械運行的能源消耗等，建筑材料主要是砂石、混凝土和鋼筋。項目建設(shè)期會產(chǎn)生各類設(shè)備的運輸排放，運輸方式為汽運，根據(jù)每種材料的質(zhì)量、運輸距離的乘積加和，進而計算運輸過程中的碳排放量。

風(fēng)電場施工過程中，風(fēng)機與變電設(shè)備占地、道路鋪設(shè)、集電線路和施工臨時占地都會改變原有的土地利用形式，造成地表植被破壞而產(chǎn)生碳匯損失，導(dǎo)致溫室氣體排放量增加［8］。根據(jù)計算，本項目由于風(fēng)電場建設(shè)導(dǎo)致林地、農(nóng)田、草地征占，并在建設(shè)完成后做植被恢復(fù)這一過程中引起的碳排放量為158 tCO2e。

建設(shè)施工階段的溫室氣體排放量為：

式中，E建設(shè)為建設(shè)階段碳排放量，tCO2e；mi為第i 種材料與設(shè)備的質(zhì)量，t；di為運輸?shù)趇 種材料與設(shè)備的距離，km；ei為運輸車輛的排放系數(shù)；MCi為建設(shè)施工階段第i 種建筑材料的消耗量，t；gi為第i 種材料的碳排放系數(shù)；MEi為第i 種能源的消耗量，t；Ei為第i 種能源消耗的排放系數(shù)；ΔSi為施工階段工程用地中第i 種植被原占地的變化面積，m2；fbi為第i 種植被的單位固碳量。

2.4.3 生產(chǎn)運維階段

為維持風(fēng)電場機械設(shè)備的運轉(zhuǎn)及工作人員的日常生活，需要消耗一部分電能，因部分用電來自電網(wǎng)而包含部分火電電量，此部分碳排放量根據(jù)風(fēng)電場下網(wǎng)電量乘以電網(wǎng)的排放因子計算。在日常的運維活動中，檢修過程中涉及運輸排放。此外，此階段的溫室氣體排放還來源于運營期空調(diào)等含有的各類冷媒、CO2滅火器、電氣設(shè)備中SF6的逸散排放。

2.4.4 設(shè)備退役階段

退役階段的溫室氣體排放主要來源于風(fēng)電場內(nèi)設(shè)備與設(shè)施拆除過程中施工機械耗能以及廢棄物運輸過程中運輸耗能產(chǎn)生的影響，退役后部分材料進行填埋或焚燒產(chǎn)生的碳排放量。目前風(fēng)電場的拆除與處置尚未實際發(fā)生，風(fēng)電行業(yè)整體也尚未進入退役周期，因此本階段的測算是基于現(xiàn)有研究進行模糊假設(shè)。即保留風(fēng)電場建設(shè)施工階段所建設(shè)的道路設(shè)施，拆除后的設(shè)備材料將會絕大部分進行資源化處置，玻璃纖維等高分子材料進行填埋或焚燒處置。

設(shè)備退役階段的溫室氣體排放量為：

式中，E處置為拆除處置階段碳排放量，tCO2e；E運輸，E填埋，E焚燒分別為各類材料運輸、填埋以及焚燒部分代表的溫室氣體排放量，tCO2e；金屬以及混凝土的衛(wèi)生填埋不產(chǎn)生溫室氣體排放［9］。

2.4.5 風(fēng)電場生命周期CO2排放量

風(fēng)電場生命周期CO2排放量計算公式如下：

式中，E 為生命周期溫室氣體排放總量，tCO2e；E設(shè)備，E建設(shè)，E運維，E處置分別為設(shè)備生產(chǎn)制造階段、施工建設(shè)階段、運營與維護階段、拆除處置階段的溫室氣體排放量，tCO2e。

某風(fēng)電場各階段溫室氣體排放量見表2。

表2 某風(fēng)電場各階段溫室氣體排放量

3 碳回收期及碳排放不確定性分析

3.1 碳回收期

在運維階段，風(fēng)電場上網(wǎng)電量因為理論上替代了該部分的火電電量，由此產(chǎn)生了碳減排量。根據(jù)風(fēng)電在運營期內(nèi)預(yù)估的上網(wǎng)電量可以計算出生命周期內(nèi)的碳減排量，對比全生命周期的CO2排放量，可以計算出風(fēng)電場的碳排放回收期。本項目在不考慮設(shè)備材料回收的前提下，碳排放回收期不足8 個月，約0.7 年；在考慮設(shè)備材料回收的前提下，碳排放回收期約6 個月，約0.5 年。根據(jù)20 年生命周期內(nèi)預(yù)估的發(fā)電量，生命周期內(nèi)碳減排量可達1.36×106tCO2e。

3.2 碳排放敏感性分析

由于LCA 碳排放核算過程的線性疊加關(guān)系，對比各種類別的排放量，風(fēng)機制造以及建設(shè)階段各種材料的使用與消耗產(chǎn)生的碳排放所占比重最大，其中以鋼材、鑄鐵的碳排放量最大，其相關(guān)參數(shù)的變化對于CO2排放總量影響也最為敏感，其次為混凝土利用產(chǎn)生的排放。

在不考慮材料回收抵扣的碳排放時，鋼鐵消耗產(chǎn)生的碳排放對于總排放量的影響較為顯著，當(dāng)參數(shù)變動10%時，對應(yīng)結(jié)果變動5.98%；當(dāng)考慮材料回收抵扣的碳排放時，混凝土消耗產(chǎn)生的碳排放對于總排放量的影響較為顯著，當(dāng)參數(shù)變動10%時，對應(yīng)結(jié)果變動3.81%。

3.3 局限性

風(fēng)機設(shè)備的處置方式將顯著影響風(fēng)電系統(tǒng)全生命周期的碳排放，該過程涉及LCA 方法中一個傳統(tǒng)問題就是分配問題［4］，即設(shè)備材料的回收處置而引發(fā)的碳排放量的分配。從碳足跡計算的模型來看，提升退役風(fēng)機的材料、設(shè)備回收比例，將顯著降低風(fēng)電系統(tǒng)全生命周期的碳排放。目前本項目尚未退役，風(fēng)電行業(yè)還尚未進入大規(guī)模的退役期，對于風(fēng)機退役的相關(guān)信息與數(shù)據(jù)很少，相關(guān)的研究可進一步深入。

4 分析與討論

通過風(fēng)電系統(tǒng)碳足跡的計算，在其生命周期中碳排放主要來自于原材料獲取的過程。各類材料的碳排放系數(shù)與各類材料的開采、生產(chǎn)、制造環(huán)節(jié)的能耗水平，資源回收比例，可再生能源使用比例等息息相關(guān)［10］。這些行業(yè)通常都是高能耗的行業(yè)，因此降低各類材料的綜合能耗、提升廢料資源化比例并提升可再生能源使用比例，將會顯著降低風(fēng)電系統(tǒng)生命周期內(nèi)CO2排放總量，有助于下游相關(guān)產(chǎn)品實現(xiàn)碳中和。

本研究在計算時采用的各種材料的排放因子，體現(xiàn)的是世界范圍內(nèi)各種材料生產(chǎn)與制造過程中的綜合水平，因此在生命周期中的各個階段采用低能耗、先進工藝生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品，也會有助于降低總體的碳排放水平。

本研究將由于土地利用類型的改變、植被變化導(dǎo)致的碳匯變化也納入了全生命周期碳排放計算過程。在考慮材料回收與不回收兩種情況下，其排放量占總體排放量的0.61%與0.68%，遠遠低于風(fēng)力發(fā)電在運營期產(chǎn)生的碳減排量。但是由于地表植被還具有美化環(huán)境、保持水土、凈化空氣、固碳釋氧等功能，因此在風(fēng)電建設(shè)過程中應(yīng)努力減輕植被的破壞并積極地進行生態(tài)修復(fù)。

本研究在進行生命周期分析時考慮了電氣設(shè)備及其配套設(shè)施的生產(chǎn)及運輸排放以及建設(shè)施工階段主要建筑材料的生產(chǎn)及運輸排放、施工機械能源消耗、植被擾動產(chǎn)生的排放，運維過程中能耗排放、空調(diào)冷媒與SF6的逸散排放，退役設(shè)備處理處置過程產(chǎn)生的排放等，因此本研究對各類排放源識別較全面，風(fēng)電場生命周期碳排放總量相對較高［11-14］。

5 結(jié)論

在風(fēng)電場全生命周期碳排放計算中，風(fēng)機材料生產(chǎn)和建設(shè)階段產(chǎn)生的碳排放所占比例均較大，退役期風(fēng)機設(shè)備各類材料的回收處置對于碳排放量的影響十分顯著。在不考慮材料回收時，風(fēng)機材料生產(chǎn)和施工建設(shè)階段產(chǎn)生的碳排放所占比例分別為63.39%與23.10%；考慮材料回收時，兩者占比分別為18.91%與51.17%。運維過程產(chǎn)生的碳排放占比較小，主要由下網(wǎng)電量產(chǎn)生。

按照本文的碳排放量模型計算，該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在全生命周期中的碳回收期不考慮材料回收與考慮材料回收分別約為0.7 年、0.5 年，也就是說，該系統(tǒng)20 年的生命周期中，只需要很短的時間即可以實現(xiàn)碳中和，相對于傳統(tǒng)的化石能源電站具有很好的低碳效益。

通過計算及綜合分析可見，減少風(fēng)電系統(tǒng)生命周期碳排放的三大有效途徑是：其一，提高原材料生產(chǎn)制造過程中可再生能源消費量占比；其二，提高高耗能行業(yè)能效水平；其三，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，提高廢棄物資源化的水平。