王永利， 蔡成聰， 張丹陽， 劉 振， 李頤雯

(華北電力大學 經(jīng)濟與管理學院，北京 102206)

0 引 言

在第75屆聯(lián)合國大會上,中國提出了在2030年前實現(xiàn)碳排放達到峰值和在2060年前實現(xiàn)碳中和的“雙碳目標”。從中國當前的污染物排放和碳排放分布特征來看,電力行業(yè)是污染物和碳排放的主要來源行業(yè)之一[1]。而可再生能源替代化石能源有助于緩解能源供給緊張與氣候變暖的問題[2],在實現(xiàn)經(jīng)濟社會的低碳可持續(xù)發(fā)展中扮演著重要角色。其中,風能是一種可再生的清潔能源,通過風能發(fā)電可以實現(xiàn)節(jié)能減排,促進社會可持續(xù)發(fā)展[3]。從產(chǎn)品的全生命周期來看,在發(fā)電環(huán)節(jié),風力發(fā)電幾乎不產(chǎn)生二氧化碳和大氣污染物,但仍需要不可再生資源的投入,在此過程中會排放二氧化碳以及其他有害氣體[4]。因此,研究風力發(fā)電的環(huán)境影響與碳減排潛力,對中國風力發(fā)電的發(fā)展、新能源政策的制定、雙碳目標實現(xiàn)等一系列社會生產(chǎn)實踐活動具有重要意義。

在國外,大多數(shù)學者主要研究風力發(fā)電對環(huán)境產(chǎn)生的效益和影響[5-9],并與其他形式的可再生能源發(fā)電進行比較。Chipindula等[10]對比了海上風電場及陸上風電場全生命周期的碳排放情況。Schreiber[11]評估了不同類型風力發(fā)電機組的全生命周期的碳減排潛力。在國內(nèi),全生命周期環(huán)境評估主要集中在建筑領(lǐng)域與能源領(lǐng)域[12-14]。對風力發(fā)電的全生命周期環(huán)境評估研究較少,如:楊舉華[15]基于混合LCA計算風電場能耗和核算溫室氣體排放,并與其他典型陸上風電場和其它類型的可再生能源核算結(jié)果進行比較。馬藝[16]基于LCA進一步量化分析了風電場各階段的碳排放影響因素及減排效果。向?qū)幍萚17]對比研究了海、陸風電系統(tǒng)的排放差異,得到節(jié)能減排效果最佳的風電模式。綜上所述,現(xiàn)有文獻通過LCA著重研究風力發(fā)電各環(huán)節(jié)的能耗、碳排放以及碳減排效益,忽略了風力發(fā)電的其他污染排放。同時,在“30·60”雙碳目標背景下,有必要對風力發(fā)電的碳排放發(fā)展趨勢進行預測,研究風力發(fā)電在電力行業(yè)實現(xiàn)碳中和情況下的全生命周期單位發(fā)電碳排放強度,助力中國實現(xiàn)低碳、零碳乃至綠色階段的目標。

因此,本文的貢獻在于:第一,引入時間序列,對2011-2020年風力發(fā)電全生命周期的環(huán)境影響趨勢變化進行評估。第二,研究耗材的污染物排放系數(shù)、風力發(fā)電裝機容量對風力發(fā)電的環(huán)境影響程度。第三,運用情景模擬法預測風電在不同的發(fā)展情景下的全生命周期碳排放量,從全生命周期系統(tǒng)化角度更為合理地評價預測未來風力發(fā)電的碳排放強度及碳減排潛力。第四,估算出電力行業(yè)實現(xiàn)碳中和時風力發(fā)電的全生命周期碳排放強度,得到風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的最佳情景,為電力企業(yè)、政府相關(guān)部門等團體制定電能替代政策、設(shè)置碳減排指標、開展可再生能源項目等提供參考。

1 研究方法

1.1 全生命周期理論

全生命周期(LCA)指產(chǎn)品從誕生到消亡的整個過程,在此期間產(chǎn)品進行了物質(zhì)轉(zhuǎn)化,包括從自然界獲取資源和能源、開采、冶煉、加工制造、儲存、銷售、使用消費、報廢處置整個過程。本文針對風力發(fā)電進行環(huán)境評估時,應當考慮全能源鏈過程,即包括從原材料采集及風機生產(chǎn)加工、風機運輸、施工期的風電場建設(shè)、風電場運行過程中的風機運行維護和風電場服務期滿后風機的拆除與回收利用五個階段。對能源鏈進行全生命周期分析,即計算每一過程的物質(zhì)流和能量流,包括各階段運行中的直接排放,也包括能源鏈系統(tǒng)及相應基礎(chǔ)設(shè)施所消耗的能源和原材料在其開采、加工制造和運輸期間產(chǎn)生的間接排放。

1.2 情景模擬分析理論

情景模擬的觀點認為對于未來的發(fā)展趨勢有多種可能,同時解決方案也存在各種可能性。“情景”是描述未來的情形以及事態(tài)由初始狀態(tài)向未來狀態(tài)發(fā)展的一系列事實。情景分析法預測結(jié)果帶有多維性。它是一種定性與定量分析結(jié)合,注重多學科知識的綜合運用,注重關(guān)鍵因素和協(xié)調(diào)一致性關(guān)系的分析方法。

通常我們認為情景在碳減排效益評估中扮演著重要角色,通過外部條件設(shè)定不同的指標,能夠有效探索風力發(fā)電發(fā)展的潛力,可以系統(tǒng)地探討在相關(guān)碳排放政策或技術(shù)發(fā)展的情景下,風力發(fā)電的碳排放水平以及碳減排效益如何變化。

2 風力發(fā)電全生命周期環(huán)境評估模型構(gòu)建

2.1 研究對象與系統(tǒng)邊界

2.1.1 研究對象

目前中國風力發(fā)電的主流機型為1.5～2.5 MW,為了保證案例的代表性,選取1.5 MW和2 MW的兩種風力發(fā)電機組進行研究。根據(jù)《中國風能太陽能資源年景公報》中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,內(nèi)蒙古的可開發(fā)利用的風能資源占全國可利用風能儲量的40%,而且內(nèi)蒙古中東部地區(qū)是全國平均風速大于6.0 m/s的地區(qū)之一。從“十三五”期間的發(fā)電數(shù)據(jù)來看,內(nèi)蒙古不僅是風能發(fā)電量最大的地區(qū),還是擁有優(yōu)勝風電場數(shù)量最多的地區(qū)。江蘇省地處中國東部沿海,擁有豐富的風能資源,是中國風電深入開展的重點戰(zhàn)略地區(qū)之一。因此,內(nèi)蒙古與江蘇省的風電在全國具有典型性?？紤]到數(shù)據(jù)的可獲取性與真實性,本研究選取內(nèi)蒙古國華通遼風電場和江蘇華電灌云風電場進行研究與分析。本文根據(jù)《中國電力行業(yè)年度發(fā)展報告》數(shù)據(jù),更新每一年電量對應的各類排放系數(shù),計算2011-2020年風電場全生命周期污染物排放強度與二氧化碳排放強度。具體排放系數(shù)見表1與表2。

表1 材料或能源的排放系數(shù)

表2 2011-2020年電能的排放系數(shù)

2.1.2 系統(tǒng)邊界與范圍

風力發(fā)電全生命周期的邊界如圖1所示,包括五個階段:風機制造、風機運輸、風電場建設(shè)、風機運行維護與輸配、風機退役拆除。

圖1 風力發(fā)電全生命周期系統(tǒng)分析邊界Fig. 1 Analysis boundary of wind power life cycle system

2.2 生命周期階段劃分與測算模型

2.2.1 風機制造階段

風機制造階段主要是葉片、輪轂、變槳軸承、機艙罩、主機架、齒輪箱、發(fā)電機、側(cè)風儀等原材料的采集和生產(chǎn)制造,制造過程排放的污染物有SO2、NOX、顆粒物(TPM)、二氧化碳。

(1)

(2)

2.2.2 風機運輸階段

由于風電機組的特殊性,只能通過大型卡車運輸。根據(jù)相關(guān)文獻,單臺風機的重量為1 100 t,根據(jù)風機形狀與重量,每臺風電機組需要32臺卡車(35 t)運輸,燃料為柴油。每臺重型卡車油耗是0.6 L/km[18]。根據(jù)風電場與供應商廠房的距離為400 km,可以計算得到每臺風電機組的柴油消耗量為6 528 kg。根據(jù)柴油運輸過程中產(chǎn)生的各污染物排放因子,可以進行如下公式的運算。

(3)

2.2.3 風電場建設(shè)階段

從圖2中可以看到,風電場建設(shè)包含了電力并網(wǎng)到輸電網(wǎng)線路的工程,即包含輔助設(shè)施、風電機組、升壓站、輸電線路等多個裝置的施工過程。同時,整個施工過程中消耗柴油的機械主要包括推土機、裝卸機、運輸車輛及吊車等。

圖2 2011-2020年的風力發(fā)電單位發(fā)電量的污染物排放強度Fig. 2 Emission intensity per unit power generation of wind power system from 2011-2020

(4)

2.2.4 風機運行維護與輸配階段

運行維護與輸配階段是風電場的主要生命階段,包括運營發(fā)電的整個時期。而二氧化碳排放來源主要是風電場運營周期內(nèi)設(shè)備材料的更新替換以及運營過程中能源資源的消耗。在輸配階段,污染物與二氧化碳排放極少,忽略不計。

由于風機運行與維護的能耗及環(huán)境排放很難計算,通常假設(shè)在一臺風機的生命周期中,平均15%的零部件需要運維,因此假設(shè)在風機的整個生命周期中,其維護階段的能耗為生產(chǎn)階段的15%[19]。

(5)

2.2.5 風機退役拆除階段

本文假定條件是所有的風電設(shè)施都將被拆除。其回收環(huán)節(jié)中能量、排放是生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的10%[18]。

(6)

在回收處理階段,二氧化碳排放的計算還要考慮資源的回收利用與植被恢復帶來的環(huán)境效應。考慮到植被類型眾多,假設(shè)風電場退役后恢復為草地,年單位固碳量為0.5 t/hm2[20]。考慮到當前投產(chǎn)的風機多數(shù)使用的是傳統(tǒng)的樹脂等高分子材料以及混凝土、砂石等建設(shè)材料,在項目生命周期結(jié)束后的回收利用價值不高,因此采用焚燒的處理方式。鋼、鐵、銅等金屬材料在項目生命周期結(jié)束后的回收利用率則較高,理論上這些材料的回收利用率可以達到90%及以上[21]。而風力發(fā)電的生命周期通常在20年及以上,考慮到較長的項目生命周期內(nèi)的腐蝕及損耗,鋼、鑄鐵、鋁和銅的回收處理方式及比例具體如表3所示[21]。

表3 風力發(fā)電回收處理階段資源處理方式

3 結(jié)果分析與討論

本研究以風電工程設(shè)計使用年限20年為生命周期,計算其污染物與二氧化碳的排放總量。以全生命周期有效發(fā)電量計算1.5 MW和2 MW風機的權(quán)重,通過權(quán)重求得風電全生命周期平均污染排放強度與平均二氧化碳排放強度。其中,1.5 MW風電的全生命周期各階段排放強度取塔架為80 m和65 m的風機算數(shù)平均值。

3.1 全生命周期空氣污染物排放強度分析

3.1.1 單位發(fā)電量污染物排放潛力分析

從圖2來看,SO2與NOX的排放強度分別從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,降幅逐年縮小。顆粒物(TMP)的排放強度呈現(xiàn)逐年下降趨勢。風力發(fā)電全生命周期的TMP排放水平從2011年的0.041 2 g/kW·h降低到2020年的0.021 8 g/kW·h。2015年后,在能源技術(shù)的推動下,SO2與NOX的排放強度大幅度下降。這可能因為2015年中國風力發(fā)電裝機量增幅較大,有效替代了部分火電供應,使得風力發(fā)電全生命周期的單位耗電量對應的排污系數(shù)降低。

3.1.2 貢獻度分析

從圖3中可以看出,目前風機制造階段的污染物排放水平所占比例最大。該階段的SO2、NOX、TMP的排放量分別為910.37 kg、852.04 kg和1 277.02 kg。該階段的污染物排放總量在全生命周期排放中平均占比為51%。這可能是由于在葉片、輪轂、機艙罩、主機架、發(fā)電機、側(cè)風儀等風機設(shè)備的生產(chǎn)過程中消耗了大量高排放強度的資源,如銅、鋼、鋁等金屬以及電能。其中在全生命周期總排放中,SO2占比42%,NOX占比38%,TMP占比71%。各階段排污水平對比為:風機制造階段>風機運行維護與輸配階段>風電場建設(shè)階段>風機拆除階段>風機運輸階段。由此可見,風機的制造階段是當前風電產(chǎn)業(yè)減排的重中之重。

圖3 2020年風力發(fā)電單位發(fā)電量各階段污染物排放強度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強度分析

3.2.1 不同階段碳排放潛力分析

從圖4來看,2020年風電的全生命周期碳排放強度為16.14 g/kW·h,較2011年下降了1.20%。10年間的碳排放水平下降幅度極小。但風電場仍然存在一定的碳減排空間。

圖4 2011-2020年的風電項目單位發(fā)電量碳排放強度Fig. 4 Carbon emission intensity per unit power generation of wind power projects from 2011 to 2020

由圖5可知各階段碳排放強度對比為:風機制造階段>風電場建設(shè)階段>風機運行維護與輸配階段>風機運輸階段>風機拆除階段。風電場制造階段的碳排放強度最大。在該階段,鋼鐵的碳排放量最高,占比達到56.58%。由于在風機制造過程中,高塔筒技術(shù)的進步使得在發(fā)電效率提升、運輸成本降低的同時需要消耗更多的鋼鐵量,從而造成的較高的碳排放水平。此外,制造過程中所采用的電力來源也會對碳排放產(chǎn)生影響。在建設(shè)階段,碳排放量主要來源于鋁的消耗,占比超過70%。該環(huán)節(jié)的碳排放強度為3.15 g/kW·h。風機退役拆除階段雖然也消耗能源,產(chǎn)生碳排放。但由于拆除后存在可回收資源與可恢復植被,可以減少二氧化碳的排放。因此,該階段的碳排放強度為-5.55 g/kW·h。其中拆除風機消耗的能源碳排放量在風力發(fā)電的全生命周期碳排放總量中占據(jù)8%的比重,碳排放強度為1.59 g/kW·h。

圖5 2020年風力發(fā)電單位發(fā)電量各階段碳排放強度Fig. 5 Carbon emission intensity of each stage of wind power generation unit power generation in 2020

3.2.2 社會減排潛力分析

根據(jù)《中國電力行業(yè)年度發(fā)展報告2021》統(tǒng)計數(shù)據(jù),中國2020年單位火力發(fā)電的CO2排放強度約為832 g/kW·h。與火力發(fā)電對比,風力發(fā)電每kW·h能減少CO2排放815.86 g。如果二者發(fā)電量均為9.2×106kW·h,則風力發(fā)電比火力發(fā)電能減少CO2排放7 505.912 t。因此,以風電清潔能源代替火電的方式對于“碳中和”的貢獻空間和潛力十分巨大。

與水電、核電、火電、太陽能光伏發(fā)電和生物質(zhì)發(fā)電的碳排放強度對比,水力發(fā)電的碳排放強度最小(3.52 g/kW·h)[22],核電次之(11.9 g/kW·h)[23],風力發(fā)電的碳排放強度(16.14 g/kW·h)略高于二者。而火電(832 g/kW·h)、太陽能光伏發(fā)電(50 g/kW·h)和生物質(zhì)發(fā)電(200 g/kW·h)[7]均高于風力發(fā)電。因此,風力發(fā)電仍存在一定的碳減排潛力,以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈零碳排放轉(zhuǎn)型。

3.3 敏感性分析

3.3.1 參數(shù)變化對污染物與二氧化碳排放的影響

(7)

式中:k表示耗材(耗能)的種類;Sjk代表了某污染物Ej對某材料污染物系數(shù)xk的敏感程度。由公式(7)可知,參數(shù)的污染物敏感因子Sjk為某類污染物Ej對某耗材污染物系數(shù)xk的偏導數(shù)?Ej/?xk、污染物系數(shù)xk和Ej的函數(shù)。由于電源全生命周期存在多種污染物,且有多種耗材,其污染物系數(shù)敏感因子可表示為

(8)

在風力發(fā)電的全生命周期內(nèi),所需要的耗材主要為電能、鋁、不銹鋼、銅和柴油等。這些耗材產(chǎn)生的污染物主要有CO2、SO2、NOX和TMP,分別對這些污染物的敏感因子進行計算(以2020年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)),結(jié)果如表4所示。

表4 風電場能耗敏感因子

根據(jù)計算結(jié)果,對風力發(fā)電全生命周期CO2排污系數(shù)影響最大的為電能,敏感因子為0.337 8;對SO2排污系數(shù)影響最大的為鋁,敏感因子為0.338 2;對NOX排污系數(shù)影響最大的為電能,敏感因子為0.215 4;對TMP排污系數(shù)影響最大的為電能,敏感因子為0.203 6。因此,未來對風力發(fā)電全生命周期排污系數(shù)產(chǎn)生較大影響是電能和鋁的發(fā)展水平,對碳排放系數(shù)產(chǎn)生較大影響是電能、鋁和鐵的發(fā)展水平,其次是柴油的發(fā)展水平。

3.3.2 風電裝機容量對污染物與CO2排放的影響

這些詩歌所集黃庭堅的三句詩分別出自《答龍門秀才見寄》《黃幾復自海上寄惠金液三十兩，且曰“唯有德之士宜享，將以排蕩陰邪、守衛(wèi)真火，幸不以凡物畜之”，戲答》和《鄂州南樓書事》。

以2020年的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為例,圖6、7顯示了不同單機容量、相同運行條件下風機的全生命周期污染物與二氧化碳排放變化。除每臺單機容量外,其他影響因素保持不變。在風機臺數(shù)不變時,單機容量增大,將會增加運維階段和退役回收階段的環(huán)境排放,而制造、施工和運輸階段的排放保持不變。但是單機容量的增加也增大了掃風面積,從而利用了更多的風能,增加了發(fā)電量。增加的發(fā)電量所帶來的減排效果遠遠大于其運維階段和退役回收階段增加的環(huán)境排放。因此,通過單機容量的提升增大風電的裝機容量,有助于減少單位發(fā)電量的污染物排放與二氧化碳排放,從而緩解環(huán)境污染。

圖6 裝機容量變化與污染物排放的比較Fig. 6 Comparison between installed capacity change and pollutant emission

圖7 裝機容量變化與二氧化碳排放的比較Fig. 7 Comparison between installed capacity change and carbon dioxide emission

3.4 情景模擬分析

風力發(fā)電作為實現(xiàn)碳中和最有潛力的電源之一,其單位發(fā)電碳排放強度遠遠高于其單位發(fā)電污染物排放強度。為了進一步落實碳中和目標,本文采用情景分析法對風力發(fā)電的發(fā)展情景進行全生命周期的碳排放預測,分析不同發(fā)展情景中的多時間尺度的減碳潛力。

3.4.1 情景構(gòu)建

從風力發(fā)電的測算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),影響風力發(fā)電減排潛力的主要階段分別是風機制造階段、風機退役拆除階段、風機運維階段。結(jié)合敏感性分析,可以發(fā)現(xiàn)在風機制造中可以通過使用負碳材料從而適當減少二氧化碳的排放。負碳材料是一種將二氧化碳與生物質(zhì)結(jié)合碳化成生物碳的一種新型的可再生材料。目前,德國Carbonauten公司已經(jīng)研制出能夠減少碳排放的負碳材料NET Materials。在風機退役中,提高廢棄金屬等資源的回收利用水平,進一步抵消二氧化碳的排放。在風機運維中可以通過技術(shù)創(chuàng)新提高材料的耐用性,減少運維次數(shù),提升面對故障反應力和管理運行能力,間接提高其發(fā)電效率,增加節(jié)能減排效益。因此,本文通過調(diào)整負碳材料使用占比、金屬回收利用率、運維能耗占比三類參數(shù),設(shè)置不同發(fā)展情景,預測并分析多個不同情景下的該風力發(fā)電碳排放情況及對應的碳減排潛力。

在中共中央、國務院印發(fā)的《關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》中,提出要制定科技支撐碳達峰、碳中和行動方案,并開展低碳零碳負碳和儲能新材料、新技術(shù)、新裝備攻關(guān)。因此,預計在未來的風機制造中將會逐步應用負碳材料?？紤]到風機的特性與適用環(huán)境,無法在短時間內(nèi)將風機的原材料全部替換成負碳材料,本文將“負碳材料使用占比”設(shè)置為高(50%)、中(25%)、低(5%)三個等級。根據(jù)國家發(fā)展改革委印發(fā)的《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》,未來中國廢有色金屬再生資源回收利用水平還將進一步大幅提升?；诋斍暗募夹g(shù)水平與政策,本文將“再利用水平”設(shè)置為積極(90%)、普通(75%)、不積極(50%)三類等級?？紤]含有負碳材料的風機以及生物能源與碳捕獲和儲存(BECCS)技術(shù)的應用,本文假設(shè)可能抵消部分在運行維護與輸配階段的能耗,即將“運維比例”設(shè)置為高(0.15)、中(0.12)、低(0.80)三類等級。在其他因素,如壽命、棄風率等條件不變時,依次考慮單一技術(shù)進步、雙技術(shù)進步、三種技術(shù)同時進步,可依次設(shè)置7個不同的風電發(fā)展情景。

3.4.2 碳減排發(fā)展分析

情景7為理想發(fā)展情景,在該情景下風電場的負碳材料使用占比、金屬回收利用率與運維比例發(fā)展趨勢積極。而情景3為消極發(fā)展情景,該消極發(fā)展模式下風電場站未使用負碳材料技術(shù),金屬回收利用率較低,僅發(fā)展運維技術(shù)。結(jié)合LCA數(shù)據(jù)清單及風力發(fā)電各階段CO2排放測算模型,可以得到不同發(fā)展情景下的CO2排放強度如表5所示。

表5 二氧化碳排放強度

圖8 碳減排潛力時間節(jié)點累計量Fig. 8 Cumulative amount of time nodes with carbon emission reduction potential

3.4.3 碳中和分析

雖然自然碳匯是碳減排措施中最經(jīng)濟且影響最小的手段,但其存在很大的不確定性與不穩(wěn)定性。一方面,大自然可能會達到二氧化碳的吸收飽和狀態(tài);另一方面,當生態(tài)開始退化、干枯時,可能會釋放出大量的二氧化碳。而碳捕獲及儲存技術(shù)可以儲存CO2的時間更久、更穩(wěn)定,進一步發(fā)展成了碳捕集、利用與封存技術(shù)(CCUS),在減排效果上更具優(yōu)勢。國外發(fā)達國家開展CCUS較早且應用較為成熟,碳捕集能力可以達到百萬t級別以上[24]。目前中國的CCUS主要應用于工業(yè)領(lǐng)域,以10萬t級捕集規(guī)模為主。根據(jù)國際能源署(IEA)數(shù)據(jù),中國在2050年的CCUS減排貢獻為6～14.5億t。假設(shè)捕碳量按照當前碳排放比例分配給中國主要行業(yè)(按國家統(tǒng)計年鑒中的行業(yè)分類),則在2050年電力行業(yè)可以有2.58～6.24億t碳減排潛力。

有不少學者預計在2050年時,電力行業(yè)將完全為非化石能源發(fā)電,以實現(xiàn)電力行業(yè)“碳中和”,同時給其他行業(yè)實現(xiàn)“碳中和”留出充足的時間。本文以《中國“十四五”電力發(fā)展規(guī)劃研究》中2050年中國電源發(fā)電量預期值14.3萬億kW·h,其中,風電占比30.5%,太陽能發(fā)電占比32.6%,核電占比8.6%,水電占比15.7%,煤電占比5.7%,氣電占比3.4%,生物質(zhì)發(fā)電占比3.5%為計算依據(jù)。經(jīng)計算,此時電力行業(yè)要想實現(xiàn)“碳中和”風電全生命周期碳排放強度需要在3.24 g/kW·h以下。因此,從碳排放角度考慮,只有情景7能滿足要求,即同時調(diào)整負碳材料使用占比、金屬回收利用率與運維比例。

4 結(jié) 論

(1)風力發(fā)電的單位發(fā)電量污染物排放強度與碳排放強度逐年降低。2020年,基于LCA測算的風力發(fā)電中SO2、NOX、TMP、CO2排放強度理論值分別為0.024 1 g/kW·h、0.026 4 g/kW·h、0.021 8 g/kW·h、16.14 g/kW·h。

(2)風力發(fā)電各階段排污強度對比為:風機制造階段>風機運行維護與輸配階段>風電場建設(shè)階段>風機拆除階段>風機運輸階段。各階段碳排放強度對比為:風機制造階段>風電場建設(shè)階段>風機運行維護與輸配階段>風機運輸階段>風機拆除階段。

(3)通過敏感性分析發(fā)現(xiàn)電能和鋁的發(fā)展水平對風電全生命周期排污系數(shù)與碳排放系數(shù)均產(chǎn)生較大影響。此外增加風力發(fā)電的裝機容量,也可減少污染物與二氧化碳的排放。

(4)利用情景模擬分析法預測風力發(fā)電全生命周期的碳排放強度,發(fā)現(xiàn)不同發(fā)展情景下的風力發(fā)電全生命周期碳減排潛力均存在不同差異。其中,負碳材料使用占比與金屬回收利用率對風力發(fā)電全生命周期CO2排放量影響較大。風力發(fā)電的全生命周期碳排放強度需要降低至3.24 g/kW·h以下,才能助力電力行業(yè)實現(xiàn)碳中和。

上述研究充分表明,未來風力發(fā)電的建設(shè)需要從風機制造與風機退役兩個階段提高減排效益。一方面,可以改變風機組件材料及其生產(chǎn)方式,并逐步應用負碳材料,進一步降低風電場所用材料的CO2排放系數(shù);另一方面,可以采用合理的處置方式或相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新以提高技術(shù)材料的回收率,從而降低風力發(fā)電生命周期內(nèi)CO2排放強度,促使風力發(fā)電成為更加清潔的能源。隨著負碳技術(shù)、碳吸收技術(shù)、金屬回收利用方式等技術(shù)的突破與提升,從技術(shù)與成本兩個角度繼續(xù)深入分析負碳技術(shù)、碳吸收技術(shù)、金屬回收利用方式等技術(shù)在風力發(fā)電中的可實施性將是我們今后研究的重點。