【深度研究】基于生命周期評(píng)價(jià)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)碳足跡分析-楊東

(c)1994-2020chinaAcademicJournalElectronicpubolishingHouse.Alrightsreserved.基于生命周期評(píng)價(jià)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)碳足跡分析中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100085摘要:本文以我國(guó)市場(chǎng)占用率最高的2MW雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，采用生命周期評(píng)價(jià)(LCA)方法，核算其全生命周期過(guò)程的碳足跡和總能量需求，分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)不同生命周期階段的環(huán)境影響，識(shí)別其減碳潛力．研究結(jié)果表明，風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)階段、運(yùn)輸階段、運(yùn)行階段和廢1561.95GJ和－1081GJ．風(fēng)力發(fā)電機(jī)的碳足跡和總能量需求主要來(lái)源于生產(chǎn)階段，廢棄處理處置階段材料的回收利用有效的降低了生命周期的碳足跡和總能量需求．生產(chǎn)階段的碳足跡和總能量需求分別占全生命周期碳足跡和總能量需求的101%和90%;廢棄處置階段對(duì)碳足跡和年．敏感性分析表明，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的質(zhì)量和廢棄處置階段的金屬回收率都是風(fēng)力發(fā)電機(jī)總能量需求和碳足跡的影響因素.隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境和能源問題日益嚴(yán)重，人們?cè)絹?lái)越重視新能源和可再生能源的發(fā)展.在全球倡導(dǎo)低碳發(fā)展的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式下，風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔可再生的能源技術(shù)已經(jīng)成為世界各國(guó)新能源發(fā)展的主要方向．我國(guó)幅員遼闊，海岸線長(zhǎng)，風(fēng)能資源也十分豐富，10m高度層風(fēng)能資源陸風(fēng)力發(fā)電通常被認(rèn)為是清潔能源，即發(fā)電過(guò)程中基本沒有污染物排放，但是從生命周期的角度看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝和最終處置等環(huán)節(jié)都(c)1994-2020chinaAcademicJournalElectronicpubolishingHouse.Alrightsreserved.會(huì)有環(huán)境污染物和溫室氣體排放．因此，開展風(fēng)力發(fā)電的全生命周期的環(huán)境影響分析研究，可以準(zhǔn)確評(píng)估風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的總影響.為一種重要的環(huán)境管理工具，用于評(píng)估產(chǎn)品或服務(wù)生命周期全過(guò)程中相關(guān)環(huán)境因素及其潛在影響方法開展了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相關(guān)研究，Ardente等(2008)利用生命周期評(píng)價(jià)方法，對(duì)意大利某風(fēng)電場(chǎng)時(shí)間尺度為20年的風(fēng)力發(fā)電的能耗和溫室氣體排力發(fā)電機(jī)LCA研究，篩選出了126個(gè)關(guān)于機(jī)溫室氣體排放方面的研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的溫室也對(duì)歐洲安裝的17個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的LCA結(jié)果做了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電的溫室氣體排放水平與風(fēng)機(jī)的使用壽命和當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速氣象條件有關(guān).了碳足跡和能量總需求的分析研究．國(guó)內(nèi)也有學(xué)者開展了相關(guān)研究，Tang等(2011)分析了福州沿海的兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的生命周期環(huán)境影響;Wang參數(shù)，核算了內(nèi)蒙古赤峰風(fēng)電場(chǎng)不同型號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的碳足跡．以上研究普遍分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要生命周期階段的環(huán)境影響分布，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算出風(fēng)機(jī)的能量?jī)斶€時(shí)間．邵瀟等(2012)利用EIO-LCA方法對(duì)Vestas風(fēng)機(jī)開展了相應(yīng)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大多數(shù)研究主要采用了國(guó)外生命周期數(shù)據(jù)，不能準(zhǔn)確地反映我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)生命周期的真實(shí)環(huán)境影響．另外，很多研究忽視了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行階段和廢棄處理處置階段的環(huán)境影響．因此，本文利用我國(guó)生命周期背景數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)全生命周期進(jìn)行分析，以期更準(zhǔn)確的辨識(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)不同生命周期階段的環(huán)境影響，為我國(guó)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供決策支持.指產(chǎn)品系統(tǒng)整個(gè)生命周期產(chǎn)生的直接和間接的溫征產(chǎn)品系統(tǒng)能耗水平的指標(biāo)，主要指產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中包括產(chǎn)品原材料采掘、制造、使用以及最終處置階段所消耗的總的能源之和(Huijbregts期的溫室氣體排放和能耗水平，本文采用荷蘭Pre數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)(中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與產(chǎn)業(yè)生態(tài)研究組開發(fā)的中國(guó)能源、基礎(chǔ)材料和交通運(yùn)輸方面的生命周期背景數(shù)據(jù)庫(kù))，運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)方法對(duì)我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電生命周期的碳足跡及總能量需求進(jìn)行核算.評(píng)價(jià)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)生命周期環(huán)境影響，分析我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的碳足跡和總能量需求生命周期階段雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，開展全生命周期的碳足跡和總能量需求的分析.電機(jī)為對(duì)象，從我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際情況出發(fā)，以1臺(tái)2MW雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)服役運(yùn)行20年為功能單位，定量計(jì)算其生命周期過(guò)程中的碳足跡及總能量需求．研究范圍包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)的生產(chǎn)制造階段(包括資源開采、原材料生產(chǎn)、零部件生產(chǎn)和組裝安裝)，產(chǎn)品運(yùn)輸階段(從風(fēng)力發(fā)電機(jī)材料的生產(chǎn)地到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安裝地點(diǎn))，運(yùn)行階段和廢棄處理處置階段這四個(gè)主要的生命周期階段．系統(tǒng)邊界大量的能源和原材料．風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要包括基礎(chǔ)部齒輪箱、測(cè)風(fēng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，其中測(cè)風(fēng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)基本屬于電子設(shè)備，經(jīng)濟(jì)價(jià)值和設(shè)備體積都小于整個(gè)機(jī)組的5%，零部件眾多，數(shù)據(jù)眾多難以獲取，因此這兩部分的生產(chǎn)過(guò)程一般予以忽略(Wang某風(fēng)電場(chǎng)實(shí)地調(diào)研，電廠及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的具體參數(shù)3期楊東等:基于生命周期評(píng)價(jià)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)碳足跡分析929(c)1994-2020chinaAcademicJournalElectronicpubolishingHouse.Alrightsreserved.圖1風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)評(píng)價(jià)邊界表1調(diào)研風(fēng)電廠及風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)風(fēng)機(jī)類型雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)機(jī)數(shù)量風(fēng)機(jī)功率輪轂直徑輪轂高度額定風(fēng)速－1年設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)壽命本文獲取了2MW雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要組聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、玻璃纖維和丙酮的生命周期LCI數(shù)據(jù)來(lái)源于RCEES2012數(shù)據(jù)庫(kù)．在構(gòu)考慮了生產(chǎn)過(guò)程的部分材料損耗、能源消耗，但由于數(shù)據(jù)的可獲得性等問題，仍有一些損耗未包含在內(nèi).表2風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)階段物耗和能耗匯總風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分材料消耗量能耗和物耗數(shù)據(jù)來(lái)源生命周期背景數(shù)據(jù)來(lái)源風(fēng)電基礎(chǔ)混凝土3現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研鋼現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研塔架現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研機(jī)艙罩及葉片聚酯樹脂現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研環(huán)氧樹脂現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研(c)1994-2020chinaAcademicJournalElectronicpubolishingHouse.Alrightsreserved.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分材料消耗量能耗和物耗數(shù)據(jù)來(lái)源生命周期背景數(shù)據(jù)來(lái)源玻璃纖維丙酮電現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研RCEES2012輪轂球墨鑄鐵電現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研機(jī)艙底盤球墨鑄鐵電現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研齒輪箱現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研電機(jī)設(shè)備及零件運(yùn)輸采用的方式多為公路運(yùn)輸方式，我國(guó)公路運(yùn)輸?shù)纳芷诒尘皵?shù)據(jù)均來(lái)自MJ．本文根據(jù)企業(yè)實(shí)地調(diào)研，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)(Tang2．2．3運(yùn)行階段風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用壽命一般長(zhǎng)達(dá)20～30年，本文調(diào)研風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)使用壽命為20境影響來(lái)自于設(shè)備檢修過(guò)程和零件更換所造成的物耗和能耗，很多研究都忽略了運(yùn)行階段產(chǎn)生的環(huán)境影響．國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展剛剛興起，現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)大多投產(chǎn)不久，缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)．根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研可知，國(guó)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行20年的環(huán)境影響一般為生產(chǎn)行階段進(jìn)行以下假設(shè):風(fēng)力發(fā)電機(jī)20年服役期內(nèi)運(yùn)行階段設(shè)備檢修和零件更換產(chǎn)生的碳足跡和總能量需求為初始生產(chǎn)階段環(huán)境影響的15%.起不久，遠(yuǎn)未達(dá)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的報(bào)廢時(shí)期，因此我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)報(bào)廢和回收處理產(chǎn)業(yè)遠(yuǎn)未達(dá)到規(guī)模.本文參考國(guó)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)處理處置的情況進(jìn)行分和材料回收及最終處置過(guò)程，設(shè)備拆卸所產(chǎn)生的環(huán)2010)．根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研，可知國(guó)內(nèi)社會(huì)廢電機(jī)拆解過(guò)程中的銅的回收利用率一般為90%，混凝土、廢舊樹脂、報(bào)廢葉片等其他材料一般進(jìn)行填2013)．因此參照國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)廢棄處理階段進(jìn)行以下假設(shè):鋼筋混凝土基礎(chǔ)全部廢棄;設(shè)備中85%廢舊鋼鐵和90%的作為金屬冶煉加工的原料銅得到回收利用;剩下的材料則按常規(guī)的城市固體垃圾填埋進(jìn)行廢棄處理.機(jī)4個(gè)生命周期階段主要的原材料和能源消耗，其中原材料主要有金屬礦石、煤、原油和水等，體清單主要有二氧化碳、甲烷和氧化亞氮等．廢棄處理處置階段，因?yàn)榻饘俨牧匣厥?，獲得相應(yīng)的環(huán)境效益，降低了整個(gè)生命周期的原材料和能源消耗的投入.3期楊東等:基于生命周期評(píng)價(jià)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)碳足跡分析931(c)1994-2020chinaAcademicJournalElectronicpubolishingHouse.Alrightsreserved.表3風(fēng)力發(fā)電機(jī)生命周期清單類別單位總量生產(chǎn)階段運(yùn)輸階段運(yùn)行階段廢棄處理處置原材料鐵礦石t水t煤t銅礦石t石灰?guī)rt原油t天然氣t氯化鈉t鋁礦石硫磺鉀鹽能源消耗總能量需求大氣排放2ttt碳足跡的評(píng)估方法主要采用IPCC2007評(píng)估方案例風(fēng)力發(fā)電機(jī)的碳足跡為1692t，生命周期為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行階段，碳足跡為255t，貢獻(xiàn)了15%的碳足跡;運(yùn)輸階段的碳足跡相對(duì)較小，為61的回收利用，避免了一部分被代替材料生產(chǎn)造成的環(huán)境影響，所以此階段的碳足跡總和為負(fù)值，為碳足跡．生產(chǎn)階段和廢棄處理處置階段是影響研究結(jié)果的兩個(gè)關(guān)鍵階段，之前很多研究只考慮生產(chǎn)階段，忽視了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的其他生命周期階段，不能真正反映風(fēng)力發(fā)電機(jī)生命周期的環(huán)境影響.通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)階段各主要組成部分的分析，得到了生產(chǎn)制造階段風(fēng)力發(fā)電機(jī)各組分的生產(chǎn)過(guò)程貢獻(xiàn)最大，占生產(chǎn)階段碳足跡的45%(765.45t)，其次為風(fēng)電基礎(chǔ)材料和施工過(guò)程，占圖2風(fēng)力發(fā)電機(jī)碳足跡產(chǎn)過(guò)程對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)生命周期碳足跡的貢獻(xiàn)較大.因此，減少制造過(guò)程中的能耗和材料的消耗，可以有效降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)階段的環(huán)境影響，進(jìn)而降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)整個(gè)生命周期的環(huán)境影響.風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)輸階段產(chǎn)生的碳足跡為61t，主要來(lái)源于風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)輸過(guò)程中汽車消耗的汽油和柴油;風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行階段產(chǎn)生的碳足跡主要來(lái)源于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的檢修和零件消耗，約為255t.風(fēng)力發(fā)電機(jī)的廢棄處理處置階段，主要包括了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的拆卸以及主要材料的回收處置．拆卸所產(chǎn)材料避免產(chǎn)生的碳足跡為－496t，所以廢棄處理處置階段產(chǎn)生的碳足跡為－325t．廢棄處理處置階段各材料的回收利用和拆解過(guò)程的碳足跡如圖4所(c)1994-2020chinaAcademicJournalElectronicpubolishingHouse.Alrightsreserved.示，由此可以看出鋼鐵等金屬材料的回收，對(duì)廢棄物處理階段的碳足跡影響巨大.圖3生產(chǎn)制造階段各組分的碳足跡貢獻(xiàn)圖4金屬材料的回收利用對(duì)廢棄物處置階段碳足跡的貢獻(xiàn)通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的生命周期的總能量需求分析可知(圖5)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)生命周期的總能量需求輸階段為701GJ，占6%;廢棄處理處置階段為圖5風(fēng)力發(fā)電機(jī)生命周期各階段總能量需求-1081GJ．由此可見風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整個(gè)生命周期的總能量需求仍集中在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的生產(chǎn)階段，廢棄處理處置階段產(chǎn)生的環(huán)境收益，貢獻(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)整個(gè)生命周期總能量需求的－10%.通過(guò)企業(yè)調(diào)研可知，2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)年平均電機(jī)碳足跡(g);Q為風(fēng)力發(fā)電機(jī)每年發(fā)電量3．4風(fēng)力發(fā)電的總能量需求和風(fēng)力發(fā)電機(jī)能量回收期分析CEDE為風(fēng)力發(fā)電機(jī)能量回收期(a).風(fēng)力發(fā)電的碳足跡和總能量需求的研究結(jié)果，綜合他研究結(jié)果的區(qū)間之內(nèi)，結(jié)果是相對(duì)合理的.表4本研究與相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果的比較參數(shù)本研究結(jié)果其他文獻(xiàn)研究結(jié)果風(fēng)力發(fā)電碳足跡－1－1風(fēng)力發(fā)電總能量需求－1－13期楊東等:基于生命周期評(píng)價(jià)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)碳足跡分析933(c)1994-2020chinaAcademicJournalElectronicpubolishingHouse.Alrightsreserved.敏感性分析(BSI，2006)是從定量分析的角度研究有關(guān)因素的變化對(duì)某一個(gè)或一組關(guān)鍵指標(biāo)的影響程度，本文選用單因素敏感性分析法，每次選取一種因素在指定范圍內(nèi)變化而其他因素固定不變，分別針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備質(zhì)量和廢棄處理處置階段金屬材料回收率對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)碳足跡和總能量需求進(jìn)行敏感性分析.由文獻(xiàn)調(diào)研可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的成本與質(zhì)量息息相關(guān)，降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)的成本首要因素是降低設(shè)備的質(zhì)量，為此風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)正朝著減輕質(zhì)量發(fā)電機(jī)的設(shè)備質(zhì)量龐大，意味著大量的材料和能源消耗，由前文可知，這也是造成設(shè)備生產(chǎn)階段碳足跡和總能量需求巨大的主要原因．為了分析設(shè)備質(zhì)量對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)生命周期的碳足跡和總能量需求示，保持其他因素不變，改進(jìn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝，依次在本研究基礎(chǔ)上，減輕風(fēng)力發(fā)電機(jī)的質(zhì)量，從原有設(shè)備質(zhì)量降至原設(shè)備質(zhì)量的90%，設(shè)備減輕10%，也就意味著材料消耗量降低10%，機(jī)碳足跡和總能量需求的關(guān)鍵性因素.圖6風(fēng)力發(fā)電機(jī)質(zhì)量的敏感性分析4．2廢棄處理處置階段金屬材料的回收率金屬材料的回收率直接影響到廢棄處理處置階段材料回收利用產(chǎn)生的環(huán)境效益，因此有必要對(duì)廢棄處理處置階段金屬材料的回收率進(jìn)行敏感性銅等金屬材料的回收率從100%下降至50%，則風(fēng)力發(fā)電機(jī)生命周期的碳足跡將從1605t上升至的金屬回收率是影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)碳足跡和總能量需求的關(guān)鍵性因素.圖7風(fēng)力發(fā)電機(jī)廢棄處理處置階段金屬回收率的敏感性分析通過(guò)以上分析可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的質(zhì)量和風(fēng)力發(fā)電機(jī)廢棄階段的金屬回收率對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的碳足跡和總能量需求影響都比較大，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)和制造階段應(yīng)該采用更加合理、減量、生態(tài)的設(shè)計(jì)，降低材料和能源的消耗;廢棄處理處置階段，采用更合理的處理處置方式，從而顯著降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)生命周期的碳足跡和總能量需求.1)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的碳足跡和總能量需求主要來(lái)源于生產(chǎn)階段，分別貢獻(xiàn)了全生命周期101%的碳足跡和90%的總能量需求;運(yùn)輸階段產(chǎn)生的環(huán)境影需求;廢棄處理階段因?yàn)榻饘俨牧匣厥债a(chǎn)生環(huán)境效益對(duì)研究結(jié)果的影響巨大，分別貢獻(xiàn)了－19%的碳足跡和－10%的總能量需求．減少制造過(guò)程中的能耗和材料的消耗，注重運(yùn)行階段的設(shè)備維護(hù)，廢棄處理處置階段采取更加環(huán)保的處理處置方式，可以大幅降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)生命周期的環(huán)境影響，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)更加的清潔和高效.3)敏感性分析結(jié)果表明，風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備質(zhì)