賈亞雷， 王繼選， 韓中合， 龐永超， 安 鵬

(1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定 071003；2.河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北保定 071000；3.河北工程大學(xué) 水電學(xué)院，河北邯鄲 056021)

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基于LCA的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電及燃煤發(fā)電的環(huán)境負(fù)荷分析

賈亞雷1,2， 王繼選3， 韓中合1， 龐永超1， 安 鵬1

(1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定 071003；2.河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北保定 071000；3.河北工程大學(xué) 水電學(xué)院，河北邯鄲 056021)

基于生命周期評(píng)價(jià)理論，建立風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電及燃煤發(fā)電的生命周期評(píng)價(jià)體系，研究生命周期各階段的環(huán)境負(fù)荷并進(jìn)行對(duì)比分析.結(jié)果表明：在電廠建設(shè)階段，燃煤發(fā)電碳足跡最低，為1.94 g/(kW·h)，風(fēng)力發(fā)電碳足跡最高，為9.42 g/(kW·h).在發(fā)電運(yùn)營(yíng)階段，光伏發(fā)電碳足跡幾乎為零，風(fēng)力發(fā)電碳足跡為0.2 g/(kW·h)，燃煤發(fā)電機(jī)組碳足跡最高，為83.3 g/(kW·h).風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電在電廠建設(shè)階段碳足跡占比較高，分別為99.4%和99.78%；燃煤發(fā)電在發(fā)電運(yùn)營(yíng)階段碳足跡占比最高，為96.13%.在整個(gè)生命周期中對(duì)全球變暖影響最大的是燃煤發(fā)電，為3.63×10-5標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量，影響最小的是風(fēng)力發(fā)電，為7.9×10-7標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量；對(duì)環(huán)境酸化影響最大的是光伏發(fā)電，為6.7×10-6標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量，影響最小的是風(fēng)力發(fā)電，為1.6×10-7標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量；風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的固體廢棄物排放幾乎為零.

可再生能源； 生命周期評(píng)價(jià)； 碳足跡； 排放強(qiáng)度

國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界認(rèn)為化石燃料的過(guò)度消耗導(dǎo)致全球氣候日漸變暖，該結(jié)果是由環(huán)境中溫室氣體濃度逐漸升高所致.氣候變暖將使環(huán)境熱負(fù)荷增加，有可能造成不可估量的后果[1-3].從能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境(3E)協(xié)調(diào)發(fā)展的角度考慮，減少溫室氣體排放是全球范圍內(nèi)環(huán)境保護(hù)的必然性要求.基于國(guó)內(nèi)外經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的壓力，國(guó)際社會(huì)對(duì)全球變暖問(wèn)題進(jìn)行非科學(xué)性量化，對(duì)以化石燃料消耗為主的國(guó)家制定出一系列排放指標(biāo)，從國(guó)家利益層面考慮，降低對(duì)化石燃料的消耗是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中遇到的能源瓶頸.

風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等發(fā)電形式在發(fā)電過(guò)程中不需要消耗化石燃料，同時(shí)不會(huì)大量排放固、液、氣等形態(tài)的污染物，被稱為清潔能源或可再生能源[3-7].因此，降低傳統(tǒng)發(fā)電的比例，提高可再生能源發(fā)電的比例是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新途徑，是實(shí)現(xiàn)3E可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在.可再生能源發(fā)電過(guò)程在一定程度上對(duì)環(huán)境負(fù)荷有所貢獻(xiàn)，但是可再生能源發(fā)電的上游，即發(fā)電系統(tǒng)中各主要設(shè)備的生產(chǎn)制造是高耗能的過(guò)程.因此，開展可再生能源發(fā)電的生命周期評(píng)價(jià)(LCA)，可以全面、系統(tǒng)、科學(xué)地研究可再生能源發(fā)電過(guò)程中對(duì)環(huán)境負(fù)荷的影響.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用LCA方法對(duì)所研究對(duì)象展開了不同層面的研究.Strazza等[8]研究了230 kW的固體氧化物燃料電池(SOFC)系統(tǒng)；Demir等[9]利用LCA方法對(duì)比分析了土耳其2個(gè)風(fēng)電場(chǎng)葉片長(zhǎng)度分別為50 m、80 m和100 m的風(fēng)力機(jī)，結(jié)果表明：長(zhǎng)葉片的大功率機(jī)組的環(huán)境負(fù)荷較小，能源回報(bào)率高；Uddin等[10]利用LCA方法從能源利用、減排和環(huán)境影響3個(gè)方面對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了研究；楊東等[11]采用LCA方法核算了2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)生命周期中的碳足跡和總能量需求；劉臣輝等[12-13]運(yùn)用生命周期方法分析了多晶硅-光伏系統(tǒng)的碳足跡；周亮亮等[14]采用生命周期分析方法對(duì)潔凈煤發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了分析，對(duì)建設(shè)、運(yùn)行、退役3個(gè)階段的能源和資源消耗、環(huán)境影響、生命周期成本進(jìn)行了評(píng)價(jià)；馮文等[15]研究了燃料電池汽車氫能系統(tǒng)的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和能源評(píng)價(jià)，對(duì)不同方案的環(huán)境性、經(jīng)濟(jì)性和能源利用情況進(jìn)行了生命周期分析；王云等[16]對(duì)300 MW燃煤電廠碳捕集及封存技術(shù)改造過(guò)程進(jìn)行了生命周期評(píng)價(jià).

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用LCA方法對(duì)某一發(fā)電形式的各個(gè)階段進(jìn)行了生命周期分析，各階段的數(shù)據(jù)多從相關(guān)軟件中獲取，相關(guān)研究缺乏對(duì)不同發(fā)電形式的橫向?qū)Ρ确治觯瑳](méi)有實(shí)際數(shù)據(jù)支持.為此，筆者基于生命周期評(píng)價(jià)理論，建立風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃煤發(fā)電的生命周期評(píng)價(jià)體系，從產(chǎn)業(yè)鏈的層面對(duì)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃煤發(fā)電整個(gè)生命周期中碳足跡進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)全球變暖、環(huán)境酸化及固體廢棄物排放等評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行研究和對(duì)比，探尋風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電及傳統(tǒng)燃煤發(fā)電的可持續(xù)發(fā)展空間.

1 生命周期評(píng)價(jià)理論

生命周期評(píng)價(jià)是以能量流和物質(zhì)流守恒為基礎(chǔ)的理論，是一種用于評(píng)價(jià)與生產(chǎn)過(guò)程相關(guān)的對(duì)環(huán)境影響的技術(shù).LCA研究范圍從“搖籃”擴(kuò)展至“墳?zāi)埂?，即一個(gè)封閉可持續(xù)的循環(huán)，對(duì)原材料來(lái)源、生產(chǎn)系統(tǒng)基建、生產(chǎn)系統(tǒng)投運(yùn)至最終的處置等環(huán)節(jié)的環(huán)境影響進(jìn)行分析，其理論模型如圖1所示.

圖1 生命周期評(píng)價(jià)模型

2 不同發(fā)電方式生命周期內(nèi)各階段能耗模型

將不同發(fā)電方式的生命周期分為4個(gè)階段：生產(chǎn)建設(shè)、組件運(yùn)輸、發(fā)電運(yùn)營(yíng)和廢棄處置階段.

生產(chǎn)建設(shè)階段主要指其基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)階段，該階段能耗Ec的計(jì)算模型如式(1)所示.

(1)

式中：ui為建筑施工所需第i種材料的損耗系數(shù)；n為生產(chǎn)所需材料的種類數(shù)量；mci為生產(chǎn)建設(shè)階段建筑施工所用的第i種材料的質(zhì)量，t；eci為生產(chǎn)建設(shè)階段建筑施工所用的第i種材料的內(nèi)含能量強(qiáng)度值，GJ/t；mcti為生產(chǎn)建設(shè)階段生產(chǎn)的第i種材料的質(zhì)量，t；Lcti為生產(chǎn)建設(shè)階段第i種材料生產(chǎn)地與安裝現(xiàn)場(chǎng)的距離，km；mpj,i為建筑施工第j個(gè)施工過(guò)程第i種材料的質(zhì)量，t；epj,i為建筑施工第j個(gè)施工過(guò)程第i種材料的內(nèi)含能量強(qiáng)度值；ef為平整場(chǎng)地及基坑開挖能耗，GJ；ecti為生產(chǎn)建設(shè)階段組件運(yùn)輸?shù)暮哪?，GJ.

組件運(yùn)輸階段主要包括原材料、組件的生產(chǎn)及運(yùn)輸，該階段能耗Ept的計(jì)算模型如式(2)所示.

(2)

式中：mpi為建筑施工所用的第i種材料的質(zhì)量，t；epi為建筑施工所用的第i種材料的內(nèi)含能量強(qiáng)度值，GJ/t；mti為生產(chǎn)的第i種材料的質(zhì)量，t；Lti為第i種材料生產(chǎn)地與安裝現(xiàn)場(chǎng)的距離，km；eti為第i種組件的運(yùn)輸能耗，GJ.

發(fā)電運(yùn)營(yíng)階段是指在基建及調(diào)試結(jié)束后的正常投運(yùn)發(fā)電階段，該階段能耗Eo的計(jì)算模型如式(3)所示.

(3)

式中：Es為所需替換組件的運(yùn)輸能耗，GJ；Ed為發(fā)電運(yùn)營(yíng)階段耗材的生產(chǎn)與運(yùn)輸能耗，GJ；Ecc為發(fā)電運(yùn)營(yíng)階段設(shè)備檢修能耗，GJ.

廢棄處置階段主要包括發(fā)電機(jī)組組件的拆除、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸和處理等環(huán)節(jié)，該階段能耗Er的計(jì)算模型如式(4)所示.

(4)

式中：Ede為零件拆卸階段能耗，GJ；Ere為舊部件回收和填埋能耗，GJ.

3 不同發(fā)電方式的生命周期評(píng)價(jià)體系

3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組生命周期評(píng)價(jià)目標(biāo)和范圍

以某個(gè)由1.5 MW風(fēng)力機(jī)組成的50 MW風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電項(xiàng)目為研究對(duì)象，為了確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在生命周期內(nèi)的能源需求及污染物的排放潛力，需研究其生命周期的系統(tǒng)邊界.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)邊界包括生產(chǎn)建設(shè)、組件運(yùn)輸、發(fā)電運(yùn)營(yíng)、廢棄處置4個(gè)階段，在傳統(tǒng)計(jì)算CO2排放量方法的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮整個(gè)風(fēng)力發(fā)電的上游CO2排放和下游CO2排放，運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)方法計(jì)算全生命周期內(nèi)各個(gè)階段的污染物排放量，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)邊界如圖2所示.

圖2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)邊界

生產(chǎn)建設(shè)階段主要包括打地基、平整場(chǎng)地及建筑材料的生產(chǎn)與運(yùn)輸(砂石、水泥、塔座固定、設(shè)備吊裝等)，此階段未考慮風(fēng)電場(chǎng)電能輸出與電網(wǎng)的電纜線.組件運(yùn)輸階段主要包括原材料(如鋼鐵、銅線和環(huán)氧樹脂等)的生產(chǎn)與運(yùn)輸；風(fēng)力機(jī)零部件的生產(chǎn)與運(yùn)輸主要包括塔基、塔架、引擎艙、槳葉及變電設(shè)備等的生產(chǎn)與運(yùn)輸.發(fā)電運(yùn)營(yíng)階段主要指對(duì)運(yùn)行過(guò)程中零部件的更換和維修，油質(zhì)品等的消耗.在廢棄處置階段，風(fēng)力機(jī)組件將被拆除，該階段主要包括拆除時(shí)的施工、能源消耗、廢棄零部件運(yùn)輸、循環(huán)處理、廢棄物填埋等.

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組生命周期評(píng)價(jià)中主要參數(shù)性能指標(biāo)、主要耗材的能耗及污染物排放數(shù)據(jù)分別如表1、表2和表3所示.

表1 某1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)及性能指標(biāo)1)

Tab.1 Main parameters and performance indicators of a 1.5 MW wind turbine

參數(shù)數(shù)值直徑/m77．36輪轂高度/m70功率調(diào)節(jié)方式變槳額定風(fēng)速/(m·s-1)10．5塔架形式鋼制錐形參數(shù)數(shù)值掃風(fēng)面積/m25376轉(zhuǎn)速/(r·min-1)9．9～17．3切入風(fēng)速/(m·s-1)3切出風(fēng)速/(m·s-1)23塔架質(zhì)量/t125

注：1)數(shù)據(jù)來(lái)源于WTG1-1500風(fēng)力機(jī)招標(biāo)技術(shù)文件.

3.2 光伏發(fā)電機(jī)組生命周期評(píng)價(jià)目標(biāo)和范圍

光伏發(fā)電主要基于光伏效應(yīng)原理，太陽(yáng)光輻射在半導(dǎo)體表面，通過(guò)光伏效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能.將多個(gè)晶片串聯(lián)即組成光伏組件，不同的組件經(jīng)過(guò)陣列可形成一定規(guī)模的光伏發(fā)電系統(tǒng).筆者研究的目標(biāo)是光伏發(fā)電機(jī)組生命周期內(nèi)對(duì)環(huán)境負(fù)荷的影響特性，辨識(shí)對(duì)能源和環(huán)境影響較大的部分.其生命周期的系統(tǒng)邊界包括上游的石英砂開采到最后的設(shè)備廢棄處置等階段.光伏發(fā)電相對(duì)風(fēng)力發(fā)電來(lái)說(shuō)，各階段的相關(guān)數(shù)值較小，由于智能匯流箱、直流/交流配電柜、逆變器、變壓器等設(shè)備的數(shù)據(jù)較難獲得，與光伏發(fā)電系統(tǒng)中其他主設(shè)備相比，其對(duì)環(huán)境的影響相對(duì)很小，在計(jì)算中不列入系統(tǒng)邊界.光伏發(fā)電系統(tǒng)邊界如圖3所示.光伏發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)建設(shè)階段的土建工程量很小，該階段主要包括硅砂的開采和提純、二氧化硅轉(zhuǎn)變?yōu)閱卧毓?、多晶硅和硅片制備及電池片的制造；組件運(yùn)輸階段主要包括智能匯流箱、直流/交流配電柜、變壓器和綜合監(jiān)控系統(tǒng)等；發(fā)電運(yùn)營(yíng)階段只需要投入少量的人力進(jìn)行管理和維護(hù)，該階段能量的投入和對(duì)應(yīng)的排放占比均小于1%，在計(jì)算中進(jìn)行舍棄處理；廢棄處置階段主要是對(duì)太陽(yáng)能電池片進(jìn)行回收再利用，運(yùn)輸過(guò)程能耗占比最大.

表2 主要耗材的能耗及污染物排放數(shù)據(jù)1)

Tab.2 Energy consumption and pollutants emission in production stage of construction materials

參數(shù)鋼玻璃纖維水泥銅硅環(huán)氧樹脂能耗/(kJ·kg-1)29270514876021138509215323CO2排放量/(g·kg-1)116011601167．18130426．5SO2排放量/(g·kg-1)2．95．50．431．91390．63NOx排放量/(g·kg-1)0．612．32．427．6421．03

注：1)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)工程院咨詢報(bào)告內(nèi)部資料.

表3 建造風(fēng)電機(jī)組所需耗材數(shù)據(jù)

圖3 光伏發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)邊界

某5 MW光伏發(fā)電機(jī)組組件的主要參數(shù)如表4所示.光伏發(fā)電機(jī)組原材料加工階段的能耗見表5.光伏發(fā)電機(jī)組組件的質(zhì)量與光伏電站的裝機(jī)容量相關(guān)，主設(shè)備及輔助設(shè)備的運(yùn)輸及相關(guān)能耗見表6.

表4 光伏發(fā)電機(jī)組組件相關(guān)參數(shù)

Tab.4 Technical parameters of relevant modules in PV power generation units

參數(shù)數(shù)值晶片面積/cm212．5×12．5晶片厚度/mm0．2正面金屬鍍膜比例/%7背面金屬鍍膜比例/%100參數(shù)數(shù)值晶片陣列分布10×9晶片個(gè)數(shù)90組件面積/m21．6轉(zhuǎn)換效率/%16

表5 原材料加工階段能耗

Tab.5 Energy consumption in different production stages of raw materials

參數(shù)數(shù)值石英砂開采提純能耗/(MJ·kg-1)1．39制備多晶硅片能耗/MJ10．3電極制作能耗/MJ0．396參數(shù)數(shù)值粗硅提純能耗(1kgSOG?Si)/MJ684P?N結(jié)制備能耗/MJ0．396

光伏發(fā)電機(jī)組安裝建設(shè)過(guò)程中的能耗及污染物排放量相對(duì)其他階段來(lái)說(shuō)占比較小，在計(jì)算過(guò)程中予以忽略.光伏發(fā)電機(jī)組生命周期的退役處理階段，主要能耗在運(yùn)輸階段，該階段的運(yùn)輸距離為773 km，其運(yùn)輸質(zhì)量和能耗強(qiáng)度不變.

表6 光伏發(fā)電機(jī)組運(yùn)輸階段能耗及污染物排放

Tab.6 Energy consumption and pollutants emission in transportation stage of a PV system

運(yùn)輸方式距離/km質(zhì)量/t能耗/(MJ·t-1·km-1)CO2排放總量/t鐵路17004410．264．71

3.3 燃煤發(fā)電機(jī)組生命周期評(píng)價(jià)目標(biāo)和范圍

以超臨界600 MW燃煤發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，其生命周期的系統(tǒng)邊界包括生產(chǎn)建設(shè)、組件運(yùn)輸、發(fā)電運(yùn)營(yíng)、廢棄處置等4個(gè)階段，運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)方法同時(shí)考慮整個(gè)系統(tǒng)上游和下游的污染物排放，計(jì)算全生命周期內(nèi)各個(gè)階段的CO2排放量.燃煤發(fā)電系統(tǒng)邊界如圖4所示.表7為燃煤發(fā)電機(jī)組的主要參數(shù)，其煤質(zhì)分析如表8所示，該機(jī)組生命周期評(píng)價(jià)中單位產(chǎn)量主要耗材的CO2的排放數(shù)據(jù)見表9[17-19].生產(chǎn)建設(shè)過(guò)程中主要考慮燃煤發(fā)電機(jī)組、汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組等大型設(shè)備安裝制造過(guò)程中的CO2排放量，所需耗材數(shù)據(jù)見表10.在計(jì)算過(guò)程中，生產(chǎn)建設(shè)階段忽略了煤炭開采、洗選階段的能源消耗及大氣、固體廢棄物的排放；組件運(yùn)輸階段主要考慮鋼鐵和水泥等基建材料的運(yùn)輸；發(fā)電運(yùn)營(yíng)階段主要涉及煤炭的運(yùn)輸、脫硫階段石灰石的消耗；廢棄處置階段主要考慮鋼鐵的運(yùn)輸與處理過(guò)程中能源的消耗.

圖4 燃煤發(fā)電機(jī)組生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng)邊界

參數(shù)數(shù)值電廠額定發(fā)電功率Pe/MW600煤耗量/(t·h-1)220．15電廠壽命/a30電廠建設(shè)周期/a2鍋爐效率ηb/%92．94參數(shù)數(shù)值汽輪機(jī)機(jī)械效率ηm/%98管道效率ηp/%98發(fā)電機(jī)效率ηg/%98廠用電率ζap/%5．05汽輪機(jī)絕對(duì)內(nèi)效率ηi/%48．24

表8 設(shè)計(jì)煤種的元素分析和工業(yè)分析

表9 單位產(chǎn)量主要耗材的CO2排放量[17-19]

Tab.9 CO2emission from specific yield of main consumables

耗材名稱鋼鋁鐵鋼筋混凝土水泥銅PVCCO2排放量/(g·kg-1)11601740116030116713041497

表10 電廠建造所需耗材數(shù)據(jù)1)

注：1)數(shù)據(jù)來(lái)源于某電廠建造數(shù)據(jù).

4 生命周期影響評(píng)價(jià)模型

為了對(duì)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電及燃煤發(fā)電等發(fā)電方式的生命周期評(píng)價(jià)進(jìn)行橫向比較，在計(jì)算時(shí)確定以單位發(fā)電量(即1 kW·h)為基準(zhǔn)單位.

風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃煤發(fā)電的資源消耗及其排放的各種污染物對(duì)環(huán)境的影響主要包括全球變暖、環(huán)境酸化、固體廢棄物等方面.環(huán)境影響評(píng)價(jià)是對(duì)清單分析過(guò)程中得出的環(huán)境干擾因子進(jìn)行的評(píng)價(jià)，環(huán)境影響評(píng)價(jià)主要分為3部分：分類、特征化和加權(quán)評(píng)估.

4.1 環(huán)境影響分類

確定風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電及燃煤發(fā)電所消耗物質(zhì)的消耗量，以及生成物質(zhì)的生成量，便于對(duì)機(jī)組的環(huán)境影響類型進(jìn)行分類.基于不同的發(fā)電方式，可以將生命周期內(nèi)環(huán)境干擾因子分為3類，如表11所示.

表11 發(fā)電機(jī)組生命周期內(nèi)環(huán)境干擾因子分類

Tab.11 Environmental interference factors in life cycle of a power plant

環(huán)境影響類型環(huán)境干擾因子全球變暖CO2酸化SO2、NOx固體廢棄物灰渣、脫硫石膏

4.2 環(huán)境影響潛值

環(huán)境影響潛值指發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中所有環(huán)境排放影響的總和，其表達(dá)式如下：

ηEP(j)=∑ηEP(j)i=∑[Q(j)i·ηEF(j)i]

(5)

式中：ηEP(j)為機(jī)組生命周期的第j類潛在環(huán)境影響類型的貢獻(xiàn)值；ηEP(j)i為機(jī)組生命周期中第i類環(huán)境干擾因子對(duì)第j類環(huán)境影響類型的貢獻(xiàn)值；Q(j)i為機(jī)組生命周期的第j類環(huán)境影響類型所包含的第i類環(huán)境干擾因子的排放量或消耗量；ηEF(j)i為機(jī)組生命周期的第j類環(huán)境影響類型所包含的第i類環(huán)境干擾因子的當(dāng)量系數(shù).

4.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

為了對(duì)不同類型的環(huán)境影響數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治?，需?duì)不同類型的環(huán)境影響數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，筆者以人均資源消耗總量和人均對(duì)環(huán)境的潛在影響作為無(wú)量綱化分析基準(zhǔn)，以1990年的數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)化的基準(zhǔn)，建立每年每人造成的平均環(huán)境影響潛值，即標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量[20-22].標(biāo)準(zhǔn)化后的潛在環(huán)境影響和資源消耗表達(dá)式如下：

(6)

式中：ηNP(j)為標(biāo)準(zhǔn)化后的潛在環(huán)境影響和資源消耗；T為單位電量的生命周期；ηER(j)90為1990年的第j類環(huán)境影響類型的基準(zhǔn).

4.4 加權(quán)

數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化說(shuō)明了潛在環(huán)境影響的大小，由于不同的環(huán)境影響類型對(duì)環(huán)境所造成的影響程度大小不一，因此為了更合理地分析與評(píng)價(jià)不同環(huán)境影響類型對(duì)環(huán)境的影響，需對(duì)不同的環(huán)境影響類型賦予不同的權(quán)重，運(yùn)用常用的層次分析法(AHP)計(jì)算各發(fā)電方式下環(huán)境影響類型的權(quán)重[23-24]，賦予權(quán)重后的環(huán)境影響潛值ηWP(j)表達(dá)式如下：

(7)

式中：ηWF(j)為第j類環(huán)境影響類型的權(quán)重系數(shù).

采用專家打分法對(duì)機(jī)組的環(huán)境影響進(jìn)行標(biāo)度，對(duì)環(huán)境影響類型之間的相對(duì)影響程度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，求取其特征化向量，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，得出各環(huán)境影響類型的權(quán)重指標(biāo).

5 結(jié)果與分析

5.1 碳足跡分析

風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電及燃煤發(fā)電在生命周期各階段的碳足跡如圖5所示.在電廠建設(shè)階段，光伏發(fā)電的碳足跡最高，為286.16 g/(kW·h)，風(fēng)力發(fā)電的碳足跡為9.42 g/(kW·h)，燃煤發(fā)電的碳足跡最低，為1.94 g/(kW·h),可見在電廠建設(shè)階段，單位發(fā)電量下光伏發(fā)電能耗最高，對(duì)環(huán)境的影響最大，而燃煤發(fā)電能耗較低，對(duì)環(huán)境的影響最小.在組件運(yùn)輸階段，燃煤發(fā)電由于設(shè)備眾多，從而單位發(fā)電量的碳足跡最高，為1.2 g/(kW·h)，光伏發(fā)電次之，為0.42 g/(kW·h)，風(fēng)力發(fā)電最低，為0.015 g/(kW·h).在發(fā)電運(yùn)營(yíng)階段，由于光伏發(fā)電的檢修及維護(hù)工作量比較小，其碳足跡最小，風(fēng)力發(fā)電次之，為0.019 g/(kW·h)，燃煤發(fā)電的碳足跡最高，為83.3 g/(kW·h).在廢棄處置階段，燃煤發(fā)電和光伏發(fā)電的碳足跡基本相同，均為0.194 g/(kW·h)，風(fēng)力發(fā)電最低，為0.02 g/(kW·h).由圖5可知，在發(fā)電運(yùn)營(yíng)階段，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的碳足跡相對(duì)燃煤發(fā)電來(lái)說(shuō)，其值很小，從保護(hù)環(huán)境角度考慮，應(yīng)大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電.風(fēng)力發(fā)電在整個(gè)生命周期各環(huán)節(jié)的碳足跡均很小，大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電對(duì)保護(hù)環(huán)境有著重要意義.

圖5 風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃煤發(fā)電的碳足跡

圖6為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏發(fā)電機(jī)組及燃煤發(fā)電機(jī)組各階段碳足跡占各發(fā)電方式全生命周期中碳足跡的比例.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與光伏發(fā)電機(jī)組的碳足跡占比主要體現(xiàn)在電廠建設(shè)階段，分別為99.4%和99.78%，應(yīng)采用有效技術(shù)手段降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與光伏發(fā)電機(jī)組在此階段的CO2排放量.

風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電在組件運(yùn)輸階段的碳足跡占比較小，分別為0.16%和0.15%，該階段的能耗主要以運(yùn)輸能耗為主.

圖6 風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃煤發(fā)電的碳足跡占比

在發(fā)電運(yùn)營(yíng)階段，由于光伏發(fā)電幾乎不產(chǎn)生碳排放，故該階段內(nèi)其碳足跡占比幾乎為零.燃煤發(fā)電的碳足跡占比主要表現(xiàn)在發(fā)電運(yùn)營(yíng)階段，占比為96.13%，該階段燃煤發(fā)電煙氣中含有大量CO2，從而在生命周期內(nèi)該階段的碳足跡占比最大.由圖6可知，為了改善碳排放的現(xiàn)狀，要在電廠建設(shè)階段降低風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的CO2排放量；在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)階段降低燃煤發(fā)電的CO2排放量.

5.2 環(huán)境影響負(fù)荷分析

對(duì)同一種環(huán)境影響類型下的環(huán)境干擾因子進(jìn)行特征化處理，便于比較環(huán)境干擾因子對(duì)環(huán)境的影響程度.全球變暖作為最主要的環(huán)境影響類型，環(huán)境干擾因子只包括CO2，因此其當(dāng)量系數(shù)為1，環(huán)境影響潛值為1，其特征化結(jié)果為實(shí)際排放量.酸化情況下，環(huán)境干擾因子有SO2和NOx，取SO2作為參照物，其當(dāng)量系數(shù)為1，對(duì)NOx進(jìn)行特征化處理，其當(dāng)量系數(shù)為0.7.固體廢棄物對(duì)環(huán)境的影響主要表現(xiàn)為占用空間，故環(huán)境干擾因子的特征化結(jié)果為實(shí)際排放量，其當(dāng)量系數(shù)為1.風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電及燃煤發(fā)電的環(huán)境干擾因子當(dāng)量化如表12所示.

表12 不同發(fā)電方式生命周期內(nèi)各類環(huán)境干擾因子當(dāng)量化

Tab.12 Life cycle equivalent of all environmental interference factors in different ways of power generation

干擾因子風(fēng)力發(fā)電光伏發(fā)電燃煤發(fā)電全球變暖(GWP)1)/(kg·kW-1·h-1)9．5×10-32．9×10-10．086環(huán)境酸化(AP)2)/(kg·kW-1·h-1)3．4×10-51．4×10-30．3166×10-3固體廢棄物(SW)/(kg·kW-1·h-1)000．06795

注：1)以1 kg CO2計(jì)；2)以1 kg SO2計(jì).

由表12可知，不同發(fā)電方式中單位發(fā)電量下污染物的排放量不盡相同，其中風(fēng)力發(fā)電對(duì)全球變暖及環(huán)境酸化的影響最小.由于光伏板生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有脫硫措施，其對(duì)環(huán)境酸化影響最大.燃煤發(fā)電的固體廢棄物排放對(duì)環(huán)境的影響最大，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的固體廢棄物對(duì)環(huán)境的影響幾乎為零.

為了更好地對(duì)比不同環(huán)境影響類型對(duì)環(huán)境影響的嚴(yán)重程度，對(duì)環(huán)境影響潛值進(jìn)行無(wú)量綱化處理，并對(duì)其進(jìn)行加權(quán)處理，綜合反映全生命周期內(nèi)不同環(huán)境影響類型造成的環(huán)境影響.不同環(huán)境影響類型對(duì)環(huán)境影響的相對(duì)重要性尺度如表13所示，環(huán)境影響類型如表14所示.

表13 相對(duì)重要性尺度及其描述[23]

注：1)Ai和Aj分別為行矩陣和列矩陣,aij和aji為重要性尺度矩陣中的元素.

表14 環(huán)境影響類型重要程度

Tab.14 Relative weighting of different environmental impacts

參數(shù)全球變暖環(huán)境酸化固體廢棄物全球變暖(GWP)156酸化(AP)1/512固體廢棄物(SW)1/61/21

根據(jù)表13和表14可計(jì)算得到生命周期內(nèi)各種環(huán)境影響類型的相對(duì)權(quán)重(WGWP=0.725 8，WAP=0.172 1，WSW=0.102 1)，對(duì)機(jī)組生命周期內(nèi)的各種環(huán)境影響類型進(jìn)行加權(quán)處理.

圖7為風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃煤發(fā)電的環(huán)境影響潛值.由圖7可知，在整個(gè)生命周期內(nèi)，燃煤發(fā)電對(duì)全球變暖的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃煤發(fā)電的CO2排放量分別為7.9×10-7標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量、2.4×10-5標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量和3.63×10-5標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量.對(duì)環(huán)境酸化影響最大的為光伏發(fā)電，為6.7×10-6標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量.燃煤發(fā)電中固體廢棄物排放對(duì)環(huán)境的影響最大，為2.76×10-5標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的固體廢棄物排放幾乎為零.從降低全球變暖趨勢(shì)的層面來(lái)看，應(yīng)當(dāng)降低燃煤發(fā)電的比例，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電可以有效地減少大氣污染物，減緩全球變暖趨勢(shì)；從固體廢棄物排放角度來(lái)看，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì).燃煤發(fā)電由于采取了有效的脫硫措施，其對(duì)環(huán)境酸化的影響顯著降低.

圖7 風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃煤發(fā)電的環(huán)境影響潛值

Fig.7 Potential impacts of wind, PV and coal-fired power generation to the environment

綜上所述，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃煤發(fā)電等多種發(fā)電方式協(xié)調(diào)發(fā)展是電廠應(yīng)對(duì)溫室效應(yīng)和環(huán)境酸化的有效手段，對(duì)解決全球變暖問(wèn)題具有重要作用.如果同時(shí)實(shí)現(xiàn)脫碳、脫硫、脫硝，將在很大程度上減小對(duì)環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn).

6 結(jié) 論

(1) 風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電在電廠建設(shè)階段的碳足跡占比較大，分別為99.4%和99.78%，運(yùn)輸過(guò)程的碳足跡占比較小，在發(fā)電運(yùn)營(yíng)階段碳足跡占比幾乎為零.燃煤發(fā)電的碳足跡占比主要表現(xiàn)在發(fā)電運(yùn)營(yíng)階段，占比為96.13%，該階段燃煤發(fā)電的碳足跡最高，為83.3 g/(kW·h).在廢棄處置階段，燃煤發(fā)電和光伏發(fā)電的碳足跡基本相同，為0.194 g/(kW·h)，風(fēng)力發(fā)電最低，為0.02 g/(kW·h).

(2) 燃煤發(fā)電對(duì)全球變暖的影響大于風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃煤發(fā)電的CO2排放量分別為7.9×10-7標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量、2.4×10-5標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量和3.63×10-5標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量.對(duì)環(huán)境酸化影響最大的為光伏發(fā)電，為6.7×10-6標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量.燃煤發(fā)電機(jī)組固體廢棄物排放對(duì)環(huán)境的影響最大，為2.76×10-5標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量.

(3) 為了降低各發(fā)電方式對(duì)環(huán)境的影響，在電廠建設(shè)階段降低風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的CO2排放量；在發(fā)電運(yùn)營(yíng)階段降低燃煤發(fā)電機(jī)組的CO2排放量.從降低全球變暖趨勢(shì)的層面來(lái)看，應(yīng)當(dāng)降低燃煤發(fā)電的比例，增大風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的比例；從固體廢棄物排放角度來(lái)看，應(yīng)大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電.

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Analysis on Environmental Load of Wind, PV and Coal-fired Power Generation Based on Life Cycle Assessment

JIA Yalei1,2, WANG Jixuan3, HAN Zhonghe1, PANG Yongchao1, AN Peng1

(1. School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University,Baoding071003,HebeiProvince,China; 2.HebeiSoftwareInstitute,Baoding071000,HebeiProvince,China; 3.CollegeofWaterConservancyandHydropower,HebeiUniversityofEngineering,Handan056021,HebeiProvince,China)

Life cycle assessment systems of wind, PV and coal-fired power generation were established based on life cycle assessment theory, so as to compare and analyze their environmental load produced at different stages. Results show that in the construction state of a power plant, the carbon footprint of coal-fired power generation is 1.94 g/(kW·h), which is the lowest in the three power generation ways, and the carbon footprint of wind power generation is 9.42 g/(kW·h), which is the highest. Whereas in the operation stage of a power plant, the carbon footprint of PV power generation is almost zero, and that of wind and coal-fired power generation is respectively 0.2 g/(kW·h) and 83.3 g/(kW·h), indicating that coal-fired power generation produces the highest carbon footprint. The ratios of carbon footprint in construction stage for wind and PV power generation are relatively high, which are 99.4% and 99.78%, respectively; while the ratio of carbon footprint in operation stage for coal-fired power generation has the highest value of 96.13%. Results also indicate that coal-fired power generation has the greatest influence on global warming in a whole life cycle with a standard equivalent of 3.63×10-5, while wind power generation has the least influence with a standard equivalent of 7.9×10-7; whereas PV power generation has the biggest impact on environmental acidification with a standard equivalent of 6.7×10-6, and wind power generation has the smallest impact with a standard equivalent of 1.6×10-7. The emission of solid waste is almost zero in both wind and PV power generation.

renewable energy; life cycle assessment; carbon footprint; emission intensity

2015-12-11

2016-03-07

河北省科技廳資助項(xiàng)目(16455203D)；河北省教育廳基金資助項(xiàng)目(QN2015108)；博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(20120134)；邯鄲市科技局基金資助項(xiàng)目(1528102058-2)

賈亞雷(1975-)，男，河北博野人，副教授，博士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)及優(yōu)化. 王繼選(通信作者)，男，博士，講師，電話(Tel.)：15231012060；E-mail：wangjixuan113@163.com.

1674-7607(2016)12-1000-10

X82

A 學(xué)科分類號(hào)：610.30