風(fēng)力發(fā)電機組用發(fā)電機碳足跡分析

張燕紅 余冰 張舒揚

研究碳足跡成為工業(yè)領(lǐng)域的一種“時髦”，新能源也不例外。采用國際通行的技術(shù)標準和方法，通過對風(fēng)電配套產(chǎn)品碳足跡的研究，對國產(chǎn)主流風(fēng)力發(fā)電機組全生命周期的碳排放量進行評估，為國家風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃和發(fā)展提供支持與保障。

根據(jù)PAS2050：2008，風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)電機碳足跡計算主要包含五個步驟如下：首先繪制產(chǎn)品生命周期的過程圖，從原材料到處置，包括所有的材料流、能量流和廢物流；其次確定邊界，并進行下一步碳足跡計算，以幫助確定優(yōu)先序；然后收集整個生命周期所有階段的材料用量、活動和排放因子的數(shù)據(jù)；再次計算產(chǎn)品的碳足跡，最后評價碳足跡分析的準確性。本文主要對某廠生產(chǎn)的1.5MW風(fēng)力發(fā)電機組用發(fā)電機進行碳足跡評價，為風(fēng)力發(fā)電機組整機碳足跡評價提供支持。

過程圖

繪制過程圖可以確定所選產(chǎn)品生命周期有貢獻的所有材料、活動和過程。過程圖在整個碳足跡計算過程中作為一種寶貴的工具，提供了走訪的起點，并提供了指導(dǎo)收集數(shù)據(jù)和計算碳足跡的圖示參考。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機組用發(fā)電機的產(chǎn)品特點，本次宜采用從商業(yè)-到-商業(yè)（B2B）的模式繪制過程圖。從商業(yè)-到-商業(yè)的碳足跡停止于該產(chǎn)品被提供給另一個制造商的節(jié)點，也就是發(fā)電機制造商將電機提供給風(fēng)力發(fā)電機組整機制造商為碳足跡停止節(jié)點。

確定系統(tǒng)邊界

遵循將產(chǎn)品單元中所有的實質(zhì)性排放包含在內(nèi)的總體原則，確定產(chǎn)品碳足跡評價的范圍，而對于邊界內(nèi)非實質(zhì)性排放源（不足碳足跡總量的1%）、輸入過程的人力、消費者到零售點的交通和動物提供的運輸可不予考慮，對那些排放量大的源要重點關(guān)注。

本次研究最終確定的系統(tǒng)邊界為:包括生產(chǎn)發(fā)電機從原材料的輸入-貯存-生產(chǎn)零部件-組裝-測試所涉及范圍排放量, 只考慮正常生產(chǎn)狀況下的排放（包括產(chǎn)品返工的排放）, 不考慮材料代用,不包括異常情況下的車輛、設(shè)備損壞的碳排放。考慮材料的利用率,即用成品中每一材料的凈重、合格率、材料利用率得到生產(chǎn)一臺產(chǎn)品所消耗的材料。邊界選取中要將公共設(shè)施部分的排放平均分配進去,因此公共設(shè)施如辦公樓、供水、鍋爐等廠配套設(shè)施在進行充分調(diào)查的基礎(chǔ)上也要包括在邊界內(nèi)。

碳排放數(shù)據(jù)的收集和計算

收集各項活動數(shù)據(jù)及相關(guān)活動折合成碳排放量的排放因子等。

要收集生產(chǎn)發(fā)電機從原材料的貯存--生產(chǎn)零部件--組裝--測試所涉及范圍排放量的全過程數(shù)據(jù),只考慮正常生產(chǎn)狀況下的排放, 包括產(chǎn)品返工的排放,不考慮材料代用, 不包括異常情況下的車輛、設(shè)備損壞的碳排放等。

1、原材料及成品件碳排量

風(fēng)力發(fā)電機組用發(fā)電機原材料主要使用了球墨鑄鐵以及合金結(jié)構(gòu)鋼，1.5MW齒輪箱成品外購件主要包括硅鋼片、漆包線、絕緣材料、絕緣端子、主軸、軸承、鋼材、銅材、螺栓螺母墊片，冷卻器、冷卻風(fēng)扇，潤滑油等。

根據(jù)中國原子能科學(xué)研究院提供的排放因子數(shù)據(jù)，鋼鐵為2.2t CO2/t，不銹鋼為4.6t CO2/t、玻璃纖維5.778t CO2/t、銅3.5t CO2/t。

發(fā)電機原材料質(zhì)量乘以排放因子即可得到原材料的排放量，下表（此處忽略了小于1%的其它材料）：

表1 原材料碳排放

原材料碳排量的總和為22308.7千克CO2。

由于外協(xié)件直接從供應(yīng)商處購買，故碳排放數(shù)據(jù)無法直接獲取，此處僅以外協(xié)件主要材料質(zhì)量為準，估算排放量。

表2 外協(xié)件碳排放

發(fā)電機使用標準件（螺栓、螺母、墊圈、銷等）的總重量為116.22kg，具體計算見附表，標準件的主要原料為一般鋼材，根據(jù)碳鋼的排放因子2.2tCO2/t，標準件的排放量為總質(zhì)量乘以排放因子等于255.68kg。

制造一臺發(fā)電機所需外協(xié)件及標準件總的碳排放量為2567.69千克 CO2。

2、制造過程碳排量

發(fā)電機制造過程碳排量計算方法按照下列方法進行：以運行時間×耗能設(shè)備功率作為生產(chǎn)一個零部件所消耗的電量,之后再與排放因子相乘即得到排放量。

根據(jù)國家發(fā)改委氣候司發(fā)布的《2011中國區(qū)域電網(wǎng)基準線排放因子》

利用文件中第四部分“排放因子數(shù)值”結(jié)果,根據(jù)所屬電網(wǎng),選擇所消耗電網(wǎng)的OM和BM數(shù)值.其中OM為2007-2009年電量邊際排放因子的加權(quán)平均值；BM為截至2009年的容量邊際排放因子；利用選定的OM和BM數(shù)值,計算組合排放因子EFCM,即EFCM=(EFOM+EFBM)×50%，并以此EFCM數(shù)值作為所消耗電網(wǎng)的排放因子以計算所耗電量的碳排放因子.

分析的電機的生產(chǎn)商屬于華東區(qū)域電網(wǎng)，那么OM為0.8367，CM為0.6622，所以EFCM等于0.7495（tCO2/MWh）即0.7495x10-3（tCO2/kWh）。

發(fā)電機進行制造加工的部件主要有以下零部件：主軸、轉(zhuǎn)子、定子、端蓋、箱體（機座）、接線板。

此外，發(fā)電機各零部件制造完畢后還需要進行裝配、試車、噴漆、終檢包裝。

下面就以發(fā)電機轉(zhuǎn)子加工為例，闡述加工過程的碳排量計算步驟；

轉(zhuǎn)子加工工序

經(jīng)計算，各工序炭排量如下圖所示：

3、公共設(shè)施碳排量

2011年生活及辦公用電153500kWh，產(chǎn)量為660臺1.5MW雙饋電機，折合每臺電機為255.83kWh；

辦公樓用電碳排量計算等于折合到每臺齒輪箱用電量乘以排放因子，即255.83×0.7495=191.745千克CO2

如此可得出，單臺發(fā)電機的碳排量=發(fā)電機原材料碳排放+外協(xié)件碳排放+標準件碳排放+制造加工過程碳排放+公共用電碳排放=22308.7+2312+2567.69+34125.4+191.745=61505.54kgCO2，即單臺電機的碳排放總和為61.506噸CO2。

不確定性檢查

對產(chǎn)品不確定性分析是一種對精度的衡量，其目的是衡量碳足跡結(jié)果中的不確定性并使其最小化，提高碳足跡結(jié)果的可信度，以及提高基于碳足跡的決策水平。

本次對發(fā)電機碳排放研究的不確定性主要體現(xiàn)在以下幾點：

1）外購件如軸承，潤滑油，冷卻系統(tǒng)（含冷卻風(fēng)扇、油泵油管），螺栓螺母等，未取得供應(yīng)商的數(shù)據(jù)，故僅按照質(zhì)量估算了碳排量。

2）電機中絕緣材料排放因子不確定，因絕緣材料占比重較小，由此產(chǎn)生誤差影響不大。

3）發(fā)電機制造過程中采用的是功率乘以工時的方法獲得電量消耗，因為加工設(shè)備如車床、銑床、磨床等并非所有時刻都運行在額定功率點，故該方法計算得到的電量消耗較實際過程要大。

4） 裝配及部件移動工位時起吊設(shè)備的耗能未計入。

由以上可以算出，一臺額定功率為1.5MW的風(fēng)電用發(fā)電機制造過程及原材料的碳排量為61.506噸CO2，折合耗電為82062.71kWh（系數(shù)為：0.7495x10-3（tCO2/kWh），也就是風(fēng)力發(fā)電機組滿負荷發(fā)電55小時就可把發(fā)電機本身的碳排放量抵消。但是發(fā)電機的碳排量僅占整個風(fēng)力發(fā)電機組的一小部分，風(fēng)力發(fā)電機組的碳排量有待進一步的分析計算。