可再生能源發電對PM10 和PM2.5減排的貢獻核算

余紅

中國環境科學研究院，北京 100012

近年來，我國霧霾天氣頻發，影響范圍大、持續時間長，嚴重影響了居民的身心健康和出行安全。2013年1月我國出現了持續大規模的霧霾天氣，涉及17個省市自治區1/4 的國土面積，影響約6 億人口，據環境保護部門監測數據顯示，74 個城市空氣質量總體超標天數比例為68.4%，重度和嚴重污染的比例達到30.2%，其中PM2.5超標尤其嚴重，平均超標率為68.9%，PM2.5最大日均值達到766 μg/m3［1］。

細顆粒物(PM2.5)指環境空氣中空氣動力學直徑≤2.5 μm 的顆粒物，是形成霧霾天氣的主要原因之一。相較于粗顆粒物(空氣動力學直徑為2.5 ～10 μm)，PM2.5對人體健康的危害性更大，主要原因在于多環芳烴、過渡金屬等有毒有害物質多吸附于粒徑小于1 μm 的細微顆粒物上，90%的細微顆粒物可深入到肺泡區，并可進入血液輸往全身;而PM10(空氣動力學直徑≤10 μm)中的粗顆粒物部分經吸入后一般聚集在下呼吸道，危害相對較小［2］。國內外專家學者就PM2.5對人體健康危害開展了大量的研究，如謝元博等［3］采用泊松回歸模型評價表明，在空氣重污染期間，即便高濃度的大氣污染物暴露持續短短幾日，也會導致大多數受影響居民出現不同程度的喉痛、咳嗽、呼吸困難等呼吸系統疾病癥狀，甚至可能導致敏感人群的急性死亡;Vinikoor-Imler 等［4］用生態學研究方法分析發現，PM2.5濃度與肺癌的發生率和死亡率呈正相關關系;Gill 等［5］研究發現，PM2.5濃度升高，會使身體整個系統發生炎癥，進而引起冠心病、動脈粥樣硬化、中風等心血管疾病發病率的上升;Madrigano 等［6］認為，PM2.5會使人們患急性心肌梗死的風險增加16%。

為改善全國空氣質量，2013年9月10日，國務院印發了《大氣污染防治行動計劃》，提出了具體的細顆粒物年均濃度下降指標，并就實現該目標提出了10 項具體措施，其中明確提出了“積極有序發展水電，開發利用地熱能、風能、太陽能、生物質能”。

1 可再生能源發電發展現狀及規劃

1.1 可再生能源發電現狀

我國擁有豐富的可再生能源資源，但多年來并未得到有效的開發和利用，2011年我國水電、核電、其他能源發電僅占一次能源生產量的8.8%(發電煤耗計算法)［7］。發電是可再生能源利用的一種重要形式，2012年我國可再生能源總裝機容量為30 197 ×104kW(占當年總裝機容量的26.33%)，總發電為9 908 ×108kW·h(占當年總發電量的19.87%)。2012年我國可再生能源發電情況見表1。

表1 2012年我國可再生能源發電情況［8-9］Table 1 Status of renewable energy power generation in China in 2012

從2012年可再生能源發電結構來看，水電占據絕對的主導地位，占可再生能源總發電量的85.41%;其次為風電，占總發電量的10.40%;生物質發電和太陽能發電仍處于起步階段。

1.2 可再生能源發展規劃

“十二五”期間，可再生能源發電在電力體系中上升為重要電源，到2015年可再生能源發電量爭取達到總發電量的20%以上［10］。2015年和2020年可再生能源發電主要指標見表2。

表2 可再生能源發電主要規劃指標Table 2 The main planning indicators of renewable energy power generation

2 研究方法

2.1 研究邊界與基準線

2.1.1 研究邊界

從原料/燃料的生產、原料/燃料的運輸、電廠發電3 個階段，確定各類可再生能源發電和燃煤火電的生命周期PM10和PM2.5排放因子。

2.1.2 基準年

以2012年為基準年，假設2015年和2020年各類可再生能源發電量均可以達到《可再生能源發展“十二五”規劃》中的規劃值，計算新增可再生能源發電量所對應的新增PM10和PM2.5減排量。

2.1.3 減排基準線

②診斷上于與國內外多數學者對頸源性頭痛患者診斷相比:更簡潔明了,醫生更易掌握,尤其是基層醫生。具體內容見前段解釋。

以燃煤火電全生命周期單位發電量PM10和PM2.5排放系數為基準線，將其與可再生能源發電的排放系數進行差值，得出以可再生能源發電替代燃煤發電的單位發電量PM10和PM2.5減排系數，進而計算出減排貢獻量。

2.2 生命周期評價法介紹

生命周期評價(life cycle assessment，LCA)，也稱為“生命周期分析”、“生命周期方法”、“搖籃到墳墓”、“生態衡算”等，其最早應用可追溯到1969年美國可口可樂公司對不同飲料容器的資源消耗和環境釋放所做的特征分析，該公司在考慮是否以一次性塑料瓶替代可回收玻璃瓶時，比較了2 種方案的環境友好情況，肯定了前者的優越性［11］。國際環境毒理學與化學學會(The Society of Environmental Toxicology and Chemistry，SETAC)對生命周期評價的定義為:一種評價產品、工藝過程或活動從原材料的采集和加工到生產、運輸、銷售、使用、回收、養護、循環利用和最終處理整個生命周期系統有關的環境負荷的過程［12］。1997年，國際標準化組織發布的ISO 14040將生命周期評價定義為:匯總和評價一個產品、過程(或服務)體系在其整個生命周期的所有及產出對環境造成的和潛在的影響方法［13］。2006年，國際標準化組織對生命周期評價新的定義為:從整個生命周期對一個產品系統的輸入、輸出和潛在的環境影響進行匯總和評估［14］。

我國于1999年和2008年分別對相應的國際標準予以等同轉化，發布了相應的國家標準。陳亮等［15］對GB/T 24040—2008《環境管理生命周期評價原則與框架》進行了解讀:LCA 考慮產品的整個生命周期，即從原材料的獲取、能源和材料的生產、產品制造和使用，到產品生命末期的處理以及最終處置;生命周期清單分析(life cycle inventory analysis，LCI)包括數據的收集和計算，以此量化產品系統中相關輸入和輸出;LCA 中影響評價的目的是根據LCI 的結果對潛在環境影響的程度進行評價。

3 對PM10和PM2.5減排的貢獻核算

3.1 燃煤火電排放因子

黃智賢等［16］從燃料開采、燃料運輸、燃料發電和廠房建設4 個階段計算了燃煤電廠的生命周期廢氣 排 放 清 單，其 中 PM10排 放 系 數 為0.442 2 g/(kW·h)。

3.2 可再生能源發電排放因子

3.2.1 水電排放因子

鄒治平等［17］應用生命周期分析法，對水力發電的工程用材的冶煉、材料運輸、電能輸送3 個階段進行分析，計算出水電站發電449 ×108kW·h，向大氣排放煙塵157.8 t、粉塵1 551.78 t，即單位水電發電量煙粉塵排放系數為0.038 g/(kW·h)。

3.2.2 風電排放因子

鄒治平等［18］應用生命周期分析法對風力發電的電廠用材冶煉、材料運輸、電廠建設3 個階段進行分析，計算出風力發電廠發電400 GW·h，向大氣排放煙塵20.662 t、粉塵49.368 t，即單位風電發電量煙粉塵排放系數為0.175 g/(kW·h)。

3.2.3 太陽能發電排放因子

3.2.4 生物質發電排放因子

劉俊偉［20］從秸稈種植過程、運輸過程、發電階段計算出發電10 000 kW·h 的生命周期煙粉塵排放量為2.240 kg，即單位生物質發電量煙粉塵排放系數為0.224 g/(kW·h)。

3.3 減排因子確定

2012年2月29日發布的GB 3095—2012《環境空氣質量標準》中PM2.5的年均值和24 h 平均值二級標準均為PM10的50%。參考該標準，假設燃煤發電和可再生能源發電的PM2.5排放系數均為PM10的50%，得到可再生能源發電替代燃煤發電PM10和 PM2.5的減排因子(表3)。

表3 可再生能源發電替代燃煤發電PM10和PM2.5減排因子Table 3 PM10 and PM2.5 reduction factor for substitution of coal-fired power generation by renewable energy g/(kW·h)

3.4 減排量核算

根據表2 和表3，以生命周期評價法計算可再生能源發電替代燃煤火電的溫室氣體減排貢獻量，結果見表4。

表4 可再生能源發電替代燃煤火電對PM10和PM2.5減排量的計算結果Table 4 Calculation results of PM10 and PM2.5 emission reduction for substitution of coal-fired power generation by renewable energy

由表4 可以看出，以可再生能源發電替代燃煤火電可以實現較好的PM10和PM2.5減排效果，2015年PM10可減排44.21 ×104t/a(占2011年中國電力煙塵年排放115 ×104t［21］的38.44%)，PM2.5可減排22.10 ×104t/a;2020年PM10可減排65.41 ×104t/a(占2011年中國電力煙塵年排放的56.88%)，PM2.5可減排32.71 ×104t/a。

4 結語

(1)從各類可再生能源發電替代燃煤火電的減排系數來看，從高到低依次為水電＞并網風電＞太陽能發電＞生物質發電;以可再生能源發電替代燃煤發電在2012年已經實現了較好的PM10和PM2.5減排效果，減排量分別為37.87 ×104和18.94 ×104t/a，有助于大氣環境質量的改善。

(2)“十二五”期間及以后，可再生能源發電仍將是應對大氣污染防治的一項重要措施，與2012年相比，2015年新增減排PM106.34 ×104t/a 和PM2.53.17 ×104t/a，2020年新增減排PM1027.54 ×104t/a和PM2.513.77 ×104t/a。

(3)煤炭是我國的主要能源，占我國一次能源的70%左右，同時燃煤火電約占我國總發電量的80%，而且在未來相當長時期內，煤炭作為主體能源的地位不會改變。發展可再生能源發電，有助于促進我國電力結構和能源結構的逐步優化，進而實現能源生產的清潔化和低碳化。

(4)可再生能源是優質清潔能源，以可再生能源發電替代燃煤火電，不僅可以實現PM10和PM2.5的減排，同時也可以實現SO2、NOx等多種局地大氣污染物和溫室氣體的減排，具有較強的協同效應，應給予更強有力的政策支持，不斷提高可再生能源在一次能源中的比重。

［1］中華人民共和國國家衛生和計劃生育委員會.《2013年空氣污染(霧霾)健康影響監測工作方案》解讀［EB/OL］. (2013-10-28 ). http://www. nhfpc. gov. cn/jkj/s5899tg/201310/c7b191f8db0e4f2db21144292ff855db.shtml.

［2］唐孝炎，張遠航，邵敏. 大氣環境化學［M］.2 版. 北京:高等教育出版社，2006:268-269.

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［4］VINIKOOR-IMLER L C，DAVIS J A，LUBEN T J. An ecologic analysis of county-level PM2.5concentrations and lung cancer incidence and mortality［J］. Int J Environ Res Public Health，2011，8(6):1865-1871.

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［10］國家能源局. 可再生能源發展“十二五”規劃［EB/OL］.(2013-02-21 ). http://www. cnenergy. org/wjfg/201302/t20130221_177068.html.

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［14］ISO. ISO 14040-2006 Environmental management-life cycle assessment-principles and framework［S］. Geneva:International Organization for Standardization，2006.

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