光伏系統基于全生命周期碳排放量計算的環境與經濟效益分析

翁 琳, 陳劍波

(上海理工大學 環境與建筑學院,上海 200093)

光伏系統基于全生命周期碳排放量計算的環境與經濟效益分析

翁 琳, 陳劍波

(上海理工大學 環境與建筑學院,上海 200093)

以上海臨港某光伏發電項目為案例,同時結合光伏發電系統全生命周期碳排放模型和各階段實際過程,對各個階段碳排放的獨特性、獨特來源進行分析和計算,進而明細其計算結果.根據該系統的碳排放周期、碳交易經濟回收期以及光伏發電上網電量的經濟回收期對光伏發電系統進行客觀的評價.

碳排放; 多晶硅; 太陽能光伏系統; 全生命周期評價

多年來,由于光伏產業鏈上游的多晶硅原料的生產設備相對落后、工藝技術掌握不完全、生產規模較小等影響,光伏產品的生產能耗相對較高,光伏行業也被冠以“高耗能”的清潔能源代表.此前一直有質疑聲稱:“光伏組件從全生命周期看并不環保,光伏產品所發的電量還不足以償還生產其產品所耗費的電量.”產業屢曝污染事件,國內各地光伏發電相關產業的部署也普遍存在盲目性和重復浪費等現象,使人們對光伏發電運行的環境價值產生疑問,從而對光伏發電產生質疑,阻礙了光伏發電的應用.

本文以上海臨港某12.162 25 MW的光伏發電項目為案例,從光伏系統全生命周期[1]角度出發,利用環境經濟學思想研究多晶硅太陽電池的生產、安裝施工、使用以及回收過程中的碳排放,較全面地計算該系統整個生命周期內的碳排放量,并將其與系統建成后生命周期內的項目減排量以及整個項目的資金投入進行比較,得出其碳回收期、經濟回收期等參數,研究其對環境的影響.以此為依據,對光伏發電系統進行客觀的評價,為其發展從技術上提供指導,有利于光伏發電產業健康發展和規?；茝V.

1 光伏系統全生命周期碳排放量計算模型

根據全生命周期評價(LAC)[2-4]方法,建立光伏系統碳排放模型為

式中:Ct為光伏發電系統全生命周期的碳排放總量,kg;C1為光伏發電系統光伏組件原材料獲取階段的碳排放量,kg;C2為光伏發電系統光伏組件生產階段的碳排放量,kg;C3為光伏發電系統光伏組件在運輸階段的碳排放量,kg;C4為光伏發電系統在施工安裝階段的碳排放量,kg;C5為光伏發電系統在使用維護階段的碳排放量,kg;C6為光伏發電系統在拆除清理階段的碳排放量,kg;Ei為生產主線各過程消耗的電量,kW·h;Re為電力的碳排放系數[5],取0.749 kg CO2/(kW·h);Mi為第i種材料單位建材內含能量[6],MJ/kg;Qi為第i種材料用量,kg;Rm為第i種材料對應能源與碳排放量轉換系數,kgCO2/MJ,為簡化計算,取統一定值;Cwc為好氧處理廢水的CO2排放系數,kg/m3;Wari為各生產過程處理的廢水量,m3;Pi為設備的價格,萬元;Rp為工業行業專業設備的碳排放系數[7-9],kg/萬元;D為運輸距離,km;H為運輸質量,t;Gp為溫室氣體的全球增溫潛力系數;ηi為溫室氣體轉化成CO2的轉換系數;Gi為燃料油的消耗強度,L/(t·km);Hi為施工安裝階段第i種化石燃料的消耗量,kg;其中,施工機械設備臺班能源消耗因子[10]已知;Rg為燃料油的溫室氣體排放系數,kg/L,查IPCC (國家溫室氣體排放清單指南)可得.

2 某光伏發電項目碳排放量的測算與評價

2.1 項目概況

上海臨港某光伏發電項目裝機總容量為12.162 25 MW,采用多晶硅光伏組件,光伏組件鋪設在新建車棚、沖壓車間屋頂和荒地上,面積約為140 000 m2.光伏電站與電力用戶在同一場所,接入用戶側,為可逆流的并網方式,所發電量由用戶“自發自用,余電上網”.

該項目共安裝250 W多晶硅組件43 600塊,255 W多晶硅組件4 950塊,500 kW逆變器22臺,630 kW逆變器1臺,匯流箱160臺.太陽能電池組件生產概況如下:收集2011-01-01—2011-12-31期間生產過程的相關數據作為CO2排放量計算的初級數據.光伏板碳排放量的計算單位為1臺(套)組件,碳排放量表示為XX kgCO2e/臺(套),e為當量(equivalent).光伏組件生產過程中多晶硅的生產工藝為改良西門子法.

根據生產企業提供的信息,該產品的生產流程如圖1所示(見下頁).根據生產企業提供的信息,該產品的質量流程如圖2所示(見下頁).

每項輸入、輸出流的質量如圖2所示,涉及到的各項能耗均根據質量流程圖中的質量折算出單位產品的質量與相應的排放因子相乘進行計算.

2.2 碳排放量的計算

2.2.1 原材料獲取階段(以硅礦石開采階段為例)

產品主要原料包括:太陽能級硅、鋁邊框、玻璃面板、密封材料、背板/基板、接線盒、焊帶、硅膠及包裝材料等.組件中的太陽能級硅和鋁邊框都從采礦開始計算,開采方式默認為露天開采,相應能耗采用次級數據(行業數據、學術期刊、專業書籍等)計算其碳排放量,能源消耗量用標準煤表示為XX kgCe/t.其他供應商直接供應的原料采用相應供應商的初級能耗數據進行計算;運輸過程采用生產企業提供的初級數據.

以下所有排放因子采用《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》中的默認值或是國家權威部門發布的數據.如表1所示.

圖1 多晶硅太陽能電池組件生產流程Fig.1 Production schedule of the solar modules

圖2 多晶硅太陽能電池組件生產質量流程圖Fig.2 Mass flow of productions表1 原材料獲取階段 (以硅礦石開采階段為例)Tab.1 Raw materials acquisition phase (a case study of Si ore exploitation)

輸入參數數 值單 位來 源硅礦石開采單位質量能耗1.2150kgCe/t礦石關于統一冶金礦山采礦工序能耗指標的看法標煤的CO2排放因子2.7720kgCO2/kgCe根據IPCC中燃料煤的碳排放因子計算硅礦石開采單位質量CO2排放量3.3679kgCO2/t礦石計算值每套組件所需硅礦石質量6.7388kg礦石生產企業提供每套組件的CO2排放量0.0227kgCO2計算值

2.2.2 生產階段

a. 光伏板組件生產階段的碳排放(以酸洗階段為例).

由圖1可知,生產企業內的制造過程包括:酸洗—鑄錠—切片—制電池—層壓—包裝.每個階段的能耗以及制造階段相關的運輸、廢物處理、直接排放的數據都是生產企業提供的初級數據.計算數據如表2所示.

b. 光伏發電系統其他組件生產階段的碳排放(以逆變器為例).

光伏發電系統除光伏板組件以外,還包括匯流箱、逆變器等,其實際用量以及規格參數等根據實際工程數據確定.專業設備的碳排放系數y隨時間變化遵循如下關系[6-8]:y=2.252e+143e-1.654x,其中,x為年份數.碳排放轉化系數采用2013年專業設備碳排放系數進行計算.計算數據如表3所示.

2.2.3 運輸階段(以鋁邊框運輸為例)

一般運輸工程碳排放包括:原材料從生產場地運輸到光伏組件生產廠的碳排放;光伏組件生產企業各分廠之間運輸的碳排放;生產企業運輸到發電項目現場的碳排放.計算數據如表4所示.

表2 生產階段(以酸洗階段為例)Tab.2 Production phase (a case study of pickling)

表3 其他組件生產階段碳排放量計算表(以逆變器為例)Tab.3 Carbon emissions of other components in the production phase (a case study of inverters)

表4 運輸階段(以鋁邊框運輸為例)Tab.4 Transportation phase (a case study of Al frames’ transportation)

2.2.4 施工安裝階段(以施工電力為例)

施工安裝階段的碳排放主要包括:施工耗材生產的碳排放和施工安裝過程中設備使用的碳排放,以及施工消耗電力的碳排放,計算數據均為施工現場的實地核實數據.計算數據如表5所示(見下頁).

2.2.5 使用維護階段

光伏發電系統使用階段屬于可再生能源發電,并無任何能耗及排放,使用過程中的維護采用人工處理,且不消耗其他能源作為動力時,可忽略人工作業的人員碳排放量,即可視使用維護階段的碳排放量為0.

2.2.6 廢棄回收階段

產品廢棄回收階段主要包括產品廢棄后的運輸排放以及對不可回收物質的填埋處理的排放.而在光伏發電系統中,其組件成分大都為玻璃或金屬材料,都可回收,在填埋中不產生排放量,即光伏發電系統在廢棄回收階段的排放量為運輸排放.計算數據如表6所示.

表5 施工安裝階段(以施工電力為例)Tab.5 Construction phase (a case study of electric power for construction)

表6 廢棄回收階段Tab.6 Decommission and reclamation phase

2.3 光伏組件生產階段碳排放量

基于上述碳排放模型,計算得出該光伏發電項目的碳排放量共計21 812 614.07 kg.其中,原材料獲取階段的碳排放量為15 995 418.94 kg,占全生命周期碳排放的73.3%;光伏組件及設備的生產階段的碳排放量為5 086 893.175 kg,占全生命周期碳排放的23.32%;運輸階段的碳排放量為48 438.64 kg,占全生命周期碳排放的0.22%;施工階段的碳排放量為608 038.180 4 kg,占全生命周期碳排放的2.79%;廢棄回收階段的碳排放量為73 825.13 kg,占全生命周期碳排放的0.34%.

原材料的獲取階段以及光伏組件和設備的生產階段是對整個全生命周期碳排放量影響最大的階段,這2個階段的碳排放量占整個生命周期項目總排放量的96.65%.其中,對于光伏組件而言,原材料的獲取過程中的碳排放量所占比重尤其大,為73.33%.

3 某光伏發電項目碳排放回收期分析

3.1 年上網電量計算

根據光伏電池組件 25 年衰減率,按照線性衰減,計算得出 25 年分年發電量,如表7所示.

表7 光伏系統25年分年發電量(萬 kW·h)Tab.7 Annual power generation of the photovoltaic project within 25 years

從表7中可以看出,考慮組件衰減性,第一年發電量理論計算值為 1 205.5萬kW·h,比年平均上網電量高出 10.46%,按照分段線性衰減,第1年衰減率 2%,第2～10年,平均年衰減率 0.75%,總衰減率 6.75%;第11～25年,平均年衰減率0.7%,總衰減率 10.5%;整個生命周期組件總衰減率為19.25%.

3.2 碳排放回收期

根據該項目使用周期內每年的上網電量,可以計算出項目壽命周期內逐年累計CO2減排量.對比整個項目生命周期內的CO2排放量,可以得出項目的碳排放回收期,如圖3所示.

由圖3可以看出,光伏系統的CO2減排能力隨著使用年份的增長逐年呈線性增長,而系統全生命周期CO2排放量則始終保持不變,在光伏系統投入使用的第2.5年,系統CO2減排量開始超過系統全生命周期CO2排放量.因此,可以看出,本項目系統CO2回收期大概為2.5年.

圖3 光伏系統減排能力對比圖Fig.3 Comparison of carbon emissions reduction capacity of the photovoltaic system

3.3 經濟回收期

3.3.1 上網電量的經濟回收期

2013年國家發改委(能源局)、財政部和電網公司連續出臺了一系列有利于國內分布式光伏市場開發的鼓勵政策,包括度電補貼、并網接入、項目備案等.以2013-08-30發展改革委明確發布的分布式光伏上網電價補貼0.42元/(kW·h)為例,并結合2013年工業電價0.81元/(kW·h),光伏發電每度電收益共1.23元.根據以上數據,該光伏發電項目上網電量經濟回收期如圖4所示.

圖4 光伏系統上網電量的經濟回收期Fig.4 Economic pay-back time of the photovoltaic system on-grid electricity

從圖4中可以看出,若只計算政府的補貼政策(0.42元/(kW·h)),該光伏發電項目在使用壽命內無法收回整個項目的總投資;若只計算0.81元/(kW·h)的工業電價,則該項目可以在第13年收回整個項目的總投資.但是,同時計算政府0.42元/(kW·h)的補貼政策以及節省電費的0.81元/(kW·h)的工業電價,則該項目在光伏系統投入使用的第9年即可以收回投資成本.

3.3.2 碳交易的經濟回收期

假設該光伏項目的減排量在碳交易市場上進行交易,以項目所在地上海環境能源交易所2014-04-15碳交易為例,碳交易成交均價為40.05元/t.比較該光伏發電項目碳減排量成交額與項目總投資,可得圖5.

圖5 光伏系統碳交易額與項目總投資比較Fig.5 Comparison between the carbon transaction volume and the total project investment

由圖5可以看出,以2014-04-15上海交易所碳交易單日平均成交價為例,碳交易額遠遠小于整個項目的總投資.經進一步計算可得,如果在該系統生命周期25年內,如想通過碳交易市場碳減排量的交易回收整個光伏項目的投資成本,則成交價格至少應為567.57元/t.若再同時考慮發電效益,則該項目可以在第8年收回整個項目的總投資.

4 結論與展望

研究了光伏發電系統全生命周期的碳排放問題,以上海臨港12.162 25 MW的光伏發電項目為案例,對光伏系統全生命周期內各個階段主要環節直接和間接的碳排放來源進行了分析.結合各個階段的特點,分別計算每一階段的碳排放量,得到了該光伏發電系統的碳排放值.最后,將計算所得的光伏系統的全生命周期的碳排放量與系統建成后生命周期內的項目減排量以及整個項目的資金投入進行比較,得出其碳回收期、經濟回收期等.

若按照本文的碳排放量模型計算,則該系統的CO2回收期大概為2.5年;若只計算0.81元/(kW·h)的工業電價,則該項目可以在第13年收回整個項目的總投資;若同時計算政府0.42元/(kW·h)的補貼政策以及節省電費的0.81元/(kW·h)的工業電價,則該項目在光伏系統投入使用的第9年即可以收回投資成本;若再同時考慮碳排放交易金額,并以2014-04-15上海交易所碳交易單日平均成交價40.05元/t為例,則該項目可以在第8年收回整個項目的總投資,有效扭轉對光伏產業“高耗能”、“高污染”的認識誤區.

對光伏項目碳排放的分析只研究了碳排放回收期以及經濟回收期,今后可以對整個項目碳排放量作更深入的研究,如進一步研究光伏系統的安裝位置、安裝角度等因素對碳排放回收期的影響,同時,隨著市場碳排放量交易價格的變化、政府的補貼政策調整和光伏產品生產技術提高,可作進一步的研究.

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(編輯:石 瑛)

Environmental and Economic Analysis on the Carbon Dioxide Emissions Calculation in the Life Cycle of a Photovoltaic System

WENG Lin, CHEN Jianbo

(SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

Taking the photovoltaic (PV) project located in Shanghai Lingang as an example,based on the established CO2emission model and the actual process of every stage,the uniqueness and unique source of carbon emissions were explored in details.In addition,in accordance with the CO2emissions in the life cycle of the PV system,in the payback period of the carbon trading system as well as in the payback period of the photovoltaic power,an objective evaluation on the PV system was carried out.

carbondioxideemission;SOG-Si;solarphotovoltaicsystem;lifecycleassessment

1007-6735(2017)03-0282-07

10.13255/j.cnki.jusst.2017.03.013

2017-01-04

翁 琳(1988-),女,碩士研究生.研究方向:新能源應用技術.E-mail:holidayong@163.com

陳劍波(1962-),男,教授.研究方向:暖通空調系統集成與節能、新能源應用技術等.E-mail:cjbzh@vip.sina.com

TM 615

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