基于生命周期法的海上風電系統溫室氣體排放核算

余茜

摘 要：在綠色發展和海上風電項目快速擴張的背景下，海上風電系統的溫室氣體排放值得關注。已有研究多關注陸上風電系統的環境影響評估，而鮮有研究對海上風電系統溫室氣體排放進行核算。本研究基于生命周期分析法，對浙江象山海上風電場（一期）的生命周期各階段溫室氣體排放進行評估。結果表明，全生命周期溫室氣體排放量為13.169萬噸，與同等發電量的傳統燃煤電廠相比，運營階段海上風電系統每年少排放溫室氣體143.039萬噸，具有一定的凈減排效應;設備生產階段為全生命周期溫室氣體排放的最大來源，占溫室氣體排放總量的67%，體現了在生產階段管控溫室氣體排放以及優化節能減排的制造工藝的必要性。

關鍵詞：海上風電;生命周期分析;溫室氣體

一、引言

風能作為一種清潔能源，是傳統化石能源的有效替代，風電的發展對于我國綠色發展以及能源體系轉型都具有重要的意義。由于海上風電具有風力資源豐富、不占用陸地、能通過水路運輸大型風機且臨近沿海發達地區便于消納等優勢（文鋒，2016），被認為是未來風電的重要發展方向而得到矚目。2018年全球海上風電新增裝機器容量為4.5 GW，其中中國就貢獻了近40%的增量（IRENA，2019）。隨著海上風電項目的快速擴張，海上風電系統的環境影響值得關注。風電系統在風機制造、原材料制造、運輸等環節也會排放一些溫室氣體（Greenhouse Gas， GHG），需要對其進行核算與評估。

生命周期分析法（Life Cycle Assessment，LCA）充分考慮了產品整個生命周期的投入、產出、能量消耗和環境影響（ISO14044， 2006），被國內外學者廣泛應用于風電系統的環境排放評估。海上風電系統生命周期相關研究早期主要集中在國外學者的實踐（Hondo，2005;Ardente 等，2008;Gomaa等，2019）。不少學者得出海上、陸上風電系統溫室氣體排放存在差異。Noori等（2015）發現相同功率的海上風力渦輪和陸上風力渦輪生命周期環境與能量績效存在差異，海上風力發電機每千瓦時發電所產生的溫室氣體排放量比陸上風力發電機相比減少48%。Bonou等（2016）得出海上風電系統和陸上風電系統生命周期各階段的物料消耗和溫室氣體排放存在差異。因此，將海上風電系統進行溫室氣體排放核算具有一定的必要性。

由于我國海上風電發展起步時間較晚，絕大多數國內學者的生命周期評估對象為陸上風電系統，主要集中于大氣污染物排放、能量回收時間、全球變暖潛力、酸化潛力等方面（Chen 等，2011;Yang 和Chen ，2013;Xue等，2015;Xu，2018;王曉天，2012）。國內關于陸上風電系統的生命周期研究日趨成熟，而鮮有研究者對海上風電系統進行評估。楊舉華（2017）運用混合生命周期分析法對我國首個海上風電場進行了能耗和溫室氣體排放研究。Zhang等（2016）研究了海上風電系統的能量績效，以及其能源績效在長期的變化趨勢。因此，基于生命周期分析核算海上風電系統的溫室氣體排放能夠彌補該領域相關研究少的現狀，并為后續海上風電生命周期研究作參考。

二、研究方法

（一）研究對象

本文擬選取的海上風電系統為位于浙江省象山縣鶴浦鎮南田島東側海域的國電象山1#海上風電場一期。該項目規劃裝機容量252MW，包括63臺單機容量4.0MW的風電渦輪機，配套63臺機組變壓器以及一座220kV海上升壓站（內含2臺主變壓器），計劃運行時間為25年。

風電場數據主要來源為浙江省象山縣政府在官方網站公示的、由浙江碧陽環境工程技術有限公司于2019年9月編制的《國電象山1#海上風電場（一期）工程環境影響報告書》，該報告書提供了生命周期評價所需的設備基礎信息與環境影響信息。

（二）系統邊界

海上風電系統生命周期主要包括設備生產、設備運輸、安裝、運營維護、回收處理五個階段。按照時間進行劃分，施工期包含設備生產、設備運輸和安裝三個階段，運行期包含運營維護階段和回收處理階段（如圖1），假設回收處理工作于運行期最后一年末進行。

圖1 風電系統生命周期邊界

（三）清單分析

1、設備生產階段

本文以原材料單元形式核算海上風電系統的設備材料清單（見表1）。由于缺乏4.0MW風機和風機底座原材料數據，本文參考Nian（2019）研究中4.1MW風機和風機底座原材料相關數據以近似替代。主變壓器和變壓器底座原材料數據參考Xue（2015）的研究。風機配套變壓器相關原材料數據參考王曉天（2012）的研究。

表1 設備材料清單

在設備生產階段，我們僅考慮風機和變壓器的原材料生產產生的排放（見表2）。因此，在設備生產階段總共排放溫室氣體88330.695 t。GHG排放強度參考Chen等（2011）的研究。

表2 設備生產階段的溫室氣體排放

2、設備運輸階段

需要運輸的設備為風機和變壓器，假設變壓器由風電機組生產廠家配套提供，運輸距離為每趟240海里。運輸方案參照環評報告。運輸工具為5000t駁船，1HP的功率耗油可按150g計，燃油以柴油計。參考楊舉華等（2017）的研究，駁船發電機功率按3200HP計，平均航速為12節。因此，則單艘船舶每小時耗油量為480kg。設備總重量為45990.67t，運輸約需要一艘駁船往返10趟。參考Chen等（2011）的研究，柴油的GHG排放強度系數為0.45kgCO2-eq/kg。則產生的溫室氣體排放共計43200kg。

3、安裝階段

安裝階段風機底座和變壓器底座建設消耗大量的原材料，主要溫室氣體排放來源于風機底座和變壓器底座原材料生產與運輸。水泥和鋼生產的溫室氣體排放強度系數參照Chen等（2011）的研究，鋁生產的溫室氣體排放強度參照Gao 等 （2009）的研究。水泥密度以1.25g/cm3計。安裝階段原材料生產產生的溫室氣體排放如表3所示，共計31299.381t。

表3 安裝階段的底座材料生產的溫室氣體排放

鋼管柱和水泥為風機和升壓站底座的原材料。由于鋁的用料較少，其運輸產生的排放忽略不計。本文主要考慮水泥和鋼材的運輸。鋼材和水泥在項目周邊區域有較可靠的供應來源，運輸距離分布為每趟20海里和110海里。鋼的總重量約為80996.63t，水泥的總重量約為122664.425 t。參照環評報告，運用5000t級駁船進行運輸。鋼管柱需運輸17趟，水泥需運輸25趟。因此，安裝階段的鋼材水泥運輸產生的GHG排放共55.62 t。

4、運營維護階段

根據環評報告，風電場風機設計使用壽命為25年。風電場設計運行年限也為25年，因此本文參考戢時雨等（2016）的研究，假設運營維護階段沒有風機組件的替換，不考慮替換風機組件的生產和運輸產生的溫室氣體排放。

同時，由于風力屬于清潔能源，其相對于火力發電能有效減少溫室氣體排放。根據環評報告，風電場年上網電量約 72261 萬 kWh。假設自用電率為3.9%（戢時雨等，2016）。參照Chen等（2011）的研究，全國火電廠發電平均耗煤量為356.0g/kWh，我國煤炭低熱值為26.3MJ/kg，燃煤電廠的典型溫室氣體排放系數為0.22 kg CO2-eq/MJ，則風電場在運營階段每年少排放溫室氣體143.039萬噸。

5、回收處理階段

由于風電場的拆卸和處置數據難以獲得，本文參考（王曉天，2012）的研究，假設在整個回收處理階段的溫室氣體排放為生產時的10%，包含設備生產與底座原材料生產，因此回收處理階段產生溫室氣體排放11963.008 噸。

三、結果分析

海上風電系統各階段溫室氣體排放量如下表所示。假設運營維護階段沒有風機組件的替換，不考慮替換風機組件的生產和運輸產生的溫室氣體排放，相比火力發電，運營階段每年能少排放溫室氣體143.039萬噸，由于涉及相對凈減排量，故不在下表展示。

表4 各階段溫室氣體排放量

具體而言，海上風電系統溫室氣體排放主要排放源為風電機組設備的生產（67%），第二溫室氣體排放源為設備的底座材料生產（24%），第三為設備回收處理產生的溫室氣體排放（9%），設備和底座材料運輸產生的溫室氣體排放為最小構成部分，僅占0.075%。

圖2 海上風電系統GHG排放構成

四、結論

本文以國電象山海上風電場（一期）為例，運用生命周期分析法對海上風電系統的生命周期溫室氣體排放量進行核算，得到以下結論：

海上風電系統全生命周期溫室氣體排放量為13.169萬噸。與此同時，由于風電屬于清潔能源，相對于火力發電，其一定程度上減少了溫室氣體排放。與同等發電量的傳統燃煤電廠相比，運營階段海上風電系統每年少排放溫室氣體143.039萬噸。總體而言，其溫室氣體減排量大于排放量，產生了凈減排效應，是一種值得推廣的可再生能源發電模式。

溫室氣體排放主要源于設備和底座原材料的生產、運輸過程的溫室氣體排放，其中設備生產過程成為了溫室氣體排放的最大來源（67%）。因此，現階段在研發大直徑大功率海上風電機組設備的同時，也要通過技術升級采用更加節約能源、減少排放的制造工藝，在生產過程中考慮可能會帶來的環境影響，并予以優化處理。同時，通過合理的海上運輸工具選擇和路線規劃盡可能減少運輸過程中的溫室氣體排放。

海上風電系統與同等發電量的陸上風電系統生命周期溫室氣體排放存在一定差異。可能是由于海陸風機設備直徑功率差異（影響設備生產階段排放）、風機和變壓器底座構造差異（影響安裝階段排放）、運輸工具和距離差異（影響運輸階段排放），以及部分生命周期清單核算口徑差異造成的。進一步比較海陸風電系統生命周期各階段溫室氣體排放差異，是本研究未來需要繼續完善的方向。

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