基于全生命周期的風電系統碳排放核算與分析

李新航

（北京天潤新能投資有限公司，北京 100029）

1 引言

新能源和可再生能源綠色低碳、環境友好，是世界各國應對能源危機和環境惡化的重要途徑，代表能源未來的發展方向。至2019 年年底，我國風電電量占到全社會總用電量的5.5%［1］，是繼煤電和水電之后的第三大電源。目前，國家已明確在2030 年前實現碳排放達峰，在2060 年前實現碳中和的總體目標。在此進程中，風電對于我國社會實現碳達峰、碳中和起著關鍵性作用。

本文基于全生命周期視角，對風電系統的碳排放進行研究。通過構建風力發電全生命周期的碳排放測算模型，以廣西某50 MW 風電項目為案例，系統、全面、定量地測算風電系統全生命周期中的碳足跡，并進行減排量計算，得出一個典型的風電場實現碳中和的時間期限（碳回收期），并分析影響碳排放水平的主要因素與實現減排的主要手段。

2 方法和數據

2.1 碳足跡計算方式

碳足跡是在一個生產系統中，基于生命周期評價（LCA）的方法對于主要溫室氣體的排放和吸收的集合，用以衡量人類活動對于環境的影響，本文利用二氧化碳（CO2）排放當量的形式來表征，即某個產品在其從原材料一直到生產（或提供服務）、使用、維護和處置/再生利用等所有階段的溫室氣體排放［2-4］。本研究基于LCA 方法，對風電全生命周期過程直接和間接排放的溫室氣體進行分析與量化，溫室氣體范疇包括CO2、氟利昂（HFCs）和六氟化硫（SF6）等［4-5］。

2.2 系統邊界

風電系統邊界是從風機各種原材料的獲取與生產直至退役期設備的回收與處置。系統邊界包含了風電場4 個生命階段，即風機生產與制造階段、風電場建設施工及設備運輸階段、運營維護階段、退役階段（從完整生命周期考慮，該階段為預估階段）［4，6］，見圖1。

圖1 風電場全生命周期碳排放核算系統邊界

2.3 研究對象與數據來源

核算對象為廣西某50 MW 風電場工程，共布置金風25 臺2.0 MW 風機，總裝機容量50 MW。場址大部分屬中低山地貌，場地內地面高程650～1 065 m，相對高差50～350 m，屬于山地丘陵風電場。風電場服役期為20 年，年利用小時數為2 160 h。工程永久征地總面積為0.28 km2，臨時征地總面積為0.21 km2。

本研究基于風機廠商提供的技術文件以及現場調研數據對風電場生命周期溫室氣體排放進行核算。主要材料碳排放因子來源于IPCC 報告、IPCC 國家溫室氣體排放清單指南、綠色奧運建筑研究課題組、ICE（Inventory of Carbon ＆ Energy）的溫室氣體排放因子數據庫（2019）［7］。

2.4 計算方法

2.4.1 風電機組及電氣設備生產與制造

基于風機主機廠家實際調研數據，對風電機組部件的主要材料構成進行分類，見表1。風電場設備構件生產過程中產生的碳排放量根據材料的碳排放系數和材料的消耗量進行計算。風電場退役時部分材料進行回收利用，所以在總的碳排放量中需減去生產回收的材料所產生的碳排放量［4，6］。

表1 風電場電氣設備材料構成 t

設備生產制造階段碳排放量為：

式中，E設備為生產制造階段碳排放量，tCO2e；Qi為第i種材料的消耗量，t；gi為第i 種材料的碳排放系數。

2.4.2 施工建設階段

施工建設階段的溫室氣體排放主要來源于工程建設材料消耗、施工機械運行的能源消耗等，建筑材料主要是砂石、混凝土和鋼筋。項目建設期會產生各類設備的運輸排放，運輸方式為汽運，根據每種材料的質量、運輸距離的乘積加和，進而計算運輸過程中的碳排放量。

風電場施工過程中，風機與變電設備占地、道路鋪設、集電線路和施工臨時占地都會改變原有的土地利用形式，造成地表植被破壞而產生碳匯損失，導致溫室氣體排放量增加［8］。根據計算，本項目由于風電場建設導致林地、農田、草地征占，并在建設完成后做植被恢復這一過程中引起的碳排放量為158 tCO2e。

建設施工階段的溫室氣體排放量為：

式中，E建設為建設階段碳排放量，tCO2e；mi為第i 種材料與設備的質量，t；di為運輸第i 種材料與設備的距離，km；ei為運輸車輛的排放系數；MCi為建設施工階段第i 種建筑材料的消耗量，t；gi為第i 種材料的碳排放系數；MEi為第i 種能源的消耗量，t；Ei為第i 種能源消耗的排放系數；ΔSi為施工階段工程用地中第i 種植被原占地的變化面積，m2；fbi為第i 種植被的單位固碳量。

2.4.3 生產運維階段

為維持風電場機械設備的運轉及工作人員的日常生活，需要消耗一部分電能，因部分用電來自電網而包含部分火電電量，此部分碳排放量根據風電場下網電量乘以電網的排放因子計算。在日常的運維活動中，檢修過程中涉及運輸排放。此外，此階段的溫室氣體排放還來源于運營期空調等含有的各類冷媒、CO2滅火器、電氣設備中SF6的逸散排放。

2.4.4 設備退役階段

退役階段的溫室氣體排放主要來源于風電場內設備與設施拆除過程中施工機械耗能以及廢棄物運輸過程中運輸耗能產生的影響，退役后部分材料進行填埋或焚燒產生的碳排放量。目前風電場的拆除與處置尚未實際發生，風電行業整體也尚未進入退役周期，因此本階段的測算是基于現有研究進行模糊假設。即保留風電場建設施工階段所建設的道路設施，拆除后的設備材料將會絕大部分進行資源化處置，玻璃纖維等高分子材料進行填埋或焚燒處置。

設備退役階段的溫室氣體排放量為：

式中，E處置為拆除處置階段碳排放量，tCO2e；E運輸，E填埋，E焚燒分別為各類材料運輸、填埋以及焚燒部分代表的溫室氣體排放量，tCO2e；金屬以及混凝土的衛生填埋不產生溫室氣體排放［9］。

2.4.5 風電場生命周期CO2排放量

風電場生命周期CO2排放量計算公式如下：

式中，E 為生命周期溫室氣體排放總量，tCO2e；E設備，E建設，E運維，E處置分別為設備生產制造階段、施工建設階段、運營與維護階段、拆除處置階段的溫室氣體排放量，tCO2e。

某風電場各階段溫室氣體排放量見表2。

表2 某風電場各階段溫室氣體排放量

3 碳回收期及碳排放不確定性分析

3.1 碳回收期

在運維階段，風電場上網電量因為理論上替代了該部分的火電電量，由此產生了碳減排量。根據風電在運營期內預估的上網電量可以計算出生命周期內的碳減排量，對比全生命周期的CO2排放量，可以計算出風電場的碳排放回收期。本項目在不考慮設備材料回收的前提下，碳排放回收期不足8 個月，約0.7 年；在考慮設備材料回收的前提下，碳排放回收期約6 個月，約0.5 年。根據20 年生命周期內預估的發電量，生命周期內碳減排量可達1.36×106tCO2e。

3.2 碳排放敏感性分析

由于LCA 碳排放核算過程的線性疊加關系，對比各種類別的排放量，風機制造以及建設階段各種材料的使用與消耗產生的碳排放所占比重最大，其中以鋼材、鑄鐵的碳排放量最大，其相關參數的變化對于CO2排放總量影響也最為敏感，其次為混凝土利用產生的排放。

在不考慮材料回收抵扣的碳排放時，鋼鐵消耗產生的碳排放對于總排放量的影響較為顯著，當參數變動10%時，對應結果變動5.98%；當考慮材料回收抵扣的碳排放時，混凝土消耗產生的碳排放對于總排放量的影響較為顯著，當參數變動10%時，對應結果變動3.81%。

3.3 局限性

風機設備的處置方式將顯著影響風電系統全生命周期的碳排放，該過程涉及LCA 方法中一個傳統問題就是分配問題［4］，即設備材料的回收處置而引發的碳排放量的分配。從碳足跡計算的模型來看，提升退役風機的材料、設備回收比例，將顯著降低風電系統全生命周期的碳排放。目前本項目尚未退役，風電行業還尚未進入大規模的退役期，對于風機退役的相關信息與數據很少，相關的研究可進一步深入。

4 分析與討論

通過風電系統碳足跡的計算，在其生命周期中碳排放主要來自于原材料獲取的過程。各類材料的碳排放系數與各類材料的開采、生產、制造環節的能耗水平，資源回收比例，可再生能源使用比例等息息相關［10］。這些行業通常都是高能耗的行業，因此降低各類材料的綜合能耗、提升廢料資源化比例并提升可再生能源使用比例，將會顯著降低風電系統生命周期內CO2排放總量，有助于下游相關產品實現碳中和。

本研究在計算時采用的各種材料的排放因子，體現的是世界范圍內各種材料生產與制造過程中的綜合水平，因此在生命周期中的各個階段采用低能耗、先進工藝生產的相關產品，也會有助于降低總體的碳排放水平。

本研究將由于土地利用類型的改變、植被變化導致的碳匯變化也納入了全生命周期碳排放計算過程。在考慮材料回收與不回收兩種情況下，其排放量占總體排放量的0.61%與0.68%，遠遠低于風力發電在運營期產生的碳減排量。但是由于地表植被還具有美化環境、保持水土、凈化空氣、固碳釋氧等功能，因此在風電建設過程中應努力減輕植被的破壞并積極地進行生態修復。

本研究在進行生命周期分析時考慮了電氣設備及其配套設施的生產及運輸排放以及建設施工階段主要建筑材料的生產及運輸排放、施工機械能源消耗、植被擾動產生的排放，運維過程中能耗排放、空調冷媒與SF6的逸散排放，退役設備處理處置過程產生的排放等，因此本研究對各類排放源識別較全面，風電場生命周期碳排放總量相對較高［11-14］。

5 結論

在風電場全生命周期碳排放計算中，風機材料生產和建設階段產生的碳排放所占比例均較大，退役期風機設備各類材料的回收處置對于碳排放量的影響十分顯著。在不考慮材料回收時，風機材料生產和施工建設階段產生的碳排放所占比例分別為63.39%與23.10%；考慮材料回收時，兩者占比分別為18.91%與51.17%。運維過程產生的碳排放占比較小，主要由下網電量產生。

按照本文的碳排放量模型計算，該風力發電系統在全生命周期中的碳回收期不考慮材料回收與考慮材料回收分別約為0.7 年、0.5 年，也就是說，該系統20 年的生命周期中，只需要很短的時間即可以實現碳中和，相對于傳統的化石能源電站具有很好的低碳效益。

通過計算及綜合分析可見，減少風電系統生命周期碳排放的三大有效途徑是：其一，提高原材料生產制造過程中可再生能源消費量占比；其二，提高高耗能行業能效水平；其三，大力發展循環經濟，提高廢棄物資源化的水平。