碳纖維復合材料風電葉片全生命周期內的碳排放分析

劉 瑾，張 明，張淑斌,2

(1.江蘇恒神股份有限公司，江蘇 丹陽 212314； 2.哈爾濱工業大學化工與化學學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

當前，全球范圍內應對氣候變化的壓力日趨增大。為了降低以二氧化碳(CO2)為主的溫室氣體排放總量，作為全球 CO2排放總量最多的國家之一，我國將力爭在2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和，并出臺了相應的具體政策來實現上述目標[1]。

碳纖維及其復合材料制品具有輕質、高強的特點，是實現部件、設備、系統輕量化的理想材料，是國家大力推動的重點發展領域[2]。近年來，碳纖維在風電領域的用量快速增加，已經成為改變國內碳纖維市場供需關系的關鍵因素。碳纖維的生產制備過程需要消耗大量的電能，隨著地方政府雙碳政策的逐步制定和落實，碳纖維生產企業面臨著越來越大的雙控壓力。

全生命周期分析(LCA)是一種對產品、工藝或活動的全過程包括原材料開采、產品生產、運輸、使用、廢棄物處理所消耗的資源及污染物排放造成的潛在環境影響等進行量化的系統分析方法[3]。標準化的LCA方法被廣泛應用于清潔生產評估、產品設計和優化、政策制定等領域。

碳纖維通常與樹脂等基體復合制備成各種部件后才能得到應用。因此，單獨考察碳纖維生產過程中的碳排放是不全面的，必須對其整個生命周期內的碳排放情況進行綜合考慮，才能得到相對客觀的結論。作者以碳纖維增強復合材料(CFRP)風電葉片為例，應用LCA方法分析了其在全生命周期各個過程中的碳排放情況，對材料制備和運行兩個過程進行了重點考察和分析。

1 CFRP風電葉片的生命周期過程

LCA框架包括目標和范圍的確定、清單分析、影響評價和結果解釋，4部分各自的作用與彼此聯系如圖1所示[4]。

圖1 LCA方法框架示意Fig.1 Framework of LCA method

LCA方法概念清晰簡單，但是將其用于碳纖維領域卻存在不少困難，如系統邊界的界定、準確數據的獲得、結果的評估等。根據LCA框架，CFRP風電葉片的生命周期過程從材料制備到報廢分為4個主要階段，如圖2所示。

圖2 CFRP風電葉片的生命周期過程Fig.2 Life cycles of CFRP wind turbine blade

(1)材料制備階段。聚丙烯腈(PAN)原絲經過預氧化、碳化、表面處理和上漿后得到碳纖維，碳纖維與環氧樹脂經過拉擠成型制備成拉擠碳板。

(2)運輸組裝階段。拉擠碳板與其他必要的原料組裝成為葉片，葉片經運輸至風電場后組裝為風機。

(3)運行使用階段。風機旋轉持續輸出電能。

(4)報廢階段。超出服役期的風機按照一定的報廢程序進行報廢處理或者回收再利用。

通過對各個階段的能量消耗與碳排放情況進行系統考察，可以對CFRP風電葉片的潛在減排效果提供系統視角和全局評價。

2 CFRP風電葉片生命周期內的碳排放分析

2.1 碳纖維生產過程中的碳排放

碳纖維是指碳質量分數不低于92%的纖維材料，市場上常見的PAN基碳纖維是以PAN原絲為原料，經過預氧化、碳化、表面處理和上漿等過程后得到[5]。由于流程長、邊界模糊及工藝差別等因素，準確地對碳纖維生產過程中消耗的能量及碳排放量進行測算是一項復雜而困難的工程。最近，日本帝人集團宣布要對其生產的碳纖維產品的碳足跡進行準確測算，這在碳纖維生產領域尚屬首次[6]。

由于不同供應商生產工藝的差別，以及碳纖維本身有眾多的型號，其性能、包裝形式等各有不同，因而在以往的文獻中，以單位質量碳纖維產品消耗的能量測算的碳纖維能量消耗強度差別較大。表1顯示了不同數據來源的碳纖維能量消耗強度和CO2當量排放量的情況。碳纖維的能量消耗強度在286～500 MJ/kg，CO2當量排放量在20～30 kg/kg。能量消耗強度越大，CO2當量排放量就越大，兩者之間正相關。

表1 碳纖維的能量消耗強度和CO2當量排放量Tab.1 Energy consumption intensity and CO2equivalent emission of carbon fiber

2.2 CFRP葉片生產過程中的碳排放

碳纖維與環氧樹脂經過拉擠制成拉擠碳板。環氧樹脂的能量消耗強度為76～80 MJ/kg[12]，拉擠碳板成型過程中的能量消耗強度為3.1 MJ/kg[7-9]， 按照碳纖維質量分數60%計算，則可知拉擠碳板的能量消耗強度為206～332 MJ/kg。拉擠碳板經過運輸、組裝成葉片后，最后組裝為風電機組。運輸組裝過程的能量消耗強度與制備過程相比，可以忽略不記[9]。

進入報廢階段的CFRP葉片，如果采用填埋法進行處理，則其能量消耗僅為1～2 MJ/kg，CO2當量排放量為0.14 kg/kg[13]。

2.3 CFRP葉片運行過程中的減排效果

考察CFRP葉片運行過程中的減排效果，需比較風電與傳統發電方法的減排量，以及使用碳纖維和玻璃纖維時的減排情況。這是因為在風電領域，碳纖維與玻璃纖維屬于競爭關系，兩者均可以作為增強材料用于風電葉片的制造。

與玻璃纖維增強復合材料(GFRP)相比，CFRP更加適合應用于超大型風電葉片，根據美國能源部的統計，隨著葉片長度的增加，使用CFRP的比例明顯增加，50 m以下的傳統葉片中，CFRP的使用比例為9%，而長度超過70 m的大型和超大型葉片中，CFRP的使用比例超過55%[14]。

在相同的纖維含量下，CFRP制備的葉片長度要遠大于GFRP葉片，例如，當纖維體積分數為60%時，GFRP葉片可以做到約40 m，而CFRP葉片則可以做到75～80 m。風機功率與葉片長度的平方成正比相關，兩者之間的關系滿足式(1)[15]。

P=1.196 3L2+ 9.944 8L- 117.03

(1)

式中：P為風機功率；L為葉片長度。

考慮其他因素綜合計算，CFRP葉片每度電的CO2排放量比GFRP要減少20%～30%[16]。

風力發電被視為清潔能源，是由于與傳統火力發電方式相比，生產過程中的碳排放量大幅減少。火力發電的CO2排放量一般在720.0～975.3 g/(kW·h)[15-16]，而風電的CO2排放量則在5～46 g/(kW·h)[16-20]。文獻數據雖然在一定程度上有所差異，但是整體來看風電相對于火力發電的碳排放量要小兩個數量級。

以3 MW的風電機組為例，其實際輸出功率以1 MW計算，每臺使用CFRP約3 t，若使用GFRP則約6 t，服役期限為20年，計算CFRP、GFRP葉片在制造過程中的CO2排放量和總減排量，結果見表2。

表2 CFRP和GFRP葉片的減排效果Tab. 2 Carbon emission reduction of CFRP and GFRP wind turbine blade

從表2可知：對于3 MW的風電機組，與火電相比，在其服役期內可以實現不低于150 kt的CO2減排量，遠遠超出材料制備過程中CO2排放量；使用CFRP葉片與使用GFRP葉片相比，CO2總減排量超出1 kt。當用于更大功率的風電機組時，使用CFRP葉片的CO2減排效果更加顯著。

3 結論

a.根據LCA框架，CFRP風電葉片的生命周期過程從材料制備到報廢分為4個主要階段即材料制備、運輸組裝、運行使用、報廢。

b.碳纖維制備過程中，能量消耗強度為286～500 MJ/kg，CO2當量排放量在20～30 kg/kg，兩者之間正相關。

c.3 MW風電機組的CFRP葉片在20年的服役期內，與火電相比，能夠實現CO2減排不低于150 kt。與GRRP相比，使用CFRP能夠減輕葉片質量，大幅增加葉片長度，提高輸出功率，每度電的CO2排放量減少20%～30%。

d.從全生命周期考慮，使用CFRP具有非常突出的減排效果。