光伏電站項目全生命周期碳排放研究

焦在強，崔 垚，閆興國，張要玲，于 奇

（1.中電建新能源集團股份有限公司，北京 100101；2.中節能咨詢有限公司，北京 100082）

太陽能是一種清潔的可再生能源，“雙碳”戰略背景下，我國光伏發電產業發展迅速，2022年新增和累計裝機容量均為全球第一[1]。傳統研究多以末端清潔電力為視角，然而從行業全鏈條來看，生產、運輸、運行及回收處置等階段實際上都消耗化石能源并排放二氧化碳。全面系統地了解光伏發電項目碳排放逐漸引起國際關注。國內外學者已逐步開展相關研究，主要針對光伏組件，尤其是多晶硅生產。部分學者針對光伏電站開展探索，但由于光伏行業技術更新較快、電站資料可獲得性弱等原因，核算范圍邊界、與時俱進性等方面仍然有待探索。本研究擬采用全生命周期理論，依托案例翔實數據，對光伏電站從搖籃到墳墓的碳排放進行全面核算，為實現全產業鏈低碳化管理提供參考。

1 研究方法

1.1 系統邊界

根據新能源規劃，我國大型風電光伏基地建設布局是以沙漠、戈壁荒漠地區為重點，本文以西北某集中式光伏發電項目為例，開展相關研究。項目位于西北荒漠地區，總裝機容量為150 MW，占地面積為257.7 hm2，設計壽命為25年。研究范圍包括設備及建筑材料生產、運輸、建設施工、運行維護與廢棄物處理等方面。為實現全生命周期碳排放追溯，本研究所有原料消耗的碳排放核算都追溯到基礎礦產和一次能源開采環節。光伏發電項目全生命周期評價的系統邊界如圖1所示。

圖1 光伏發電項目全生命周期評價的系統邊界

1.2 全生命周期清單數據

光伏組件生產流程包括硅礦石開采、工業硅生產、多晶硅生產、單晶硅片生產、光伏電池板生產、光伏組件等六個環節。根據光伏組件及支架生產階段清單，投入硅礦石17 172.83 t、工業硅5 095.79 t、多晶硅4 109.51 t、硅片1 658.25 萬片、電24 086.66 萬kW·h、天然氣138.25 萬m3、玻璃與背膜757 萬t、鋁合金邊框30 萬套、螺紋鋼管1 706 t，產出為太陽能電池組件（總裝機容量150 MW）。電氣設備主要包括110 kV 升壓站機電設施、35 kV 箱式變壓器、逆變器以及電線/電纜和光纜/網線。根據電氣設備生產階段清單，110 kV 升壓站需要鋼63 t、硅鋼片63 t、鋁16.6 t、銅55.5 t；35 kV 箱式變壓器需要鋼304 t；逆變器需要鋼30.48 t；電線/電纜需求量為10 000 m，光纜/網線需求量為35 400 m。

建筑材料是指構筑物建設、道路鋪設以及其他基礎施工中使用的材料。根據建筑材料使用清單，構筑物包括綜合樓、配電室、二次設備室、集控室和綜合水泵房；基礎施工部分是指光伏支架、35 kV 箱式變壓器以及110 kV 升壓站安裝過程中涉及的水泥鋼筋使用。施工階段主要涉及施工機械、施工營地消耗的各類能源。根據施工階段能源消費清單，累計使用柴油15.015 t、電力22.93 萬kW·h。

運營維護階段主要包括耗水量與逆變器更新。根據運行維護階段清單，每年清洗用水量為6 萬t，生活用水量為292 t。逆變器設計壽命一般為10年，運營期間需要更換逆變器約2 次。廢棄物處理主要針對光伏電池組件，其中電池板是層壓結構，主要由電池片、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、玻璃和鋁邊框組成。鋁邊框可手動拆卸，處理期間可認為無碳排放；而EVA 粘結電池片和玻璃，需要使用特殊方法將其分離[2]，根據廢棄物處理階段清單，總用電量為109 萬kW·h[3]。光伏支架是螺紋鋼管，可直接回收利用。根據現有工業化回收技術，晶體硅光伏組件中80%可回收再利用，其中玻璃、鋁邊框和鋼鐵的回收率為100%，其他物質如塑料、電路板等視為危險廢物，其綜合利用率為45.4%。其他物質使用量較小，不列入核算范圍。

1.3 核算方法

全生命周期的數據清單來自供應商的產品信息、項目可研報告、驗收報告、施工及運營日志等。碳排放因子主要來自發布的《建筑碳排放計算標準》（GB/T 51366—2019）和《中國產品全生命周期溫室氣體排放系數集（2022）》[4-5]。光伏電站全生命周期的碳排放總量采用式（1）核算。

式中：C為光伏電站全生命周期的碳排放總量；P為生產運輸階段的碳排放總量；Q為施工建設階段的碳排放總量；A為運行維護階段的碳排放總量；W為廢棄物處理階段的碳排放總量；ME,i為各過程能耗量；Ei為各類能源碳排放因子；MR,i為各過程中使用資源i的量；Ri為資源i碳排放因子。

2 全生命周期碳排放評價

光伏電站全生命周期的總排放強度為0.26 kg/（kW·h）。其中，光伏組件及支架的生產階段排放、廢棄物回收利用是光伏發電碳排放的主要影響因素。光伏電站全生命周期碳排放強度分析如圖2所示。

圖2 光伏電站全生命周期碳排放強度分析

光伏組件及支架生產階段，多晶硅生產的碳排放最多，占整個光伏組件及支架生產階段碳排放總量的57.54%，其次為工業硅生產與光伏組件生產。光伏組件生產中，主要碳排放環節為鋁合金邊框生產階段。光伏組件及支架生產階段碳排放強度分析如圖3所示。

圖3 光伏組件及支架生產階段碳排放強度分析

3 結論

光伏發電全生命周期碳排放強度為火力發電（0.93 kg/kW·h）的27.96%，為生態環境部發布的2022年度全國電網平均發電碳排放強度（0.570 3 kg/kW·h）的45.59%，碳減排效益明顯。多晶硅生產的碳排放量最大，改良多晶硅生產工藝、清潔能源替代與精準過程控制是實現降碳的重點。工業硅冶煉階段，受冶煉工藝的影響，能源消耗與碳排放較大，這是節能降碳的重點關注部分。在用料較多的金屬材料方面，如鋁合金邊框與光伏支架，選擇更節能環保的材料替代是重要減碳途徑。光伏發電行業出現時間較晚，大部分項目未退役，光伏電池回收僅限于理論與試驗階段。因此，未來應加強光伏電池回收的應用研究，找出更加節能、環保、高回收率的處理方式。