基于全生命周期的陸上風電場項目碳足跡核算與分析

閆興國 楊芳 焦在強

1 中電建新能源集團股份有限公司 2 中節能咨詢有限公司

碳足跡是衡量產品全生命周期碳排放的重要指標，在國際上備受關注。如歐盟針對出口到歐盟的汽車零部件、整車設立碳足跡限值法規，電力行業也將面臨碳足跡考量。2023 年5 月，歐盟通過立法對包括電力在內的6 大門類多種產品征收碳關稅，并于2026年正式實施。同時，美國、加拿大等國也在推進本國的碳邊境調節稅。作為世界第一的風電大國，我國風電裝機容量2022 年達到3.65 億kW，裝機規模居世界第一,因此風電開發項目碳足跡研究迫在眉睫。本文選取典型案例分析研究，采用全生命周期評價方法（LCA），開展風電場碳足跡核算，以期為風電開發行業低碳化發展提供參考。

1 研究方法

1.1 研究對象

本文選取西北戈壁地區風電場項目為研究對象，開展全生命周期的碳足跡分析。風電場總裝機規模為200MW，雙饋式風力發電機，單機規模為2.5MW，年理論發電量429.06GWh，設計運行年限25a。

1.2 系統邊界

基于LCA 理論基礎，研究范圍從“搖籃”到“墳墓”，即風電場全生命周期系統邊界包括生產與制造、運輸、建設施工、運營與維護、廢棄處置5 個階段，詳見圖1。

1.3 核算過程

采取現場調研與文獻調研相結合的方式獲取數據。碳排放因子參數來自中國產品全生命周期溫室氣體排放系數庫、建筑碳排放計算標準以及行業市場均值，核算見式（1）。

1.3.1 生產與制造階段

生產與制造階段碳排放主要來自風電場設備上游生產，包括從原材料獲取到設備成品的全過程，主要為風電場設備（風電機組、箱變、輸電系統）、升壓站設備、控制設備、其他設備（暖通、照明系統等）及施工建筑材料。風電場設備零部件及建筑材料原材料占比見圖2。

圖2 風電場設備零部件及建筑材料原材料占比

1.3.2 運輸階段

運輸方式均采用公路運輸，其中設備構件運輸距離以設備供應商與風電場距離估算；建筑材料運輸距離以200km 計。本階段將日常運維運輸、廢棄處置設備、材料運輸過程也一并納入核算。運維材料運輸距離以96 km 計；廢棄處置距離以200km 計。風電場運輸階段的核算單元見圖3。

1.3.3 施工建設階段

施工建設階段碳排放主要來源為設備安裝和施工過程各機械設備的運行使用能耗，包括柴油、潤滑油、電力等。

1.3.4 運營與維護階段

運營與維護階段主要包括風電設備部件更換消耗；風電機組設備、輸變電系統設備運轉和員工生活的能耗；設備檢修維護使用潤滑油以及巡檢車輛用油等過程能耗。

1.3.5 廢棄處置階段

通常廢棄處置方式包括回收、焚燒、填埋3 種，但國內風電行業廢棄處理尚未成規模。風電場退役大量的材料都可回收利用，據調研，風機艙罩、塔筒原材料90%左右的銅、鋼具有成熟的回收體系，風機葉片的玻璃纖維國內已有采用破碎鋪路的方式回收。文中將葉片回收比例設置為95%、建筑材料以混凝土為主，采用100%填埋；將水泥采用90%比例回收。

2 結果與分析

2.1 碳足跡分析

核算結果顯示，風電場碳足跡為42.24g/kWh，以生產制造階段最高，占比59.45%，其次是運維階段為31.68%，施工建設階段相對較低為5.54%，詳見圖4。

2.1.1 生產制造階段

在生產制造階段，風電機組設備生產制造碳足跡占比43.61%，其中塔筒最高占30.29%；其次是建筑材料占比達10.51%，主要是混凝土和鋼筋材料的生產碳排放，比例為6.06%、3.39%。

2.1.2 運維階段

在運維階段，電力使用的碳排放最高占比31.57%。風電場的運營用電主要包括站用電消耗、風電場場損電量、送出線路消耗3 部分。以風電場場損電量為主，具體包括35kV集電線路、發電機組、機組配套的箱式變電站、110kV 主變等用電。因此，機組設備、輸變電系統設備（變壓器、輸電線路）的節能對運營階段碳排放降低很重要。

2.1.3 廢棄處置階段

在廢棄處置階段，回收利用部分碳足跡為負值，貢獻了-5.11%，其他材料填埋碳足跡貢獻為6.06%。

2.2 與文獻結果的比較

由于系統邊界范圍、設備型號、發電效率等因素的不同，因此碳足跡核算結果存在一定差異。與其他研究結果相比，本研究碳足跡核算結果偏大，可能與本文系統邊界拓展有關，較傳統研究，覆蓋了運營階段電力等資源使用，生產制造階段增加了電站升壓、配電設備、集輸線路以及建筑材料。 風電場（含風機產品）LCA 碳足跡研究結果比較見表1。總體而言，本研究碳足跡處于IPCC 推薦的范圍（2 ～81g/kWh）。

表1 風電場（含風機產品）LCA 碳足跡研究結果比較

2.3 敏感性分析

2.3.1 影響因素分析

風電場生命周期碳足跡影響因素分為直接和間接因素。直接影響因素包括風機質量、使用年限、運維能耗、發電量等，風機生產與制造階段的碳足跡貢獻最高、影響最大，風電場發電量和運營年限反向影響風電場碳足跡，而運維階段資源消耗是第二大影響因素。間接影響因素包括原材料碳排放因子、風機型號、風速、輸配電系統工藝、設備運維方式等因素，且材料回收也對其生命周期碳足跡有一定影響。

2.3.2 影響因素的敏感性分析

風機質量是主要影響因素，主要部件為塔筒、葉片、齒輪箱。敏感性分析發現，將風機質量減輕10%，碳足跡相應減少10%。由于廢棄回收也是影響風機碳足跡的關鍵因素，因此風機設備的回收比例從100%降至50%，其碳足跡會增加18%。同時，原材料碳排放因子也是重要因素，當前風機設備原材料的碳排放因子基本是采用文獻調研或行業均值，沒有統一的參數數據庫，本研究中塔筒、齒輪箱等關鍵設備，若不考慮材料差異，均按普通碳鋼計，則風機生產階段碳足跡將降低68.39%。

此外，風電場退役后設備及建筑材料的處置對風電場碳足跡的影響，體現在處置方式與回收利用程度。本文將原有的廢棄處置方式改為直接填埋或原有回收利用的比例降低5%，2 種情景下廢棄處置階段碳足跡比例分別提高至10.13%、1.22%，因此設備與建筑材料的可回收利用對碳足跡的影響也不能忽略。

3 結語

風電場低碳途徑可從上游設備生產設計與制造、中游能源節約與清潔化以及下游材料回收利用協同發力。未來，在國際碳關稅等綠色貿易壁壘下，風機制造面臨低碳轉型，設備大型化、輕質化以及原材料低碳化是發展趨勢。如，葉片制造方面，生物質材料具有可再生、利于分解和回收等特點，是原材料替代的重要方向。塔筒質量占到風機總重的1/2 左右，成本占15%左右。據瑞典研究機構RISE 研究發現，與傳統鋼制塔筒相比，在高度和載重相同的條件下，木質塔筒的碳排放量可降低90%以上。風電場退役回收利用方面，國家能源局印發的《風電場改造升級和退役管理辦法》（國能發新能規〔2023〕45 號）提出推動退役風電相關技術標準制定、鼓勵風電循環利用業態研究，為加快健全風電場退役項目廢舊物資回收利用體系指明了方向。

風電運營階段可通過節能降耗、綠電綠證交易實現降碳。運營階段碳足跡占全生命周期比例達31.52%，主要來自風電場內輸變電系統設備和風機機組設備自用電。據遠景科技集團報告，其運營期采購的電力與熱力，通過能效提升、可再生能源電力開發、綠電交易以及綠證采購等手段，減少全年運營碳排放39%。未來，風電企業運營期可考慮通過減少變壓器設備電能損耗來降低輸電線路損耗，借助綠電、綠證交易等手段降低電耗碳排放。

回收處理標準、核算方法學的完善和排放因子數據庫的更新，將助力風電行業企業更精準地識別碳排放量與減排潛力。由于研究范圍、風機型號不同以及研究對象上下游溯源數據的可獲得性往往會帶來結果差異，因而統一方法邊界對規范碳足跡核算至關重要。同時，目前風電項目回收處理行業尚不成熟，而我國風電行業將在2025年迎來第一批大規模退役，亟需國家層面制定相關回收處理標準與核算方法學。此外，風電行業排放因子數據庫的更新與規范，將有利于更精準地反映企業碳排放的實際水平。