分布式風電并網的全生命周期碳核算研究與分析

周瑋ZHOU Wei；潘峰PAN Feng；吳秀山WU Xiu-shan

（①國網浙江省電力有限公司龍游縣供電公司，龍游 324400；②浙江水利水電學院，杭州 310018）

0 引言

風能作為一種無污染、無枯竭的能源，具有廣闊的開發前景和巨大的經濟社會效益[1]。其中分布式風電是指在用戶側或配電網側就近利用風能資源建設的小型風力發電系統，通過并網或孤島方式為用戶提供電力服務。分布式風電具有就地消納、節省輸配電損耗、提高能源利用效率、改善供電可靠性等優點，是實現能源互聯網、構建清潔低碳、安全高效的能源體系的重要組成部分[2-3]。但分布式風電并網模式與集中式風電相比，在原材料開采和風機制造環節、運輸環節、運行維護環節及廢棄處理等環節存在一些差異[4]。

分布式風電并網的全生命周期碳核算可以評估風電作為清潔能源的環境效益，比較不同型號、不同地區、不同技術的風電系統的碳排放水平和碳減排潛力，為風電項目的選址、設計、運維和廢棄提供參考依據；且可以幫助風電企業和政府部門制定合理的碳達峰、碳中和目標和措施，優化資源配置，進一步增強風電產品的市場競爭力[5]。因此對分布式風電并網的全生命周期碳核算進行評估是當前研究的熱點之一。目前國內外學者與機構采用過程分析法[6]、輸入輸出法[7]和生命周期評價法等方法[8]，對風電的全生命周期碳核算進行了評估與研究，但是研究大多主要集中在單個風力發電場，利用過程生命周期評估建立詳細的材料清單，計算風力發電場生命周期內的碳排放量。本文以江蘇省揚州市某油田分布式風力發電項目為研究對象，采用過程分析法，對每個階段的直接和間接二氧化碳排放量進行量化，采用全生命周期評價法，構建了分布式風電并網模式的全生命周期碳核算模型，并基于實際數據進行了案例分析，給出了核算結果和結果分析，提出分布式風力發電并網的優化建議。

1 分布式風力發電碳核算系統邊界

本核算對象以江蘇省揚州市某油田分布式風力發電項目為參考對象，項目選用金風科技GW140-2.5MW 機組，并采取“自發自用，全額消納”的運營模式，年均發電量約508 萬千瓦時，年利用小時數2032.5h。全部接入江蘇油田油區電網，有效緩解本地區電網負荷調配壓力。系統邊界核算的系統邊界如圖1 所示，風機各種原材料的獲取與生產到退役后設備的回收與處置，構成了風力發電系統的邊界[9]。基于完整生命周期的預測，根據圖1 所示的碳核算系統邊界包含風力發電場的生命周期階段有：風機制造與生產運輸、風力發電場建設施工、運營與維護階段以及退役階段廢棄處理。每個階段中，都會消耗一定的能源和排放一定的二氧化碳。通過對四個階段的能源消耗值和二氧化碳排放值進行核算和累加，可以得到風機的全生命周期的碳排放[10]。

圖1 碳核算的系統邊界框圖

2 碳排放核算公式

2.1 風機生產與運輸

風機生產與運輸階段，總碳排放量定義為CEpt，碳核算模型公式如式（1）所示：

其中右邊第一項為生產階段的碳排放量，右邊第二項為運輸階段的碳排放量，式（1）中各參數的意義如表1 所示。

表1 風機生產與運輸階段總碳排放量模型參數及意義

2.2 建設施工階段

在風機建設施工階段，總碳排放量定義為CEcons，碳核算模型公式如式（2）所示：

其中右邊第一項為風機建設過程中所用材料的碳排放量，第二項為大型施工設備運輸過程的排碳量，第三項為建設過程中由于破壞植被導致的碳量變化，最后一項為現場施工過程中的直接排碳量，耗電及耗油部分的能耗計算由耗電量及耗油量與轉換系統的乘積就可得到。式（2）中各參數的意義如表2 所示。

表2 建設施工階段總碳排放量模型參數及意義

2.3 運營階段

在風機運行維護階段，總碳排放量定義為CEom，碳核算模型公式如式（3）所示：

其中右邊第一項CEo為運行階段的碳排放量，考慮到風機正常發電后，風機內各設備已處于正常運轉狀態，所有工作人員用電也由風電直接供電，故CEo設為0。式（3）右邊第二項為維護階段的碳排放量，其中的第一部分為維護階段更替零件的生產階段的碳排放，第二部分為零件運輸階段的碳排放量，第三部分為維護階段的檢修更換過程的碳排放量；式（3）右邊第三項為植被破壞帶來的植被碳匯變化。式（3）中各參數的意義如表3 所示。

表3 風機運行維護階段總碳排放量模型參數及意義

2.4 廢棄處置階段

在風機廢棄處理階段，總碳排放量定義為CEre-move，碳核算模型公式如式（4）所示：

其中右邊第一項為由于破壞植被導致的碳量變化，右邊第二項分為廢棄處置階段的拆卸回收過程的碳排放量，式（4）中各參數的意義如表4 所示。

3 核算過程

3.1 風機生產與運輸

分布式風力發電機的材料組成主要根據供應商提供的技術報告和運行手冊進行評估。轉換器及其部分附屬設備假設全由鋼結構構成。風機生產與運輸階段：風力發電主要機電設備的原材料一般包含銅、鋼、生鐵、鋁、玻璃纖維等，GW140-2.5MW 機組設備生產中碳排放量見表5。分布式風電的塔筒、機艙、葉片、輪轂、電氣柜、電纜線和變電設備等按照就近原則，選擇距離較近的制造廠家，全部使用大型平板車輛進行公路運輸。分布式風電運輸過程中運輸類型均為陸運（大型平板車）、排碳系數均為1111.81g/km，則運輸過程中的二氧化碳排放見表6。

表5 風機生產階段碳排放量

表6 分布式風機運輸階段排碳量

3.2 建設施工

分布式風機建設和運行的所有工程都包含在現場的建造作業中。按照建設施工中實際發生的工程量、所涉及的大型設備數量、所用相關材料等要素，計算建設施工過程的排碳量，計算結果為：材料相關排碳量為12.251tCO2、運輸相關排碳量為0.001tCO2、過程排碳量為5.451tCO2以及植被變化帶來的碳匯變化為0.041tCO2，合計為17.744tCO2。

該階段會破壞該風機建設地區的植被，導致原有的固碳效果消失，因此分布式風電的排碳量中應該計算碳匯損失，分布式風電施工階段會破壞約160m2的農田和約100m2草地，相比建設施工過程的排碳量，該部分可以忽略。

3.3 維護階段

根據廠商信息，所涉及的風機設計壽命為20 年。依據電力公司的運行和管理目錄要求：在經營方面需每2 周一次常規檢查，使用油車消耗約6522 公斤汽油；在日常運行和維護方面主要包括注入潤滑劑、檢查和更換零部件等，在平均使用周期內大約需要更換一個葉片和15%的發電機組件，其他的維護遵循行業內的國際通用方法。忽略此階段的運營階段排碳量情況霞，該階段的排碳量計算結果為：維護階段排碳量1.334tCO2、植被破壞匯碳量為2.357tCO2，合計3.691tCO2。

3.4 廢棄處置階段

考慮到該階段未實際發生，文獻也鮮有涉及，成熟與可供借鑒經驗缺乏；其次，拆卸廢棄工藝目前尚未有明確的流程定義，使得該階段評估具有很大的不確定性[11]，但從根據分析可以得出一些初步結論。當分布式風力發電系統報廢，考慮到90%的鋼和20%的葉片材料可回收利用，其它材料則被運輸和填埋，針對回收階段的運輸過程的排碳，參照運輸階段的公式核算，最后核算的拆卸、回收和填埋等過程的排碳量為2.512tCO2、植被恢復的碳匯變化為-0.041tCO2，兩項合計為2.471tCO2。

4 核算結果及減排分析

在對分布式風電進行全生命周期分析后，匯總前面核算結果從而得到表7。從表中可得，分布式風電全生命周期的排碳量主要集中在生產運輸階段，占總排放的94.04%。風機建設施工階段的排碳量占總排放的4.42%，主要來源于建設所用材料的生產和運輸，以及建設過程中的能源消耗。風機運行護階段的排碳量占總排放的0.92%，主要來源于植被破壞造成的碳排放。分布式風機廢棄處理階段的排碳量占總排放的0.62%，主要來源于拆卸、回收、填埋等過程中的能源消耗，以及植被恢復造成的碳匯變化。

表7 總排碳量匯總表

5 結論

本文基于風電碳排放的系統邊界研究，劃分了分布式風電全生命周期的各階段，針對劃分的各階段分別建立了碳排量核算模型，并對模型的組成部分和公式系數給出詳細的解釋。選取了我國一個典型分布式風電項目進行實例核算，并給出了核算結果。結果表明，分布式風電全生命周期的排碳量絕大部分集中在生產運輸和建設施工階段，運營維護和廢棄處理總和占比不到2%，這與化石燃料發電廠在運營階段產生大量碳排放形成了鮮明的對比。本文還考慮了風電場占用土地導致的植被變化所帶來的潛在碳排放和抵消效應，為分布式風力發電的建設規劃提供了一定的數據支持。