中國省級火電供應生命周期清單分析

丁 寧,楊建新, 呂 彬

中國科學院生態環境研究中心, 城市與區域生態國家重點室, 北京 100085

中國省級火電供應生命周期清單分析

丁 寧,楊建新*, 呂 彬

中國科學院生態環境研究中心, 城市與區域生態國家重點室, 北京 100085

應用生命周期評價方法,建立了我國各省區的火電供應生命周期清單。清單分析結果表明,我國各省區單位火電供應的生命周期清單之間,及與全國單位火電供應的生命周期清單之間均存在一定差異,以總能源投入和全球變暖潛值為例進行了分析。在全球變暖潛值方面,我國單位火電供應的平均值為1.05kg/kWh。云南等15個省區的單位火電全球變暖潛值與全國平均水平相差±10%以上。如果基于全國單位火電供應的平均全球變暖潛值計算各省火電總量全球變暖潛值,與基于各省單位火電全球變暖潛值計算的結果相比,也存在一定的差距。15個省區與基于全國平均值計算的結果相差±10%以上,表明了核算各省區火電清單的必要性。中國省級火電供應生命周期清單為省區級別的材料、產品、產業等生命周期評價提供數據支撐,也為各省區電力節能減排提供了理論基礎。

火電；生命周期評價；生命周期清單；全球變暖潛值

電力生產是資源耗竭和環境污染的重點行業[1]。我國以煤為主的能源結構決定了火電在我國長期占據主導地位。2013年,我國火力發電量占總發電量的78.6%,并且大陸31個省、自治區、直轄市中20個省區火力發電比例達到了70% 以上[2]。火電是消耗化石能源的主要領域,2012年,火力發電消耗煤炭178531萬噸,占全國煤炭消耗總量的50.6%。電力行業也是我國污染物減排的關鍵領域,電力行業的二氧化硫排放量占全國排放量的比例為47%,煙塵排放量占全國排放量的21%[3]。

生命周期評價是國際通用并認可的環境影響評價工具,是一種客觀評價產品、工藝過程或活動環境負荷的方法。該方法通過識別和量化所有物質和能量的使用以及環境排放,來評價由此造成的環境影響,評估和實施相應的改善環境表現的機會。生命周期評價包括產品、過程或活動從原材料獲取和加工、生產、運輸、銷售、使用、再循環到最終處置的各個階段[4]。

國內外許多學者對電力進行了生命周期評價研究。這些研究主要在國家尺度展開,如日本[5],葡萄牙[6],毛里求斯[7],丹麥[8]等學者利用生命周期評價方法,計算了本國電力供應的溫室效應、不可再生資源耗竭等環境影響。另有學者以節能減排為目標,評價了不同發電方式的減排潛力[9- 13],以及評價了不同發電技術的環境影響[14],為節能減排提供技術支撐。

近年來,一些學者對我國電力進行了生命周期評價。在國家尺度,狄向華等[15]利用生命周期評價方法,建立了2005年我國火力發電生命周期清單,揭示了我國單位火電的燃料消耗與污染物排放。Ou等人[16]對我國煤炭發電、原油發電和天然氣發電進行了生命周期能耗和溫室氣體排放進行了評價。Liang等人[17]對我國清潔煤發電技術進行了評估,分析了超臨界發電技術、整體煤氣化聯合循環發電等技術的減排潛力。在區域尺度,候萍等[18]以我國電網為基本區域單位,計算了華北電網,東北電網,華東電網等七大電網單位售電碳排放因子。還有一些學者對我國火電供應的全國平均碳排放進行了研究[19]。

這些研究從全國平均水平,解析了我國火力發電的生命周期碳排放。但是我國省區電力生產由于裝機容量、技術水平、發電投入能源結構不同,在環境排放方面存在差異,所以非常有必要對各個省區火電供應進行生命周期評價研究。從生命周期方法的發展方向看,清單數據庫的本地化是一個重要的研究方向。

基于我國省級層次的火電供應生命周期評價,能夠明確我國省區火力發電的環境負荷,為火電行業節能減排提供依據,為省區的電力環境管理提供支撐,為下游的材料、產品等生命周期評價提供基礎數據。

1 方法與數據

1.1 目的與范圍的確定

開展省區火電供應生命周期清單分析旨在量化我國各省區的火電供應生命周期環境影響,提供省區水平的生命周期評價基礎數據,為其它產品開展生命周期評價提供更加精準的數據。

本研究系統邊界包括火力發電及配送過程以及上游能源的供應,不包括發電設備及電廠等基礎設施建設(圖1)。電力供應的生命周期清單計算,考慮了電力輸送過程中的損耗。電力生命周期評價的功能單位確定為1kWh火電供應。

本研究基于生產端的生命周期評價,不涉及跨省調用。本文考慮配送過程,只是為了突出輸電損耗,以及在損耗基礎上增加的發電端的投入。由于缺乏西藏的火電統計數據,所以本研究包括除西藏之外的大陸30個省、自治區及直轄市。

1.2 生命周期清單計算方法

火力發電的生命周期清單包括兩部分,直接部分和間接部分。在火力發電廠的能源投入及污染物排放屬于直接部分。輸入端投入能源的生命周期清單屬于間接部分。計算公式如下：

式中,Input 表示清單輸入端；Output表示清單輸出端；DIj表示第j類能源的直接投入；IIj表示第j類能源的間接投入；DOj表示第j類污染物的直接排放；IOj表示第j類污染物的間接排放。

1.3 數據來源

本研究涉及的數據,主要來源于能源統計年鑒中的各省市及全國火力發電平衡表[20]。由于可獲得數據的局限性,未考慮不同省區使用能源(煤炭)種類差異。研究所涉及到的能源燃燒排放因子均采用本土化的統一數據,來自于文獻[21]。上游的原材料、能源等基礎數據則來源于生命周期評價數據庫RCEES2012(中國科學院生態環境研究中心開發)。

1.4 模型建立

本文在數據收集和處理的基礎上,在生命周期評價專業軟件SimaPro7.3中建立火電生命周期評價模型。此模型包括輸入端和輸出端兩部分。輸入端主要包括各類能源的直接投入以及這些能源生產所需的間接投入。輸出端包括發電過程能源燃燒產生的排放以及投入的能源生產過程的間接排放。

2 生命周期清單分析

通過數據收集、處理,建立了不同省區火力發電生命周期清單。不同省區的火電清單輸入端如表1所示。火力發電是大氣污染物排放的主要來源,所以本文選取關注度較高的幾類主要大氣污染物進行研究,如表2所示。

2.1 各省區單位火電供應生命周期能耗分析

為了對比不同省區火力發電能源消耗的差異,利用平均低位發熱量因子[19],對單位電力供應的生命周期總能耗進行計算。我國單位火電供應的平均能源投入為13.05MJ/kWh。根據各省單位火電供應能耗及與我國火電供應平均生命周期能耗的差距,將我國省區分為五類,如圖2所示。我國各省單位火電供應的能耗相差懸殊,分布在8—24MJ/kWh。云南等四個省區單位火電供應的能耗大于18MJ/kWh,比國家平均水平高出40%—80%；吉林等7個省區能耗在14 —18 MJ/kWh之間,比國家平均水平高出5%—40%；新疆等10個省區能耗在13—14MJ/kWh,比國家平均水平高出0%—5%；貴州等4個省區能耗在11—13MJ/kWh,低于國家平均水平0%—10%；廣東等4個省區能耗在8—11MJ/kWh,低于國家平均水平10%—35%。能耗最大和最小的省區分別為云南省和北京市,分別為8.7MJ/kWh和24.7MJ/kWh。

2.2 各省區單位火電供應生命周期全球變暖潛值分析

在污染物輸出端,不同省區火力發電的主要污染物排放也存在一定差距。本文選取溫室氣體CO2,CH4,N2O為例進行分析,按照IPCC的全球變暖潛值計算方法折算二氧化碳當量,CH4和N2O的當量因子分別為25和298[22]。圖2 所示為各省區的單位火電供應全球變暖潛值(本省因子)。我國單位火電供應的平均全球變暖潛值為1.05kg CO2-eq./kWh(全國因子)。根據本省因子的大小及與全國因子的差距,將我國省區分為五類。云南等3個省區的各省因子在1.5—2.0 kg CO2-eq./kWh之間,比全國因子高出30%—46%；內蒙古等7個省區各省因子在1.2—1.5 kg CO2-eq./kWh之間,比全國因子高出10%—30%；青海等8個省區各省因子在1.05—1.2 kg CO2-eq./kWh之間,比全國因子高出0%—10%；寧夏等七個省區各省因子在0.95—1.05 kg CO2-eq./kWh之間,低于全國因子0%—10%；廣東等5個省區各省因子在0.66-0.95 kg CO2-eq./kWh之間,低于全國因子10%—59%。

表1 我國各省區單位火力發電能源輸入

表2 我國各省區單位火電供應主要污染物排放清單

圖2 我國各省區單位火電供應生命周期能耗Fig.2 The life cycle energy consumption of 1kWh thermal electricity supply差距為各省單位火電供應生命周期能耗與全國平均水平的差異,計算公式為(E省-E國)/ E省

1kWh火電供應的全球變暖潛值最大和最小的省區和能耗對應,依然是云南和北京,分別為1.9kg CO2-eq./kWh和0.66kg CO2-eq./kWh。全球變暖潛值的差異除了與投入端能源投入多少有關以外,與發電投入能源結構緊密相連。例如：單位火電供應北京與上海對比,初始能源投入北京比上海高3%左右,而全球變暖潛值,北京卻比上海低12%左右,這是因為北京火電能源投入中天然氣占到了37%的份額,這表明增加天然氣火電廠的比例可以降低溫室氣體排放。

圖3 我國各省區單位火電供應生命周期全球變暖潛值Fig.3 The life cycle Global Warm Potential of 1kWh thermal electricity supply差距為各省單位火電供應全球變暖潛值與全國單位火電供應平均全球變暖潛值之間的差異,計算公式為(G省-G國)/ G省

2.3 各省區火電總量生命周期全球變暖潛值分析

在各省區單位火電供應的全球變暖潛值的基礎上,本文計算了各省區由發電總量引起的全球變暖潛值(總量潛值)。將本省因子與本省的火力發電量相乘得到各省總量潛值G1,圖4為我國各省區值的G1值。總量潛值是各省因子及火電總量兩個因素共同作用的結果。總量潛值最高的為山東省,最低的為北京。山東是我國第二大火力發電省,占全國火電總量的8.3%；而本省因子又高于全國因子6%,所以山東成為總量潛值最高的省區。北京市火電量在我國各省區中排倒數第四位,本省因子又是全國最小的,所以成為總量潛值最小的省區。

圖4 我國各省區火電總量全球變暖潛質Fig.4 The GHG of total thermal power in provinces

將全國因子與某個省區火電總量相乘為G2,將(G2-G1)/G1設為Q,即為用全國因子計算本省總量潛值的誤差。圖5所示為我國不同省區的Q值,在坐標軸以上為大于基于本省因子計算的總量潛值的百分比,坐標軸以下為小于本省因子計算結果的百分比。結果顯示,誤差在20%—59%的省區共4個；誤差在0%—20%的省份有8個；誤差在-10%—0%的省份有9個,誤差在-10%—30%的省份有6個,誤差在-46%—-30%的省份有3個。將各省的總量潛值加和得到全國的總量潛值。對于全國的總量潛值而言,基于全國因子計算比基于本省因子計算少4.5億tCO2-eq。

圖5 基于全國單位火電全球變暖潛值及各省區單位火電全球變暖潛值的各省區火力發電溫室效應對比Fig.5 The comparative analysis of Global warm potential

北京、湖南等省區差距達到了57%,-39%等,這意味著如果按照全國火電平均因子核算北京市由火電引起的全球變暖潛值,將比實際情況高出57%,而湖南省則會比實際情況少39%。這表明基于全國平均因子計算各省區總量潛值會引起一定的誤差,如果以全國火電平均因子來計算基于各省區的材料、產品以及行業的全球變暖潛值將會有更大的誤差。所以建立我國省區級別的火力發電生命周期清單非常有必要。

3 討論

本研究的數據主要來源于《中國能源統計年鑒》。《中國能源統計年鑒》是一部全面反映中國能源建設、生產、消費、供需平衡的權威性資料書。統計數據主要來源于國家統計局年度統計報表,也就是來自于各能源生產企業的報表。數據全面考慮了不同火電廠的不同裝機容量、發電技術水平、能源投入結構等,所以本研究結果能夠反映我國各省火力發電的平均水平。

生命周期評價研究的開展需要大量的基礎數據。作為經濟發展和人民生活的基礎,電力的生命周期評價數據是必不可少的基礎數據。近年來,隨著研究的不斷細化,生命周期評價也向本地化發展,例如北京市電動車生命周期環境影響評價研究,需要北京市電力生命周期評價數據。以溫室氣體排放為例,全國供應1 kWh火電比北京市高出58%。所以只有區域化的生命周期評價數據才能支撐相關研究的發展。目前,我國電力結構中火電占主導地位,大部分省區也以火電為主。19個省的火電量占總發電量的80%以上,所以本文建立了火電生命周期清單。隨著新能源技術的發展和推廣,風電、水電、太陽能發電等必將占到一定比例,所以在未來的研究中必須考慮風電、水電等新清潔能源發電技術的省區生命周期評價,進一步完善電力的省區生命周期評價研究。

4 結論

本研究所建立的省區電力生命周期清單分析結果表明,在單位火電供應的能源投入、污染物排放方面,我國不同省區之間,及不同省區與全國平均水平之間均存在一定差距。對于單位火電供應的全球變暖潛值和火電總量的全球變暖潛值,均有15個省區與全國水平相差±10%以上,所以建立各省區的火電清單非常必要。該生命周期清單為我國進一步開展產品本地化生命周期評價提供了數據支撐,也為各省區電力節能減排提供了理論基礎。

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Life cycle inventory analysis of provincial thermal electricity in China

DING Ning， YANG Jianxin*, LU Bin

StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchcenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China

Based on the life cycle assessment method, this paper developed the life cycle inventory of thermal electricity at provincial level in China. In this study, the data source and accounting method for thermal electricity were described in consideration of varies of primary energy and conversion technologies at each province. The inventory results indicated that, there are large differences between the provinces in context of energy requirements and Global Warming Potential (GWP) for production of 1 kWh thermal power. Averagely, 1.05 kg CO2-eq.of GWP was produced to provide 1kWh thermal electricity. The GWP values in 15 provinces were higher or lower more than ±10% compared with the national average level. GWP is nearly entirely caused by thermal power the discrepancies are more than ±10% in 15 provinces between based on the national average GWP and provincial GWP. This discrepancy shows that it is necessary to develop the life cycle inventory database of thermal electricity at provincial scale. This provincial database can provide better data for life cycle assessment of products and industry, which also promotes the energy conservation and emissions reduction in electricity sectors at both provincial and national level.

thermal electricity; life cycle assessment; life cycle inventory; global warming potential

中國科學院戰略性先導科技專項(XDA05140200)

2015- 07- 28;

2016- 04- 20

10.5846/stxb201507281584

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yangjx@rcees.ac.cn

丁寧,楊建新, 呂彬.中國省級火電供應生命周期清單分析.生態學報,2016,36(22):7192- 7201.

Ding N, Yang J X, Lu B.Life cycle inventory analysis of provincial thermal electricity in China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7192- 7201.