風電環境成本全生命周期評價研究

文_楊新吉勒圖 韓曉 韓煒宏

1 內蒙古工業大學經濟管理學院 2 內蒙古工業大學經濟管理學院

1 全生命周期環境成本評價目標和范圍的設定

生命周期評價（LCA）又被稱為“從搖籃到墳墓分析”、生態面分析。國際標準化組織(ISO)認為，生命周期評價是匯總和評估一個產品(或服務)體系在其整個生命周期間的所有投入及產出對環境造成的和潛在的影響的方法。LCA用于分析某產品從原材料的獲取到生產，最后到產品處置整個生命周期。總的來說，生命周期評價是對環境負效應系統、科學的定量研究,其理論模型如圖1所示。

圖1 生命周期評價模型

1.1 風電環境成本評價目標和范圍

為系統評判風電造成的環境影響以及其環境成本，需要確定風電生命周期的邊界。基于風電系統生命周期邊界圖，本文將風電生命周期分為原材料開采與加工及風機制造、原材料和風機的運輸、風電場建設、風電場的運行、風電場的維護、風電場報廢處置6個階段。

1.2 火電環境成本評價目標和范圍

為科學地核算火電生命周期環境成本，首先要確定火電的系統邊界，依據閆風光等對燃煤電廠生命周期的劃分，本文在此基礎上將火力發電生命周期的范圍劃分為煤炭的開采、煤電廠建設、煤炭的運輸、發電、煤電廠退役及回收利用5個階段。

2 風電與火電環境成本核算

由于內蒙古地緣遼闊，風能、煤炭等自然資源豐富，因此選取該地區某風電及煤電項目為研究對象。假設風電場有100臺風力發電機組，生命周期20a；煤電廠運行600MW燃煤發電機組，生命周期為30a。

2.1 風電環境成本核算

2.1.1 原材料開采、冶煉、加工制造階段

本文以東方汽輪機有限公司FD82B-1500kW風機部件的相關參數為例，來研究構成風機的原材料組成。根據風機部件的需求量清單，風機部件中鋼和水泥的占比達到96.55%,因此重點研究鋼和水泥的環境影響。鋼和水泥的耗用量如表1所示。

表1 風機部件耗材清單表

水泥生產過程中主要的排放物是CO2，并且中國平均水泥生產的CO2排放量為597.48kg/t。

再考慮耗電的環境成本。假設發電結構為70%風力發電，30%燃煤發電。結合風力發電和燃煤發電1萬kWh的排放量以及鋼材生產的污染物排放數據和相關污染物環境價值標準，可以估算出在風能發電的第一階段環境成本超過2500萬元。

2.1.2 原材料和風機的運輸

運輸過程所需要的資源很少，能耗很低。污染排放物也只是運輸過程中排放的尾氣。在原材料和風機的運輸過程中，主要有貨車、火車兩種運輸方式。火車運輸有電力和火力驅動兩種形式。根據此前提做出如下假設： 40%由貨車運輸，60%由火車運輸；火車運輸中30%為電力驅動，70%為火力驅動；平均運輸距離為1000km；電力機車5輛、內燃機車和貨車共15輛，并且都只運輸一次。根據國內機車排放數據(見表2)，本文主要核算CO、NOx、CO2的環境成本。

表2 機車排放數據

再考慮電力機車耗電量，電力機車的綜合單位能耗為108.8kWh/（萬t·km）。由于位處內蒙地區，假設發電結構為70%風力發電，30%燃煤發電；每輛機車載重5000t,則可計算出一輛機車能耗為54400kWh。

綜上，可以估算出風能發電在原材料和風機運輸階段環境成本為超37000元。

2.1.3 風電場建設階段

針對該風電場，假設發電機組包1.5MW系列、2MW系列、2.5MW系列，分別占比50%、30%、20%。發電廠有100臺發電機組，發電機平均每年發電時間為2000h，年發電量為370GWh，建設期1a。

根據一般電廠建設方案中主要建設材料的比例和需求量以及污染物排放量,計算出在風電場建設階段的環境成本約950萬元。

2.1.4 風電場的運行階段

由于風電運行過程中基本不會產生污染性氣體,因此本階段的環境成本忽略不計。

2.1.5 風電場維護階段

風電場維護階段主要的環境影響來源于風機零部件的更新，根據相關研究可知，風電維護階段的能耗和排放為風力發電生命周期第一階段數據的15%。 因此，此階段環境成本也可估算為第一階段環境成本的15%。根據第一階段數據，可以推算出風電場維護階段環境成本約377萬元。

2.1.6 風電場報廢處置

風機的報廢處置一般將風機葉片的98%以及機艙和塔架的90%回收,而地基留在原處，可以認為風電場報廢階段的環境成本相當于把93%的風機質量運回風機制造基地造成的環境影響。因此，此階段環境成本也可以估算為第二階段環境成本的93%。根據第二階段數據，可以估算出風電場報廢處置階段環境成本約35000元。

2.2 燃電環境成本核算

2.2.1 煤炭的開采階段

首先，煤炭的挖掘會造成土地資源破壞，而且還會影響地下水。土地資源破壞成本分為直接成本和恢復費用兩部分計算；水資源的破壞成本采用恢復費用法來核算。其次，煤炭開采過程中會產生大量煙塵、二氧化硫、廢水等和固體廢氣物等，影響環境。最后，依據《2012煤炭真實成本》，開采1t煤造成的礦工人員死亡損失大約為 0.23元，職業病直接和間接損失0.35元，因此還存在人體健康損失。

假設為該煤電機組提供燃煤的煤礦只有一處，運用相關方法可以估算出燃煤發電生命周期的第一階段環境成本超1億34萬元。

2.2.2 煤電廠的建設階段

在建造煤電廠的過程中，其主要的建筑材料包含水泥、鋼材等，依據生命周期評價的理念，這些建筑材料在生產過程中，會產生環境成本。根據某電廠建造排放數據以及相關環境價值標準，可以核算出煤電廠建設階段環境成本約為8800萬元。

2.2.3 煤炭的運輸階段

由于內蒙古自治區內存在大量煤礦，并且不存在水運的形式。為了便于比較，現假設40%由貨車運輸，60%由火車運輸；火車運輸中30%為電力驅動，70%為火力驅動；平均運輸距離為1000km；電力機車3輛、內燃機車7輛、貨車10輛；煤碳的運輸周期為7d。結合風電運輸階段相關數據，可以估算出煤炭運輸階段環境成本約為3465萬元。

2.2.4 燃煤發電階段

目前，我國發電方式主要以燃煤發電為主。燃煤發電行業在我國造成嚴重的大氣污染，排放包括煙塵、SO2以及NOx等污染物，造成霧霾、酸雨等現象，嚴重危害人體健康。因此，將對燃煤發電廠發電過程中的環境外部成本進行研究和量化分析，核算公式如下：

式中C-燃煤發電階段環境成本；Qi-第i中排放物的數量；Wi-第i中排放物的環境價值標準。

根據相關標準，火電廠燃燒1t煤主要污染物的排放量如表3所示。

表3 燃燒1t煤排放污染物

據調查發現，600MW機組24h耗煤量5500t。結合污染物環境價值，估算出燃煤發電整個生命周期30a間燃煤發電環境成本超293億元。

2.2.5 煤電廠退役及回收利用

煤電廠退役后，有部分材料可以重新加以利用。根據有關研究，在燃煤電廠退役處置及回收利用中，會產生環境影響。假設容量為600MW的燃煤發電機組年發電量為30億kWh,可估算出煤電廠退役及回收利用階段環境成本約為189萬元。

3 結果與分析

據以上分析，風電項目全生命周期環境成本核算結果見表4。

表4 風電項目全生命周期環境成本核算結果

由于風電機組的生命周期為20a，并且根據文中假設，發電廠年發電量為370GWh。結合整個生命周期產生的環境成本，可以計算出風電項目每千瓦時電產生環境成本0.0052元。煤電項目全生命周期環境成本核算結果，見表5。

表5 煤電項目全生命周期環境成本核算結果

由于煤電機組的壽命一般為30a，600MW的燃煤發電機組30a總發電量大約為90000GWh。結合表中煤電項目全生命周期的環境成本，可以計算出煤電項目每千瓦時電產生環境成本0.3287元。

通過觀察兩種發電模式各階段的環境成本，可以發現風電項目的環境成本產生主要集中在風機以及風電廠的生產制造階段；煤電項目的環境成本主要集中在燃煤發電階段。并且風能發電每千瓦時環境成本為0.0052元；燃煤發電每千瓦時0.3287元。對比看出，風能發電環境成本僅占燃煤發電的1.58%。

4 結語

研究發現，從全生命周期角度分析，就風能和火電兩種能源對比而言，考慮兩種模式從原材料挖掘、發電運行最后到廢棄處置全生命周期的環境影響即環境成本時，風能發電的單位發電環境成本是遠低于燃煤發電的。

基于以上研究結論，提出政策建議：①提高風能發電在我國電力體系中的比重，內蒙古地區風能資源豐富，可開發利用范圍廣闊；政府應加大對風能行業的補貼，鼓勵發展風電技術，充分利用該可再生能源。②研究新型風機材料。由于在風機原材料開采、冶煉以及風機制造階段的環境成本占風電生命周期環境成本的65%,因此采用新型、環保的風機材料將進一步降低風電經濟成本以及其環境外部成本。③由于在短期內，風能無法代替煤炭的能源地位,在這種環境下，應針對煤炭發電行業制訂適宜的環境管制政策，促進煤炭行業的節能減排技術發展。