5 MW 風光互補發電系統的碳排放核算

張朝祥 戴前進 朱狀 鄧薇 郭星導 董翟龍

（徐州工程學院物理與新能源學院，江蘇徐州 221018）

1 引言

2020 年我國提出碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和［1］。電力行業是碳排放的主力軍，必須加快構建以新能源為主體的新型電力系統［2］。

當前研究中，風力發電的生命周期CO2排放明顯低于傳統火力發電，具有巨大優勢，因此國內外對風電碳核算的研究逐漸深入。目前在風電方面主要通過優化建設過程、降低材料消耗以及提高發電效率，減少CO2排放，使風電更加低碳。同時有學者通過構建風電全生命周期碳排放核算模型，分析風電碳排放主要來源。在光伏發電方面，生產工藝水平和使用地的氣候條件對系統碳排放有重要影響。擴大光伏發電規模能降低系統的碳排放強度，縮短碳補償時間［3］。已有的研究大多針對單一的風力或光伏發電系統進行碳核算，而缺乏對風光互補系統的全生命周期碳核算。本文旨在研究風光互補發電系統在制造、運輸安裝、運營及廢置回收全生命周期過程的碳排放，分析整個系統的碳排放量和潛在減排措施，為基于風光互補發電的低碳園區建設提供參考。

2 風光互補發電系統碳核算方法

本文選取核算對象為典型5 MW 風光互補發電系統，由2 MW 風力發電系統和3 MW 光伏發電系統組成，計算系統從制造、運輸、安裝、運營到廢置和回收全生命周期的CO2排放［4］。

2.1 風力發電系統的碳核算方法

在制造過程中，風力發電機主要耗費大量銅、鐵、鋼、鋁等金屬，塔架主要耗費大量混凝土。根據2 MW 風力發電機組制造過程所需主要材料的數量、碳排放因子和排放量，其CO2排放量為371.20 t。

在運輸過程中，系統的設備主要依靠公路運輸，消耗汽油與柴油。假設平均運輸里程500 km，卡車在運輸過程中消耗柴油，單位能耗為0.06 L/（t·km）。2 MW 風力機組總質量1 365.31 t，柴油碳排放因子2.73 kgCO2/L，得出風電系統在運輸階段的CO2排放量為111.80 t。

安裝過程中需100 個工人，工作6 h。每人每小時排放CO222.4 L，質量約為44 g，計算可得風電安裝過程中CO2排放量為0.05 t。

風電系統在運行期間需要檢查、維修，由于電能消耗產生碳排放。根據風電場運營的能源年消耗量，以火電CO2排放因子0.81 kg/（kW·h）計算可得運營期排放CO2為2 612.00 t。

在廢置回收期，風力發電系統的部分材料可以回收利用，減少碳排放，同時填埋燃燒會增加碳排放。材料回收主要包括不銹鋼（90%）、生鐵（90%）、銅（95%）。廢棄階段增加的CO2排放量為278.30 t，材料回收減少的CO2排放量為175.30 t，得出整個廢置回收過程的CO2排放量為103.00 t。

2.2 光伏發電系統的碳核算方法

光伏發電系統在制造過程中，主要考慮工業硅、多晶硅、硅片、電池片、電池組件和光伏平衡組件等材料的碳排放。由制造過程碳核算可得制造過程的CO2排放量為7 351.00 t。

運輸過程與風力運輸計算里程相同，1 MW 光伏發電系統質量為74 t。其中燃油的碳排放因子為2.73 kgCO2/L，計算可得光電運輸階段最終排放CO218.18 t。

光伏發電系統的安裝過程需100 個工人，工作40 h。計算與風電安裝相同，得出安裝過程中CO2排放量為0.53 t。

系統在運營過程中，故障率很小，能耗可以忽略，碳排放量以0 計。

回收過程光伏發電系統的部分材料可以回收利用，但報廢處理的部分仍產生碳排放。根據計算，系統廢置回收過程的碳排放為-879 t。

2.3 風光互補發電系統的碳核算方法

本文中風光互補發電系統的碳核算以風力和光伏二者計算。其中，風力發電系統CO2排放量為3 198.00 t，光伏發電系統CO2排放量為6 490.70 t，得出風光互補發電系統的CO2總排放量為9 688.70 t。

3 風光互補發電系統分析

3.1 系統全生命周期碳排放

風光互補發電系統工作以25 年計，每年0.8%衰減。計算生命周期碳排放與生命周期產生電能之比，得出風力發電系統、光伏系統和風光互補發電系統的CO2排放強度分別為24.0 8，32.58，29.20 g/（kW·h），遠低于火力發電碳排放強度［810 g/（kW·h）］，各過程碳排放強度如圖1 所示。雖然風電碳排放強度較小，但不穩定性較大。風光互補發電系統利用風力發電降低了整體的碳排放強度，同時利用光伏發電增加了系統發電的穩定性。

圖1 碳排放強度比較

風光互補發電系統各個過程占比分別為79.7%，1.34%，0.006%，26.96%，-8.01%。同理得出風力發電系統各個過程占比分別為11.6%，3.5%，0.002%，81.7%，3.2%。光伏發電系統各個過程占比分別為113.3%，0.28%，0.008%，0，-13.5%?？梢姽夥c風光互補系統在制造過程中碳排放占比最大，而風力發電系統在運營過程中的碳排放占比最大。光伏發電系統可通過使用低碳材料，在風機塔架建設時采用金屬可回收材料，并在運營階段提高運行水平、減少故障率來減少CO2的排放。

3.2 環境影響

系統由1 臺2 MW 風力發電機和12 000 塊光伏板組成。光伏板占地面積1.96 萬m2，2 MW 風機占地面積515 m2，草地對CO2的年吸收量為111 gCO2/m2，因此由于系統占地每年減少草地吸收CO2量為2.23 t。光伏板占地面積較大，在運行中應考慮光伏板的排列并適當增加植被，以減少對生態的影響。

3.3 回收周期

系統每天運行8 h，每年可產生電14.6 GW·h?；鹆Πl電碳排放系數為0.81 kg/（kW·h），故折算為火電，可以減少1.182 6 萬t 的CO2排放量?？紤]所用草地每年減少吸收CO2量為2.23 t，得出系統最終每年碳減排1.18 萬t。本研究回收周期以全生命周期產生CO2（9 688.7 t）與全年減少碳排放（1.182 38萬t）之比，計算得出需要10 個月回收系統產生的CO2。

4 結論

本文以5 MW 風光互補發電系統為例，對風力和光伏發電系統的制造、運輸、安裝、運營和廢置回收過程進行碳核算。結果顯示，風力發電系統的CO2排放強度為24.08 g/（kW·h），光伏發電系統的CO2排放強度為32.58 g/（kW·h），風光互補發電系統的CO2排放強度為29.20 g/（kW·h）。風光互補發電系統利用風力發電降低了整體的碳排放強度，同時利用光伏系統增加了系統發電的穩定性。光伏發電系統在制造過程中碳排放量占比最大，為113.3%；風力發電系統在運營過程中碳排放量占比最大，為81.7%。建議在光伏發電系統制造過程中使用低碳材料，在風機塔架建設時采用金屬可回收材料，并提高電站運行水平，以減少CO2的排放。