分布式風(fēng)電并網(wǎng)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(wǎng)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(xué)院，杭州 310018）

0 引言

風(fēng)能作為一種無污染、無枯竭的能源，具有廣闊的開發(fā)前景和巨大的經(jīng)濟社會效益[1]。其中分布式風(fēng)電是指在用戶側(cè)或配電網(wǎng)側(cè)就近利用風(fēng)能資源建設(shè)的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，通過并網(wǎng)或孤島方式為用戶提供電力服務(wù)。分布式風(fēng)電具有就地消納、節(jié)省輸配電損耗、提高能源利用效率、改善供電可靠性等優(yōu)點，是實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)、構(gòu)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(fēng)電并網(wǎng)模式與集中式風(fēng)電相比，在原材料開采和風(fēng)機制造環(huán)節(jié)、運輸環(huán)節(jié)、運行維護環(huán)節(jié)及廢棄處理等環(huán)節(jié)存在一些差異[4]。

分布式風(fēng)電并網(wǎng)的全生命周期碳核算可以評估風(fēng)電作為清潔能源的環(huán)境效益，比較不同型號、不同地區(qū)、不同技術(shù)的風(fēng)電系統(tǒng)的碳排放水平和碳減排潛力，為風(fēng)電項目的選址、設(shè)計、運維和廢棄提供參考依據(jù)；且可以幫助風(fēng)電企業(yè)和政府部門制定合理的碳達峰、碳中和目標(biāo)和措施，優(yōu)化資源配置，進一步增強風(fēng)電產(chǎn)品的市場競爭力[5]。因此對分布式風(fēng)電并網(wǎng)的全生命周期碳核算進行評估是當(dāng)前研究的熱點之一。目前國內(nèi)外學(xué)者與機構(gòu)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電場，利用過程生命周期評估建立詳細的材料清單，計算風(fēng)力發(fā)電場生命周期內(nèi)的碳排放量。本文以江蘇省揚州市某油田分布式風(fēng)力發(fā)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(gòu)建了分布式風(fēng)電并網(wǎng)模式的全生命周期碳核算模型，并基于實際數(shù)據(jù)進行了案例分析，給出了核算結(jié)果和結(jié)果分析，提出分布式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的優(yōu)化建議。

1 分布式風(fēng)力發(fā)電碳核算系統(tǒng)邊界

本核算對象以江蘇省揚州市某油田分布式風(fēng)力發(fā)電項目為參考對象，項目選用金風(fēng)科技GW140-2.5MW 機組，并采取“自發(fā)自用，全額消納”的運營模式，年均發(fā)電量約508 萬千瓦時，年利用小時數(shù)2032.5h。全部接入江蘇油田油區(qū)電網(wǎng)，有效緩解本地區(qū)電網(wǎng)負荷調(diào)配壓力。系統(tǒng)邊界核算的系統(tǒng)邊界如圖1 所示，風(fēng)機各種原材料的獲取與生產(chǎn)到退役后設(shè)備的回收與處置，構(gòu)成了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的邊界[9]?；谕暾芷诘念A(yù)測，根據(jù)圖1 所示的碳核算系統(tǒng)邊界包含風(fēng)力發(fā)電場的生命周期階段有：風(fēng)機制造與生產(chǎn)運輸、風(fēng)力發(fā)電場建設(shè)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(fēng)機的全生命周期的碳排放[10]。

圖1 碳核算的系統(tǒng)邊界框圖

2 碳排放核算公式

2.1 風(fēng)機生產(chǎn)與運輸

風(fēng)機生產(chǎn)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(chǎn)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(shù)的意義如表1 所示。

表1 風(fēng)機生產(chǎn)與運輸階段總碳排放量模型參數(shù)及意義

2.2 建設(shè)施工階段

在風(fēng)機建設(shè)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(fēng)機建設(shè)過程中所用材料的碳排放量，第二項為大型施工設(shè)備運輸過程的排碳量，第三項為建設(shè)過程中由于破壞植被導(dǎo)致的碳量變化，最后一項為現(xiàn)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(zhuǎn)換系統(tǒng)的乘積就可得到。式（2）中各參數(shù)的意義如表2 所示。

表2 建設(shè)施工階段總碳排放量模型參數(shù)及意義

2.3 運營階段

在風(fēng)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(fēng)機正常發(fā)電后，風(fēng)機內(nèi)各設(shè)備已處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)，所有工作人員用電也由風(fēng)電直接供電，故CEo設(shè)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(chǎn)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(shù)的意義如表3 所示。

表3 風(fēng)機運行維護階段總碳排放量模型參數(shù)及意義

2.4 廢棄處置階段

在風(fēng)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(dǎo)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(shù)的意義如表4 所示。

3 核算過程

3.1 風(fēng)機生產(chǎn)與運輸

分布式風(fēng)力發(fā)電機的材料組成主要根據(jù)供應(yīng)商提供的技術(shù)報告和運行手冊進行評估。轉(zhuǎn)換器及其部分附屬設(shè)備假設(shè)全由鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成。風(fēng)機生產(chǎn)與運輸階段：風(fēng)力發(fā)電主要機電設(shè)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(shè)備生產(chǎn)中碳排放量見表5。分布式風(fēng)電的塔筒、機艙、葉片、輪轂、電氣柜、電纜線和變電設(shè)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(fēng)電運輸過程中運輸類型均為陸運（大型平板車）、排碳系數(shù)均為1111.81g/km，則運輸過程中的二氧化碳排放見表6。

表5 風(fēng)機生產(chǎn)階段碳排放量

表6 分布式風(fēng)機運輸階段排碳量

3.2 建設(shè)施工

分布式風(fēng)機建設(shè)和運行的所有工程都包含在現(xiàn)場的建造作業(yè)中。按照建設(shè)施工中實際發(fā)生的工程量、所涉及的大型設(shè)備數(shù)量、所用相關(guān)材料等要素，計算建設(shè)施工過程的排碳量，計算結(jié)果為：材料相關(guān)排碳量為12.251tCO2、運輸相關(guān)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(fēng)機建設(shè)地區(qū)的植被，導(dǎo)致原有的固碳效果消失，因此分布式風(fēng)電的排碳量中應(yīng)該計算碳匯損失，分布式風(fēng)電施工階段會破壞約160m2的農(nóng)田和約100m2草地，相比建設(shè)施工過程的排碳量，該部分可以忽略。

3.3 維護階段

根據(jù)廠商信息，所涉及的風(fēng)機設(shè)計壽命為20 年。依據(jù)電力公司的運行和管理目錄要求：在經(jīng)營方面需每2 周一次常規(guī)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(nèi)大約需要更換一個葉片和15%的發(fā)電機組件，其他的維護遵循行業(yè)內(nèi)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(jié)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(fā)生，文獻也鮮有涉及，成熟與可供借鑒經(jīng)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(jù)分析可以得出一些初步結(jié)論。當(dāng)分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)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(fù)的碳匯變化為-0.041tCO2，兩項合計為2.471tCO2。

4 核算結(jié)果及減排分析

在對分布式風(fēng)電進行全生命周期分析后，匯總前面核算結(jié)果從而得到表7。從表中可得，分布式風(fēng)電全生命周期的排碳量主要集中在生產(chǎn)運輸階段，占總排放的94.04%。風(fēng)機建設(shè)施工階段的排碳量占總排放的4.42%，主要來源于建設(shè)所用材料的生產(chǎn)和運輸，以及建設(shè)過程中的能源消耗。風(fēng)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(fēng)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(fù)造成的碳匯變化。

表7 總排碳量匯總表

5 結(jié)論

本文基于風(fēng)電碳排放的系統(tǒng)邊界研究，劃分了分布式風(fēng)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(shù)給出詳細的解釋。選取了我國一個典型分布式風(fēng)電項目進行實例核算，并給出了核算結(jié)果。結(jié)果表明，分布式風(fēng)電全生命周期的排碳量絕大部分集中在生產(chǎn)運輸和建設(shè)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(fā)電廠在運營階段產(chǎn)生大量碳排放形成了鮮明的對比。本文還考慮了風(fēng)電場占用土地導(dǎo)致的植被變化所帶來的潛在碳排放和抵消效應(yīng)，為分布式風(fēng)力發(fā)電的建設(shè)規(guī)劃提供了一定的數(shù)據(jù)支持。