【深度研究】基于生命周期评价的风力发电机碳足迹分析-杨东

(c)1994-2020chinaAcademicJournalElectronicpubolishingHouse.Alrightsreserved.基于生命周期评价的风力发电机碳足迹分析中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京100085摘要:本文以我国市场占用率最高的2MW双馈式风力发电机为研究对象，采用生命周期评价(LCA)方法，核算其全生命周期过程的碳足迹和总能量需求，分析风力发电机不同生命周期阶段的环境影响，识别其减碳潜力．研究结果表明，风力发电机生产阶段、运输阶段、运行阶段和废1561.95GJ和－1081GJ．风力发电机的碳足迹和总能量需求主要来源于生产阶段，废弃处理处置阶段材料的回收利用有效的降低了生命周期的碳足迹和总能量需求．生产阶段的碳足迹和总能量需求分别占全生命周期碳足迹和总能量需求的101%和90%;废弃处置阶段对碳足迹和年．敏感性分析表明，风力发电机的质量和废弃处置阶段的金属回收率都是风力发电机总能量需求和碳足迹的影响因素.随着社会经济的发展，环境和能源问题日益严重，人们越来越重视新能源和可再生能源的发展.在全球倡导低碳发展的经济发展模式下，风力发电作为一种清洁可再生的能源技术已经成为世界各国新能源发展的主要方向．我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源也十分丰富，10m高度层风能资源陆风力发电通常被认为是清洁能源，即发电过程中基本没有污染物排放，但是从生命周期的角度看，风力发电机在生产、运输、安装和最终处置等环节都(c)1994-2020chinaAcademicJournalElectronicpubolishingHouse.Alrightsreserved.会有环境污染物和温室气体排放．因此，开展风力发电的全生命周期的环境影响分析研究，可以准确评估风力发电系统对环境产生的总影响.为一种重要的环境管理工具，用于评估产品或服务生命周期全过程中相关环境因素及其潜在影响方法开展了风力发电机的相关研究，Ardente等(2008)利用生命周期评价方法，对意大利某风电场时间尺度为20年的风力发电的能耗和温室气体排力发电机LCA研究，筛选出了126个关于机温室气体排放方面的研究，发现风力发电的温室也对欧洲安装的17个风力发电机的LCA结果做了分析，结果发现风力发电机发电的温室气体排放水平与风机的使用寿命和当地的风速气象条件有关.了碳足迹和能量总需求的分析研究．国内也有学者开展了相关研究，Tang等(2011)分析了福州沿海的兆瓦级风力发电机的生命周期环境影响;Wang参数，核算了内蒙古赤峰风电场不同型号风力发电机的碳足迹．以上研究普遍分析了风力发电机主要生命周期阶段的环境影响分布，并在此基础上计算出风机的能量偿还时间．邵潇等(2012)利用EIO-LCA方法对Vestas风机开展了相应研究，结果发现大多数研究主要采用了国外生命周期数据，不能准确地反映我国风力发电机生命周期的真实环境影响．另外，很多研究忽视了风力发电机的运行阶段和废弃处理处置阶段的环境影响．因此，本文利用我国生命周期背景数据对风力发电系统全生命周期进行分析，以期更准确的辨识风力发电机不同生命周期阶段的环境影响，为我国风力发电产业的发展提供决策支持.指产品系统整个生命周期产生的直接和间接的温征产品系统能耗水平的指标，主要指产品的整个生命周期中包括产品原材料采掘、制造、使用以及最终处置阶段所消耗的总的能源之和(Huijbregts期的温室气体排放和能耗水平，本文采用荷兰Pre数据库参数(中国科学院生态环境研究中心城市与产业生态研究组开发的中国能源、基础材料和交通运输方面的生命周期背景数据库)，运用生命周期评价方法对我国的风力发电生命周期的碳足迹及总能量需求进行核算.评价我国风力发电机生命周期环境影响，分析我国风力发电机的碳足迹和总能量需求生命周期阶段双馈式风力发电机为研究对象，开展全生命周期的碳足迹和总能量需求的分析.电机为对象，从我国风力发电机的实际情况出发，以1台2MW双馈式风力发电机服役运行20年为功能单位，定量计算其生命周期过程中的碳足迹及总能量需求．研究范围包括风力发电机的生产制造阶段(包括资源开采、原材料生产、零部件生产和组装安装)，产品运输阶段(从风力发电机材料的生产地到风力发电机的安装地点)，运行阶段和废弃处理处置阶段这四个主要的生命周期阶段．系统边界大量的能源和原材料．风力发电机主要包括基础部齿轮箱、测风系统和电控系统，其中测风系统和电控系统基本属于电子设备，经济价值和设备体积都小于整个机组的5%，零部件众多，数据众多难以获取，因此这两部分的生产过程一般予以忽略(Wang某风电场实地调研，电厂及风力发电机的具体参数3期杨东等:基于生命周期评价的风力发电机碳足迹分析929(c)1994-2020chinaAcademicJournalElectronicpubolishingHouse.Alrightsreserved.图1风力发电机系统评价边界表1调研风电厂及风力发电机参数风机类型双馈式异步风力发电机风机数量风机功率轮毂直径轮毂高度额定风速－1年设计运行时间风机设计寿命本文获取了2MW双馈式风力发电机的主要组聚酯树脂、环氧树脂、玻璃纤维和丙酮的生命周期LCI数据来源于RCEES2012数据库．在构考虑了生产过程的部分材料损耗、能源消耗，但由于数据的可获得性等问题，仍有一些损耗未包含在内.表2风力发电机生产阶段物耗和能耗汇总风力发电机组分材料消耗量能耗和物耗数据来源生命周期背景数据来源风电基础混凝土3现场调研钢现场调研塔架现场调研现场调研现场调研机舱罩及叶片聚酯树脂现场调研环氧树脂现场调研(c)1994-2020chinaAcademicJournalElectronicpubolishingHouse.Alrightsreserved.风力发电机组分材料消耗量能耗和物耗数据来源生命周期背景数据来源玻璃纤维丙酮电现场调研现场调研现场调研RCEES2012轮毂球墨铸铁电现场调研现场调研机舱底盘球墨铸铁电现场调研现场调研发电机现场调研现场调研现场调研齿轮箱现场调研现场调研现场调研电机设备及零件运输采用的方式多为公路运输方式，我国公路运输的生命周期背景数据均来自MJ．本文根据企业实地调研，结合相关文献(Tang2．2．3运行阶段风力发电机的使用寿命一般长达20～30年，本文调研风电场设计使用寿命为20境影响来自于设备检修过程和零件更换所造成的物耗和能耗，很多研究都忽略了运行阶段产生的环境影响．国内风力发电发展刚刚兴起，现有风电场大多投产不久，缺乏相关数据．根据文献调研可知，国外风力发电机运行20年的环境影响一般为生产行阶段进行以下假设:风力发电机20年服役期内运行阶段设备检修和零件更换产生的碳足迹和总能量需求为初始生产阶段环境影响的15%.起不久，远未达到风力发电机的报废时期，因此我国风力发电机报废和回收处理产业远未达到规模.本文参考国外风力发电机处理处置的情况进行分和材料回收及最终处置过程，设备拆卸所产生的环2010)．根据相关文献调研，可知国内社会废电机拆解过程中的铜的回收利用率一般为90%，混凝土、废旧树脂、报废叶片等其他材料一般进行填2013)．因此参照国内外相关文献，对废弃处理阶段进行以下假设:钢筋混凝土基础全部废弃;设备中85%废旧钢铁和90%的作为金属冶炼加工的原料铜得到回收利用;剩下的材料则按常规的城市固体垃圾填埋进行废弃处理.机4个生命周期阶段主要的原材料和能源消耗，其中原材料主要有金属矿石、煤、原油和水等，体清单主要有二氧化碳、甲烷和氧化亚氮等．废弃处理处置阶段，因为金属材料回收，获得相应的环境效益，降低了整个生命周期的原材料和能源消耗的投入.3期杨东等:基于生命周期评价的风力发电机碳足迹分析931(c)1994-2020chinaAcademicJournalElectronicpubolishingHouse.Alrightsreserved.表3风力发电机生命周期清单类别单位总量生产阶段运输阶段运行阶段废弃处理处置原材料铁矿石t水t煤t铜矿石t石灰岩t原油t天然气t氯化钠t铝矿石硫磺钾盐能源消耗总能量需求大气排放2ttt碳足迹的评估方法主要采用IPCC2007评估方案例风力发电机的碳足迹为1692t，生命周期为风力发电机的运行阶段，碳足迹为255t，贡献了15%的碳足迹;运输阶段的碳足迹相对较小，为61的回收利用，避免了一部分被代替材料生产造成的环境影响，所以此阶段的碳足迹总和为负值，为碳足迹．生产阶段和废弃处理处置阶段是影响研究结果的两个关键阶段，之前很多研究只考虑生产阶段，忽视了风力发电机的其他生命周期阶段，不能真正反映风力发电机生命周期的环境影响.通过对风力发电机生产阶段各主要组成部分的分析，得到了生产制造阶段风力发电机各组分的生产过程贡献最大，占生产阶段碳足迹的45%(765.45t)，其次为风电基础材料和施工过程，占图2风力发电机碳足迹产过程对风力发电机生命周期碳足迹的贡献较大.因此，减少制造过程中的能耗和材料的消耗，可以有效降低风力发电机生产阶段的环境影响，进而降低风力发电机整个生命周期的环境影响.风力发电机运输阶段产生的碳足迹为61t，主要来源于风力发电机运输过程中汽车消耗的汽油和柴油;风力发电机的运行阶段产生的碳足迹主要来源于风力发电机的检修和零件消耗，约为255t.风力发电机的废弃处理处置阶段，主要包括了风力发电机的拆卸以及主要材料的回收处置．拆卸所产材料避免产生的碳足迹为－496t，所以废弃处理处置阶段产生的碳足迹为－325t．废弃处理处置阶段各材料的回收利用和拆解过程的碳足迹如图4所(c)1994-2020chinaAcademicJournalElectronicpubolishingHouse.Alrightsreserved.示，由此可以看出钢铁等金属材料的回收，对废弃物处理阶段的碳足迹影响巨大.图3生产制造阶段各组分的碳足迹贡献图4金属材料的回收利用对废弃物处置阶段碳足迹的贡献通过风力发电机的生命周期的总能量需求分析可知(图5)，风力发电机生命周期的总能量需求输阶段为701GJ，占6%;废弃处理处置阶段为图5风力发电机生命周期各阶段总能量需求-1081GJ．由此可见风力发电机的整个生命周期的总能量需求仍集中在风力发电机的生产阶段，废弃处理处置阶段产生的环境收益，贡献了风力发电机整个生命周期总能量需求的－10%.通过企业调研可知，2MW风力发电机年平均电机碳足迹(g);Q为风力发电机每年发电量3．4风力发电的总能量需求和风力发电机能量回收期分析CEDE为风力发电机能量回收期(a).风力发电的碳足迹和总能量需求的研究结果，综合他研究结果的区间之内，结果是相对合理的.表4本研究与相关文献研究结果的比较参数本研究结果其他文献研究结果风力发电碳足迹－1－1风力发电总能量需求－1－13期杨东等:基于生命周期评价的风力发电机碳足迹分析933(c)1994-2020chinaAcademicJournalElectronicpubolishingHouse.Alrightsreserved.敏感性分析(BSI，2006)是从定量分析的角度研究有关因素的变化对某一个或一组关键指标的影响程度，本文选用单因素敏感性分析法，每次选取一种因素在指定范围内变化而其他因素固定不变，分别针对风力发电机设备质量和废弃处理处置阶段金属材料回收率对风力发电机碳足迹和总能量需求进行敏感性分析.由文献调研可知，风力发电机的成本与质量息息相关，降低风力发电机的成本首要因素是降低设备的质量，为此风力发电机的设计正朝着减轻质量发电机的设备质量庞大，意味着大量的材料和能源消耗，由前文可知，这也是造成设备生产阶段碳足迹和总能量需求巨大的主要原因．为了分析设备质量对风力发电机生命周期的碳足迹和总能量需求示，保持其他因素不变，改进风力发电机的设计和生产工艺，依次在本研究基础上，减轻风力发电机的质量，从原有设备质量降至原设备质量的90%，设备减轻10%，也就意味着材料消耗量降低10%，机碳足迹和总能量需求的关键性因素.图6风力发电机质量的敏感性分析4．2废弃处理处置阶段金属材料的回收率金属材料的回收率直接影响到废弃处理处置阶段材料回收利用产生的环境效益，因此有必要对废弃处理处置阶段金属材料的回收率进行敏感性铜等金属材料的回收率从100%下降至50%，则风力发电机生命周期的碳足迹将从1605t上升至的金属回收率是影响风力发电机碳足迹和总能量需求的关键性因素.图7风力发电机废弃处理处置阶段金属回收率的敏感性分析通过以上分析可知，风力发电机的质量和风力发电机废弃阶段的金属回收率对风力发电机的碳足迹和总能量需求影响都比较大，因此风力发电机在设计和制造阶段应该采用更加合理、减量、生态的设计，降低材料和能源的消耗;废弃处理处置阶段，采用更合理的处理处置方式，从而显著降低风力发电机生命周期的碳足迹和总能量需求.1)风力发电机的碳足迹和总能量需求主要来源于生产阶段，分别贡献了全生命周期101%的碳足迹和90%的总能量需求;运输阶段产生的环境影需求;废弃处理阶段因为金属材料回收产生环境效益对研究结果的影响巨大，分别贡献了－19%的碳足迹和－10%的总能量需求．减少制造过程中的能耗和材料的消耗，注重运行阶段的设备维护，废弃处理处置阶段采取更加环保的处理处置方式，可以大幅降低风力发电机生命周期的环境影响，使风力发电机更加的清洁和高效.3)敏感性分析结果表明，风力发电机设备质