李龍君/廣東省WTO/TBT通報咨詢研究中心

馬曉茜 謝明超 廖艷芬/華南理工大學(xué)電力學(xué)院

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的全生命周期分析*

李龍君/廣東省WTO/TBT通報咨詢研究中心

馬曉茜 謝明超 廖艷芬/華南理工大學(xué)電力學(xué)院

0 引言

當今社會能源緊張，由“中國統(tǒng)計年鑒2010”可知[1]，2009年的能源消耗為30.664 7億噸標準煤，是2000年的2.1倍。過去30年的能源消耗數(shù)據(jù)顯示化石燃料占中國能源消耗的90％，化石燃料是不可再生能源，價格持續(xù)走高且使用過程中會排放溫室氣體[2]。可再生能源作為一種有效的可替代能源，以其可再生性和對環(huán)境的友好性正受到人們的廣泛關(guān)注，多個國家正致力于研究、發(fā)展可再生能源[3]。

風(fēng)能作為一種可再生能源[4]，以其分布廣、儲能大[5]，高“綠度”，風(fēng)能技術(shù)較成熟等優(yōu)勢備受人們青睞[6]。我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，據(jù)“2010年中國風(fēng)電裝機容量統(tǒng)計”數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截至2009年上半年，我國風(fēng)力發(fā)電量達到126億kW·h，成為亞洲第一風(fēng)能利用大國，且在接下來的三年中，裝機容量增幅都超過100％。我國的風(fēng)電機組主要是三葉片、水平軸、上風(fēng)向和雙饋式變槳變速風(fēng)電機組。在全球的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)中，1.5MW機組是主流機組，占據(jù)了全球市場的絕大部分份額，占2010年新增裝機的77.6％。

盡管風(fēng)能是一種清潔能源，但在風(fēng)力發(fā)電的整個生命周期中，涉及多個開采、生產(chǎn)過程，對環(huán)境造成一定影響，所以有必要對風(fēng)力發(fā)電的全生命周期進行分析評價。

本文在大量文獻資料考究的基礎(chǔ)上，對風(fēng)力發(fā)電進行生命周期分析，研究貫穿風(fēng)電系統(tǒng)的全過程，包括最初的原料開采階段和最終的報廢、回收階段。在能耗和對環(huán)境影響方面與煤電進行比較，且間接研究了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、風(fēng)電場管理制度等對于風(fēng)電場節(jié)能環(huán)保的效用問題。

1 生命周期評價過程

1.1 研究對象

本文以內(nèi)蒙古赤峰億合公風(fēng)電場為研究對象，原因是此風(fēng)電場機組為132臺1.5MW，三葉片、上風(fēng)向、雙饋式變槳變速風(fēng)電機組，為我國的主流機型。按風(fēng)電場的設(shè)計標準，設(shè)定電廠壽命為20年，年上網(wǎng)電量為440GW·h，年上網(wǎng)發(fā)電時間為2 222h，在此基礎(chǔ)上取綜合折減系數(shù)為0.73[7]，則折算年上網(wǎng)電量為321.2GW·h，折算年滿發(fā)電小時數(shù)1 622.06h，以1kW·h為系統(tǒng)的功能單元對此風(fēng)電場進行全生命周期分析。

1.2 系統(tǒng)邊界

此系統(tǒng)邊界包括風(fēng)電場生命周期內(nèi)的全部直接和間接的生產(chǎn)、運輸、運營及處置環(huán)節(jié)，上游上溯至原材料的采礦，下游下沿至風(fēng)機設(shè)備的回收與填埋，其中考慮各種主料和輔料，如圖1所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)生命周期邊界圖

1.3 生命周期評價方法

本文應(yīng)用的生命周期評價方法為楊建新等人在Environmental Design of Industrial Product（EDIP）方法的基礎(chǔ)上所提出的適合我國基礎(chǔ)行業(yè)的生命周期評價方法，即建立了我國的權(quán)重因子和標準化基準，并定義我國的區(qū)域污染當量因子，對國內(nèi)的水泥、煤炭、鋼鐵等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)進行全生命周期分析和評價[8-9]。

1.4 實例分析

1.4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)清單

表1為風(fēng)機部件材料需求量清單和建廠耗材清單，其中風(fēng)機部件耗材數(shù)據(jù)來源于東方汽輪機有限公司FD82B-1500kW機組部件的相關(guān)參數(shù)。建廠耗材根據(jù)文獻[10]中的風(fēng)電場的耗材比來估算。表2為基礎(chǔ)耗材的全生命周期能耗和排放數(shù)據(jù)[11-18]，表3為運輸能耗和排放數(shù)據(jù)[19]。

1.4.2 系統(tǒng)子過程能耗和排放

分析過程分為6個子工程：①原材料開采、運輸、冶煉和加工、風(fēng)機制造；②風(fēng)機制造材料運輸；③風(fēng)機運輸；④風(fēng)電場建設(shè)；⑤風(fēng)電場運行維護；⑥風(fēng)電場報廢。對每一過程進行相關(guān)假設(shè)和闡述，見表4，得到單位電量下的能耗和排放。

表1 風(fēng)機部件和建廠耗材清單表t

表3 運輸能耗和排放清單表kg/104t·km

表4 系統(tǒng)全生命周期能耗和排放清單表

①過程中涉及風(fēng)機的制造，燒結(jié)釹鐵硼（NdFeB）永磁性材料是風(fēng)力發(fā)電機中的重要材料，而釹鐵硼的主要原料為釹、鐵和硼，各自占比為釹28.56％、鐵70.47％、硼0.97％其余為鏑、鋱、鈷、鈮等，因為硼、鏑、鋱、鈷、鈮所占比例甚小，所以不予考慮[16]。

②過程中考慮到風(fēng)機制造商（東方汽輪機有限公司）位于成都平原西北部，從經(jīng)濟性方面考慮，假設(shè)風(fēng)機制造材料都來源于四川本省，每種材料的運輸半徑為500km，運輸工具為重型貨車。

③過程中，假設(shè)運輸半徑為風(fēng)電場和東方汽輪機有限公司之間的距離，估算為2 500km，運輸工具為重型貨車。

④過程為風(fēng)電場建設(shè)過程，耗材已經(jīng)在表1中列出，運輸距離為從四川到內(nèi)蒙古赤峰億合公風(fēng)電場的距離，估算為2 800km，運輸工具為重型貨車。

⑤過程中的能耗和排放主要來源于風(fēng)機零部件的更換，由Brice Tremeac的相關(guān)研究可知整個運行維護階段能耗和排放為①過程中相應(yīng)值的15％[20]，加上運輸15％風(fēng)機質(zhì)量的能耗和排放，估算運輸半徑為2 800km，鑒于零部件質(zhì)量較輕且維修的間歇性，選用中型貨車為運輸工具。

⑥過程為風(fēng)電場報廢階段，根據(jù)文獻[15]的相關(guān)研究可知，機艙和塔架的90％以及葉片的98％得以回收，地基則留在風(fēng)電場原處，故認為風(fēng)電場報廢能耗和排放為把93％（折中值）的風(fēng)機質(zhì)量運回風(fēng)機制造地時的相應(yīng)值，估算運輸半徑為2 500km，選用重型貨車為運輸工具。

由表4可知，此系統(tǒng)全生命周期能耗中標煤的消耗量最大，占63.92％，其次為柴油和汽油，耗量占比分別為34.67％和1.41％，天然氣占比不足1％。污染物排放中，CO2含量最高，占比為97.71％，其次為粉塵，含量為1.03％，SO2，NOX和CO的含量分別為0.70％，0.37％和0.13％，其他污染物含量極少，只占0.06％。分析污染排放物含量差距如此大的原因，可能是與投入的能源形勢密切相關(guān)，煤的消耗量極大，在煤的燃燒過程中，CO2為主要排放物，故系統(tǒng)全生命周期中，CO2在污染物排放中含量最高。與煤電相比，標煤耗量僅為煤電的0.25％，CO2排放量僅為煤電的0.21％，根據(jù)單位電量污染物的減排量和污染物環(huán)境價值標準[22](粉塵2.2元/kg，CO20.23元/kg，NOx8元/kg，SO26元/kg)可知，風(fēng)電單位電量的環(huán)境價值為9.124 8元。

1.4.3 環(huán)境影響指數(shù)

1.4.3.1 資源耗竭系數(shù)

風(fēng)力發(fā)電的資源耗竭系數(shù)由一次性資源消耗來表征，過程中一次性資源消耗情況見表5。

為了使資源的絕對消耗量反映其相對大小，采用資源消耗基準進行標準化，得出煤、油、天然氣等資源消耗潛值。表5反映了風(fēng)電系統(tǒng)所消耗資源占人均資源消耗量的百分比，標準化后的資源消耗中煤占主體，占了64.66％，油占35.33％，而天然氣為0.01％。但標準化后的資源消耗也僅僅反映各種資源消耗的相對大小，為使其反映該資源的稀缺性，需進一步對其進行加權(quán)分析，考慮了資源的稀缺性后，煤的消耗比例為31.58％，油為68.42％，不消耗天然氣，得到資源耗竭系數(shù)為3.61E-04mPR90。

1.4.3.2 環(huán)境影響潛值計算

本文選取5個環(huán)境影響量化指標，分別為全球變暖影響潛能、酸化影響潛能、富營養(yǎng)化影響潛能、粉塵和光化學(xué)臭，分別對以上數(shù)據(jù)進行無量綱化、標準化和加權(quán)處理，得到5種環(huán)境影響潛值，以此分析此風(fēng)電系統(tǒng)全生命周期中環(huán)境影響潛能。

由表6可知，加權(quán)后的總環(huán)境影響負荷為4.03E-05人當量，其中影響最大的是粉塵，占總環(huán)境影響負荷的41.24％，其次為酸化、光化學(xué)臭氧和全球變暖影響，分別占22.97％，17.49％和11.16％，影響最小的是富營養(yǎng)化，只占7.14％。分析其原因可能為：在風(fēng)機制造和風(fēng)電場建設(shè)的過程中，消耗大量的水泥和鋼，而水泥和鋼鐵都是高污染產(chǎn)業(yè)，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生和排放大量粉塵，對環(huán)境造成嚴重影響。與300MW煤電機組[23]對比可知：全球變暖影響潛值（GWP）僅為煤電（2.6kg/kW·h）的1.81％，酸化影響潛值(AP)僅為煤電（0.011 5kg/kW·h）的3.9％。

表5 標準化前后和加權(quán)前后系統(tǒng)的資源消耗表

表6 研究系統(tǒng)環(huán)境影響潛值表

1.5 系統(tǒng)生命周期敏感性分析

對系統(tǒng)進行敏感性分析有其必要性，它可以減小由于不確定因素帶來的分析誤差，從而為決策者對有可能發(fā)生的變化因素所帶來的與預(yù)測相左的情況有的放矢，運籌帷幄。對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進行敏感性分析時，發(fā)電量是最主要的變量[24]。本文基于三種變量對研究系統(tǒng)進行敏感性分析，分別為：①改變風(fēng)機運輸距離（±20％）；②改變綜合折減系數(shù)，分別取0.66和0.8，同時改變由于發(fā)電量變化而帶來的建廠耗材需求量，即改變物質(zhì)投入，從而改變風(fēng)電場裝機容量的方法來改變發(fā)電量；③取綜合折減系數(shù)為0.66和0.8，但不改變建廠耗材量，即研究不同的技術(shù)水平、風(fēng)電場管理制度等所引起的不同發(fā)電量對系統(tǒng)資源耗竭系數(shù)和環(huán)境影響潛值的影響。

由表7可知，改變運輸距離（±20％）引起的資源耗竭系數(shù)和環(huán)境影響潛值的變化范圍為1％～5.6％，而改變發(fā)電量所引起的對應(yīng)值的變化集中于1％～10％，可見，風(fēng)機的運輸距離相較于風(fēng)電場的發(fā)電量來說，對于風(fēng)電系統(tǒng)全生命周期的能耗和環(huán)境影響要小很多。另外，合理選擇風(fēng)機運輸路線，縮短風(fēng)機運輸距離，提高風(fēng)電場發(fā)電量都有利于節(jié)能減排，降低能源消耗，減輕對環(huán)境的負面影響；而通過增加物質(zhì)投入（如增加風(fēng)機數(shù)量，換裝單機容量較高的風(fēng)機）來提高風(fēng)電場發(fā)電量，資源耗竭系數(shù)和環(huán)境影響潛值分別降低了8.31％和7.15％，在一定程度上可以收到較好成效；而完善風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，健全風(fēng)電場管理制度，提高風(fēng)力發(fā)電效率更能實現(xiàn)以上目標，相較之下，資源耗竭系數(shù)和環(huán)境影響潛值分別降低了8.86％和7.86％，大幅度減輕了能源消耗和對環(huán)境的影響。

表7 研究系統(tǒng)生命周期敏感性分析清單表

2 結(jié)果與討論

1）本文對研究對象進行生命周期分析，發(fā)現(xiàn)標煤消耗量最大，占能源消耗量的63.92％，CO2占污染排放物的97.71％，其它污染物占比甚小。與煤電相比，其環(huán)境價值為9.124 8元/kW·h。

2）對資源消耗加權(quán)平均后得資源耗竭系數(shù)為3.61E-04mPR90，煤炭的資源消耗量為1.14E-04mPR90，占31.58％，油的資源消耗量為2.47E-04mPR90，占比為68.42％，即考慮資源的稀缺性后，此風(fēng)電系統(tǒng)的油耗量大于煤耗量。

3）分析系統(tǒng)的環(huán)境影響潛值可知，粉塵對環(huán)境的影響最大，占總影響負荷的41.24％，富營養(yǎng)化占總影響負荷的7.14％，在五個環(huán)境影響指標中占比最小。而GWP和AP僅為煤電相應(yīng)值的1.81％和3.9％。

4）對系統(tǒng)進行3種變量的敏感性分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機運輸距離對此風(fēng)電系統(tǒng)的資源耗竭系數(shù)和環(huán)境影響潛值的影響，小于發(fā)電量對相應(yīng)值的影響，且健全風(fēng)電場管理制度，完善風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，提高風(fēng)力發(fā)電效率，是風(fēng)電系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的主要途徑。

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運用生命周期分析方法，對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的六個階段進行分析，得到了標煤的消耗量為11.13 g/kW·h，CO2排量為46.6g/kW·h，分別為煤電的0.25％和0.21％。加權(quán)平均后得資源耗竭系數(shù)為3.61E-04 mPR90，其中油占68.42％，煤占31.58％；總環(huán)境影響負荷為4.03E-05人當量，GWP和AP分別為煤電的1.81％和3.9％。對系統(tǒng)進行敏感性分析得知，風(fēng)機運輸距離的影響作用小于發(fā)電量的影響作用，且完善技術(shù)、健全管理制度能夠顯著提高風(fēng)電系統(tǒng)的節(jié)能和環(huán)保效應(yīng)。

風(fēng)力發(fā)電；生命周期；節(jié)能減排

Full Life Cycle Assessment on Wind Power Generation System

LiLongjun/WTO/TBT Notification, Consultation＆amp;Rearch Center of Guangdong Province
Ma Xiaoqian,Xie Mingchao,Liao Yanfen/ Electric Power College,South China University of Technology

wind power generation;life cycle;energy conservation and emissions reduction

TM614；TK05

A

1006-8155（2015）02-0065-07

10.16492/j.fjjs.2015.02.067

華南理工大學(xué)能源高效清潔利用廣東普通高校重點實驗室項目（KLB10004）

2014-06-22廣東廣州510627

Abstract：The life cycle assessment method was used for the analysis of six stages of the wind power generation system. It was found that the consumption of standard coal was 11.13g/kW·h.The emission amount of CO2was 46.6g/kW·h,they accounted for 0.25％and 0.21％of coal power respectively.After dealing the data with weighted average,we could acknowledge that the coefficient of resource depletion was 3.61E-04 mPR90,and the oil was 68.42％and the coal was 31.58％of it. The total environmental impact load was 4.03E-05PET,and its GWP and AP was 1.81％and 3.9％of coal power respectively. Based on the sensitivity analysis of the system,we could know that the impact of transport distance of aerogenerator was less than that of generated energy.The study also found that we could greatly enhance the energy conservation and environmental protection effect through perfecting the technology and management system of wind power generation.