賈亞雷， 王繼選， 韓中合， 龐永超， 安 鵬

(1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定 071003；2.河北軟件職業(yè)技術(shù)學院，河北保定 071000；3.河北工程大學 水電學院，河北邯鄲 056021)

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基于LCA的風力發(fā)電、光伏發(fā)電及燃煤發(fā)電的環(huán)境負荷分析

賈亞雷1,2， 王繼選3， 韓中合1， 龐永超1， 安 鵬1

(1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定 071003；2.河北軟件職業(yè)技術(shù)學院，河北保定 071000；3.河北工程大學 水電學院，河北邯鄲 056021)

基于生命周期評價理論，建立風力發(fā)電、光伏發(fā)電及燃煤發(fā)電的生命周期評價體系，研究生命周期各階段的環(huán)境負荷并進行對比分析.結(jié)果表明：在電廠建設(shè)階段，燃煤發(fā)電碳足跡最低，為1.94 g/(kW·h)，風力發(fā)電碳足跡最高，為9.42 g/(kW·h).在發(fā)電運營階段，光伏發(fā)電碳足跡幾乎為零，風力發(fā)電碳足跡為0.2 g/(kW·h)，燃煤發(fā)電機組碳足跡最高，為83.3 g/(kW·h).風力發(fā)電和光伏發(fā)電在電廠建設(shè)階段碳足跡占比較高，分別為99.4%和99.78%；燃煤發(fā)電在發(fā)電運營階段碳足跡占比最高，為96.13%.在整個生命周期中對全球變暖影響最大的是燃煤發(fā)電，為3.63×10-5標準當量，影響最小的是風力發(fā)電，為7.9×10-7標準當量；對環(huán)境酸化影響最大的是光伏發(fā)電，為6.7×10-6標準當量，影響最小的是風力發(fā)電，為1.6×10-7標準當量；風力發(fā)電和光伏發(fā)電的固體廢棄物排放幾乎為零.

可再生能源； 生命周期評價； 碳足跡； 排放強度

國內(nèi)外學術(shù)界認為化石燃料的過度消耗導致全球氣候日漸變暖，該結(jié)果是由環(huán)境中溫室氣體濃度逐漸升高所致.氣候變暖將使環(huán)境熱負荷增加，有可能造成不可估量的后果[1-3].從能源-經(jīng)濟-環(huán)境(3E)協(xié)調(diào)發(fā)展的角度考慮，減少溫室氣體排放是全球范圍內(nèi)環(huán)境保護的必然性要求.基于國內(nèi)外經(jīng)濟競爭的壓力，國際社會對全球變暖問題進行非科學性量化，對以化石燃料消耗為主的國家制定出一系列排放指標，從國家利益層面考慮，降低對化石燃料的消耗是我國經(jīng)濟發(fā)展中遇到的能源瓶頸.

風力發(fā)電、光伏發(fā)電等發(fā)電形式在發(fā)電過程中不需要消耗化石燃料，同時不會大量排放固、液、氣等形態(tài)的污染物，被稱為清潔能源或可再生能源[3-7].因此，降低傳統(tǒng)發(fā)電的比例，提高可再生能源發(fā)電的比例是經(jīng)濟發(fā)展的新途徑，是實現(xiàn)3E可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在.可再生能源發(fā)電過程在一定程度上對環(huán)境負荷有所貢獻，但是可再生能源發(fā)電的上游，即發(fā)電系統(tǒng)中各主要設(shè)備的生產(chǎn)制造是高耗能的過程.因此，開展可再生能源發(fā)電的生命周期評價(LCA)，可以全面、系統(tǒng)、科學地研究可再生能源發(fā)電過程中對環(huán)境負荷的影響.

國內(nèi)外學者采用LCA方法對所研究對象展開了不同層面的研究.Strazza等[8]研究了230 kW的固體氧化物燃料電池(SOFC)系統(tǒng)；Demir等[9]利用LCA方法對比分析了土耳其2個風電場葉片長度分別為50 m、80 m和100 m的風力機，結(jié)果表明：長葉片的大功率機組的環(huán)境負荷較小，能源回報率高；Uddin等[10]利用LCA方法從能源利用、減排和環(huán)境影響3個方面對風力機進行了研究；楊東等[11]采用LCA方法核算了2 MW風力發(fā)電機生命周期中的碳足跡和總能量需求；劉臣輝等[12-13]運用生命周期方法分析了多晶硅-光伏系統(tǒng)的碳足跡；周亮亮等[14]采用生命周期分析方法對潔凈煤發(fā)電技術(shù)進行了分析，對建設(shè)、運行、退役3個階段的能源和資源消耗、環(huán)境影響、生命周期成本進行了評價；馮文等[15]研究了燃料電池汽車氫能系統(tǒng)的環(huán)境、經(jīng)濟和能源評價，對不同方案的環(huán)境性、經(jīng)濟性和能源利用情況進行了生命周期分析；王云等[16]對300 MW燃煤電廠碳捕集及封存技術(shù)改造過程進行了生命周期評價.

綜上所述，國內(nèi)外學者利用LCA方法對某一發(fā)電形式的各個階段進行了生命周期分析，各階段的數(shù)據(jù)多從相關(guān)軟件中獲取，相關(guān)研究缺乏對不同發(fā)電形式的橫向?qū)Ρ确治觯瑳]有實際數(shù)據(jù)支持.為此，筆者基于生命周期評價理論，建立風力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃煤發(fā)電的生命周期評價體系，從產(chǎn)業(yè)鏈的層面對風力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃煤發(fā)電整個生命周期中碳足跡進行對比分析，對全球變暖、環(huán)境酸化及固體廢棄物排放等評價指標進行研究和對比，探尋風力發(fā)電、光伏發(fā)電及傳統(tǒng)燃煤發(fā)電的可持續(xù)發(fā)展空間.

1 生命周期評價理論

生命周期評價是以能量流和物質(zhì)流守恒為基礎(chǔ)的理論，是一種用于評價與生產(chǎn)過程相關(guān)的對環(huán)境影響的技術(shù).LCA研究范圍從“搖籃”擴展至“墳墓”，即一個封閉可持續(xù)的循環(huán)，對原材料來源、生產(chǎn)系統(tǒng)基建、生產(chǎn)系統(tǒng)投運至最終的處置等環(huán)節(jié)的環(huán)境影響進行分析，其理論模型如圖1所示.

圖1 生命周期評價模型

2 不同發(fā)電方式生命周期內(nèi)各階段能耗模型

將不同發(fā)電方式的生命周期分為4個階段：生產(chǎn)建設(shè)、組件運輸、發(fā)電運營和廢棄處置階段.

生產(chǎn)建設(shè)階段主要指其基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)階段，該階段能耗Ec的計算模型如式(1)所示.

(1)

式中：ui為建筑施工所需第i種材料的損耗系數(shù)；n為生產(chǎn)所需材料的種類數(shù)量；mci為生產(chǎn)建設(shè)階段建筑施工所用的第i種材料的質(zhì)量，t；eci為生產(chǎn)建設(shè)階段建筑施工所用的第i種材料的內(nèi)含能量強度值，GJ/t；mcti為生產(chǎn)建設(shè)階段生產(chǎn)的第i種材料的質(zhì)量，t；Lcti為生產(chǎn)建設(shè)階段第i種材料生產(chǎn)地與安裝現(xiàn)場的距離，km；mpj,i為建筑施工第j個施工過程第i種材料的質(zhì)量，t；epj,i為建筑施工第j個施工過程第i種材料的內(nèi)含能量強度值；ef為平整場地及基坑開挖能耗，GJ；ecti為生產(chǎn)建設(shè)階段組件運輸?shù)暮哪?，GJ.

組件運輸階段主要包括原材料、組件的生產(chǎn)及運輸，該階段能耗Ept的計算模型如式(2)所示.

(2)

式中：mpi為建筑施工所用的第i種材料的質(zhì)量，t；epi為建筑施工所用的第i種材料的內(nèi)含能量強度值，GJ/t；mti為生產(chǎn)的第i種材料的質(zhì)量，t；Lti為第i種材料生產(chǎn)地與安裝現(xiàn)場的距離，km；eti為第i種組件的運輸能耗，GJ.

發(fā)電運營階段是指在基建及調(diào)試結(jié)束后的正常投運發(fā)電階段，該階段能耗Eo的計算模型如式(3)所示.

(3)

式中：Es為所需替換組件的運輸能耗，GJ；Ed為發(fā)電運營階段耗材的生產(chǎn)與運輸能耗，GJ；Ecc為發(fā)電運營階段設(shè)備檢修能耗，GJ.

廢棄處置階段主要包括發(fā)電機組組件的拆除、現(xiàn)場運輸和處理等環(huán)節(jié)，該階段能耗Er的計算模型如式(4)所示.

(4)

式中：Ede為零件拆卸階段能耗，GJ；Ere為舊部件回收和填埋能耗，GJ.

3 不同發(fā)電方式的生命周期評價體系

3.1 風力發(fā)電機組生命周期評價目標和范圍

以某個由1.5 MW風力機組成的50 MW風電場的風電項目為研究對象，為了確定風力發(fā)電機組在生命周期內(nèi)的能源需求及污染物的排放潛力，需研究其生命周期的系統(tǒng)邊界.風力發(fā)電系統(tǒng)邊界包括生產(chǎn)建設(shè)、組件運輸、發(fā)電運營、廢棄處置4個階段，在傳統(tǒng)計算CO2排放量方法的基礎(chǔ)上，同時考慮整個風力發(fā)電的上游CO2排放和下游CO2排放，運用生命周期評價方法計算全生命周期內(nèi)各個階段的污染物排放量，風力發(fā)電系統(tǒng)邊界如圖2所示.

圖2 風力發(fā)電機組系統(tǒng)邊界

生產(chǎn)建設(shè)階段主要包括打地基、平整場地及建筑材料的生產(chǎn)與運輸(砂石、水泥、塔座固定、設(shè)備吊裝等)，此階段未考慮風電場電能輸出與電網(wǎng)的電纜線.組件運輸階段主要包括原材料(如鋼鐵、銅線和環(huán)氧樹脂等)的生產(chǎn)與運輸；風力機零部件的生產(chǎn)與運輸主要包括塔基、塔架、引擎艙、槳葉及變電設(shè)備等的生產(chǎn)與運輸.發(fā)電運營階段主要指對運行過程中零部件的更換和維修，油質(zhì)品等的消耗.在廢棄處置階段，風力機組件將被拆除，該階段主要包括拆除時的施工、能源消耗、廢棄零部件運輸、循環(huán)處理、廢棄物填埋等.

風力發(fā)電機組生命周期評價中主要參數(shù)性能指標、主要耗材的能耗及污染物排放數(shù)據(jù)分別如表1、表2和表3所示.

表1 某1.5 MW風力發(fā)電機組主要參數(shù)及性能指標1)

Tab.1 Main parameters and performance indicators of a 1.5 MW wind turbine

參數(shù)數(shù)值直徑/m77．36輪轂高度/m70功率調(diào)節(jié)方式變槳額定風速/(m·s-1)10．5塔架形式鋼制錐形參數(shù)數(shù)值掃風面積/m25376轉(zhuǎn)速/(r·min-1)9．9～17．3切入風速/(m·s-1)3切出風速/(m·s-1)23塔架質(zhì)量/t125

注：1)數(shù)據(jù)來源于WTG1-1500風力機招標技術(shù)文件.

3.2 光伏發(fā)電機組生命周期評價目標和范圍

光伏發(fā)電主要基于光伏效應原理，太陽光輻射在半導體表面，通過光伏效應轉(zhuǎn)化為電能.將多個晶片串聯(lián)即組成光伏組件，不同的組件經(jīng)過陣列可形成一定規(guī)模的光伏發(fā)電系統(tǒng).筆者研究的目標是光伏發(fā)電機組生命周期內(nèi)對環(huán)境負荷的影響特性，辨識對能源和環(huán)境影響較大的部分.其生命周期的系統(tǒng)邊界包括上游的石英砂開采到最后的設(shè)備廢棄處置等階段.光伏發(fā)電相對風力發(fā)電來說，各階段的相關(guān)數(shù)值較小，由于智能匯流箱、直流/交流配電柜、逆變器、變壓器等設(shè)備的數(shù)據(jù)較難獲得，與光伏發(fā)電系統(tǒng)中其他主設(shè)備相比，其對環(huán)境的影響相對很小，在計算中不列入系統(tǒng)邊界.光伏發(fā)電系統(tǒng)邊界如圖3所示.光伏發(fā)電機組生產(chǎn)建設(shè)階段的土建工程量很小，該階段主要包括硅砂的開采和提純、二氧化硅轉(zhuǎn)變?yōu)閱卧毓?、多晶硅和硅片制備及電池片的制造；組件運輸階段主要包括智能匯流箱、直流/交流配電柜、變壓器和綜合監(jiān)控系統(tǒng)等；發(fā)電運營階段只需要投入少量的人力進行管理和維護，該階段能量的投入和對應的排放占比均小于1%，在計算中進行舍棄處理；廢棄處置階段主要是對太陽能電池片進行回收再利用，運輸過程能耗占比最大.

表2 主要耗材的能耗及污染物排放數(shù)據(jù)1)

Tab.2 Energy consumption and pollutants emission in production stage of construction materials

參數(shù)鋼玻璃纖維水泥銅硅環(huán)氧樹脂能耗/(kJ·kg-1)29270514876021138509215323CO2排放量/(g·kg-1)116011601167．18130426．5SO2排放量/(g·kg-1)2．95．50．431．91390．63NOx排放量/(g·kg-1)0．612．32．427．6421．03

注：1)數(shù)據(jù)來源于中國工程院咨詢報告內(nèi)部資料.

表3 建造風電機組所需耗材數(shù)據(jù)

圖3 光伏發(fā)電機組系統(tǒng)邊界

某5 MW光伏發(fā)電機組組件的主要參數(shù)如表4所示.光伏發(fā)電機組原材料加工階段的能耗見表5.光伏發(fā)電機組組件的質(zhì)量與光伏電站的裝機容量相關(guān)，主設(shè)備及輔助設(shè)備的運輸及相關(guān)能耗見表6.

表4 光伏發(fā)電機組組件相關(guān)參數(shù)

Tab.4 Technical parameters of relevant modules in PV power generation units

參數(shù)數(shù)值晶片面積/cm212．5×12．5晶片厚度/mm0．2正面金屬鍍膜比例/%7背面金屬鍍膜比例/%100參數(shù)數(shù)值晶片陣列分布10×9晶片個數(shù)90組件面積/m21．6轉(zhuǎn)換效率/%16

表5 原材料加工階段能耗

Tab.5 Energy consumption in different production stages of raw materials

參數(shù)數(shù)值石英砂開采提純能耗/(MJ·kg-1)1．39制備多晶硅片能耗/MJ10．3電極制作能耗/MJ0．396參數(shù)數(shù)值粗硅提純能耗(1kgSOG?Si)/MJ684P?N結(jié)制備能耗/MJ0．396

光伏發(fā)電機組安裝建設(shè)過程中的能耗及污染物排放量相對其他階段來說占比較小，在計算過程中予以忽略.光伏發(fā)電機組生命周期的退役處理階段，主要能耗在運輸階段，該階段的運輸距離為773 km，其運輸質(zhì)量和能耗強度不變.

表6 光伏發(fā)電機組運輸階段能耗及污染物排放

Tab.6 Energy consumption and pollutants emission in transportation stage of a PV system

運輸方式距離/km質(zhì)量/t能耗/(MJ·t-1·km-1)CO2排放總量/t鐵路17004410．264．71

3.3 燃煤發(fā)電機組生命周期評價目標和范圍

以超臨界600 MW燃煤發(fā)電機組為研究對象，其生命周期的系統(tǒng)邊界包括生產(chǎn)建設(shè)、組件運輸、發(fā)電運營、廢棄處置等4個階段，運用生命周期評價方法同時考慮整個系統(tǒng)上游和下游的污染物排放，計算全生命周期內(nèi)各個階段的CO2排放量.燃煤發(fā)電系統(tǒng)邊界如圖4所示.表7為燃煤發(fā)電機組的主要參數(shù)，其煤質(zhì)分析如表8所示，該機組生命周期評價中單位產(chǎn)量主要耗材的CO2的排放數(shù)據(jù)見表9[17-19].生產(chǎn)建設(shè)過程中主要考慮燃煤發(fā)電機組、汽輪機發(fā)電機組等大型設(shè)備安裝制造過程中的CO2排放量，所需耗材數(shù)據(jù)見表10.在計算過程中，生產(chǎn)建設(shè)階段忽略了煤炭開采、洗選階段的能源消耗及大氣、固體廢棄物的排放；組件運輸階段主要考慮鋼鐵和水泥等基建材料的運輸；發(fā)電運營階段主要涉及煤炭的運輸、脫硫階段石灰石的消耗；廢棄處置階段主要考慮鋼鐵的運輸與處理過程中能源的消耗.

圖4 燃煤發(fā)電機組生命周期評價系統(tǒng)邊界

參數(shù)數(shù)值電廠額定發(fā)電功率Pe/MW600煤耗量/(t·h-1)220．15電廠壽命/a30電廠建設(shè)周期/a2鍋爐效率ηb/%92．94參數(shù)數(shù)值汽輪機機械效率ηm/%98管道效率ηp/%98發(fā)電機效率ηg/%98廠用電率ζap/%5．05汽輪機絕對內(nèi)效率ηi/%48．24

表8 設(shè)計煤種的元素分析和工業(yè)分析

表9 單位產(chǎn)量主要耗材的CO2排放量[17-19]

Tab.9 CO2emission from specific yield of main consumables

耗材名稱鋼鋁鐵鋼筋混凝土水泥銅PVCCO2排放量/(g·kg-1)11601740116030116713041497

表10 電廠建造所需耗材數(shù)據(jù)1)

注：1)數(shù)據(jù)來源于某電廠建造數(shù)據(jù).

4 生命周期影響評價模型

為了對風力發(fā)電、光伏發(fā)電及燃煤發(fā)電等發(fā)電方式的生命周期評價進行橫向比較，在計算時確定以單位發(fā)電量(即1 kW·h)為基準單位.

風力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃煤發(fā)電的資源消耗及其排放的各種污染物對環(huán)境的影響主要包括全球變暖、環(huán)境酸化、固體廢棄物等方面.環(huán)境影響評價是對清單分析過程中得出的環(huán)境干擾因子進行的評價，環(huán)境影響評價主要分為3部分：分類、特征化和加權(quán)評估.

4.1 環(huán)境影響分類

確定風力發(fā)電、光伏發(fā)電及燃煤發(fā)電所消耗物質(zhì)的消耗量，以及生成物質(zhì)的生成量，便于對機組的環(huán)境影響類型進行分類.基于不同的發(fā)電方式，可以將生命周期內(nèi)環(huán)境干擾因子分為3類，如表11所示.

表11 發(fā)電機組生命周期內(nèi)環(huán)境干擾因子分類

Tab.11 Environmental interference factors in life cycle of a power plant

環(huán)境影響類型環(huán)境干擾因子全球變暖CO2酸化SO2、NOx固體廢棄物灰渣、脫硫石膏

4.2 環(huán)境影響潛值

環(huán)境影響潛值指發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)過程中所有環(huán)境排放影響的總和，其表達式如下：

ηEP(j)=∑ηEP(j)i=∑[Q(j)i·ηEF(j)i]

(5)

式中：ηEP(j)為機組生命周期的第j類潛在環(huán)境影響類型的貢獻值；ηEP(j)i為機組生命周期中第i類環(huán)境干擾因子對第j類環(huán)境影響類型的貢獻值；Q(j)i為機組生命周期的第j類環(huán)境影響類型所包含的第i類環(huán)境干擾因子的排放量或消耗量；ηEF(j)i為機組生命周期的第j類環(huán)境影響類型所包含的第i類環(huán)境干擾因子的當量系數(shù).

4.3 數(shù)據(jù)標準化

為了對不同類型的環(huán)境影響數(shù)據(jù)進行橫向?qū)Ρ确治?，需對不同類型的環(huán)境影響數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，筆者以人均資源消耗總量和人均對環(huán)境的潛在影響作為無量綱化分析基準，以1990年的數(shù)據(jù)作為標準化的基準，建立每年每人造成的平均環(huán)境影響潛值，即標準當量[20-22].標準化后的潛在環(huán)境影響和資源消耗表達式如下：

(6)

式中：ηNP(j)為標準化后的潛在環(huán)境影響和資源消耗；T為單位電量的生命周期；ηER(j)90為1990年的第j類環(huán)境影響類型的基準.

4.4 加權(quán)

數(shù)據(jù)的標準化說明了潛在環(huán)境影響的大小，由于不同的環(huán)境影響類型對環(huán)境所造成的影響程度大小不一，因此為了更合理地分析與評價不同環(huán)境影響類型對環(huán)境的影響，需對不同的環(huán)境影響類型賦予不同的權(quán)重，運用常用的層次分析法(AHP)計算各發(fā)電方式下環(huán)境影響類型的權(quán)重[23-24]，賦予權(quán)重后的環(huán)境影響潛值ηWP(j)表達式如下：

(7)

式中：ηWF(j)為第j類環(huán)境影響類型的權(quán)重系數(shù).

采用專家打分法對機組的環(huán)境影響進行標度，對環(huán)境影響類型之間的相對影響程度進行標準化處理，求取其特征化向量，并進行一致性檢驗，得出各環(huán)境影響類型的權(quán)重指標.

5 結(jié)果與分析

5.1 碳足跡分析

風力發(fā)電、光伏發(fā)電及燃煤發(fā)電在生命周期各階段的碳足跡如圖5所示.在電廠建設(shè)階段，光伏發(fā)電的碳足跡最高，為286.16 g/(kW·h)，風力發(fā)電的碳足跡為9.42 g/(kW·h)，燃煤發(fā)電的碳足跡最低，為1.94 g/(kW·h),可見在電廠建設(shè)階段，單位發(fā)電量下光伏發(fā)電能耗最高，對環(huán)境的影響最大，而燃煤發(fā)電能耗較低，對環(huán)境的影響最小.在組件運輸階段，燃煤發(fā)電由于設(shè)備眾多，從而單位發(fā)電量的碳足跡最高，為1.2 g/(kW·h)，光伏發(fā)電次之，為0.42 g/(kW·h)，風力發(fā)電最低，為0.015 g/(kW·h).在發(fā)電運營階段，由于光伏發(fā)電的檢修及維護工作量比較小，其碳足跡最小，風力發(fā)電次之，為0.019 g/(kW·h)，燃煤發(fā)電的碳足跡最高，為83.3 g/(kW·h).在廢棄處置階段，燃煤發(fā)電和光伏發(fā)電的碳足跡基本相同，均為0.194 g/(kW·h)，風力發(fā)電最低，為0.02 g/(kW·h).由圖5可知，在發(fā)電運營階段，風力發(fā)電和光伏發(fā)電的碳足跡相對燃煤發(fā)電來說，其值很小，從保護環(huán)境角度考慮，應大力發(fā)展風力發(fā)電和光伏發(fā)電.風力發(fā)電在整個生命周期各環(huán)節(jié)的碳足跡均很小，大力發(fā)展風力發(fā)電對保護環(huán)境有著重要意義.

圖5 風力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃煤發(fā)電的碳足跡

圖6為風力發(fā)電機組、光伏發(fā)電機組及燃煤發(fā)電機組各階段碳足跡占各發(fā)電方式全生命周期中碳足跡的比例.風力發(fā)電機組與光伏發(fā)電機組的碳足跡占比主要體現(xiàn)在電廠建設(shè)階段，分別為99.4%和99.78%，應采用有效技術(shù)手段降低風力發(fā)電機組與光伏發(fā)電機組在此階段的CO2排放量.

風力發(fā)電與光伏發(fā)電在組件運輸階段的碳足跡占比較小，分別為0.16%和0.15%，該階段的能耗主要以運輸能耗為主.

圖6 風力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃煤發(fā)電的碳足跡占比

在發(fā)電運營階段，由于光伏發(fā)電幾乎不產(chǎn)生碳排放，故該階段內(nèi)其碳足跡占比幾乎為零.燃煤發(fā)電的碳足跡占比主要表現(xiàn)在發(fā)電運營階段，占比為96.13%，該階段燃煤發(fā)電煙氣中含有大量CO2，從而在生命周期內(nèi)該階段的碳足跡占比最大.由圖6可知，為了改善碳排放的現(xiàn)狀，要在電廠建設(shè)階段降低風力發(fā)電和光伏發(fā)電的CO2排放量；在生產(chǎn)運營階段降低燃煤發(fā)電的CO2排放量.

5.2 環(huán)境影響負荷分析

對同一種環(huán)境影響類型下的環(huán)境干擾因子進行特征化處理，便于比較環(huán)境干擾因子對環(huán)境的影響程度.全球變暖作為最主要的環(huán)境影響類型，環(huán)境干擾因子只包括CO2，因此其當量系數(shù)為1，環(huán)境影響潛值為1，其特征化結(jié)果為實際排放量.酸化情況下，環(huán)境干擾因子有SO2和NOx，取SO2作為參照物，其當量系數(shù)為1，對NOx進行特征化處理，其當量系數(shù)為0.7.固體廢棄物對環(huán)境的影響主要表現(xiàn)為占用空間，故環(huán)境干擾因子的特征化結(jié)果為實際排放量，其當量系數(shù)為1.風力發(fā)電、光伏發(fā)電及燃煤發(fā)電的環(huán)境干擾因子當量化如表12所示.

表12 不同發(fā)電方式生命周期內(nèi)各類環(huán)境干擾因子當量化

Tab.12 Life cycle equivalent of all environmental interference factors in different ways of power generation

干擾因子風力發(fā)電光伏發(fā)電燃煤發(fā)電全球變暖(GWP)1)/(kg·kW-1·h-1)9．5×10-32．9×10-10．086環(huán)境酸化(AP)2)/(kg·kW-1·h-1)3．4×10-51．4×10-30．3166×10-3固體廢棄物(SW)/(kg·kW-1·h-1)000．06795

注：1)以1 kg CO2計；2)以1 kg SO2計.

由表12可知，不同發(fā)電方式中單位發(fā)電量下污染物的排放量不盡相同，其中風力發(fā)電對全球變暖及環(huán)境酸化的影響最小.由于光伏板生產(chǎn)過程中沒有脫硫措施，其對環(huán)境酸化影響最大.燃煤發(fā)電的固體廢棄物排放對環(huán)境的影響最大，風力發(fā)電和光伏發(fā)電的固體廢棄物對環(huán)境的影響幾乎為零.

為了更好地對比不同環(huán)境影響類型對環(huán)境影響的嚴重程度，對環(huán)境影響潛值進行無量綱化處理，并對其進行加權(quán)處理，綜合反映全生命周期內(nèi)不同環(huán)境影響類型造成的環(huán)境影響.不同環(huán)境影響類型對環(huán)境影響的相對重要性尺度如表13所示，環(huán)境影響類型如表14所示.

表13 相對重要性尺度及其描述[23]

注：1)Ai和Aj分別為行矩陣和列矩陣,aij和aji為重要性尺度矩陣中的元素.

表14 環(huán)境影響類型重要程度

Tab.14 Relative weighting of different environmental impacts

參數(shù)全球變暖環(huán)境酸化固體廢棄物全球變暖(GWP)156酸化(AP)1/512固體廢棄物(SW)1/61/21

根據(jù)表13和表14可計算得到生命周期內(nèi)各種環(huán)境影響類型的相對權(quán)重(WGWP=0.725 8，WAP=0.172 1，WSW=0.102 1)，對機組生命周期內(nèi)的各種環(huán)境影響類型進行加權(quán)處理.

圖7為風力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃煤發(fā)電的環(huán)境影響潛值.由圖7可知，在整個生命周期內(nèi)，燃煤發(fā)電對全球變暖的影響遠遠大于風力發(fā)電和光伏發(fā)電，風力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃煤發(fā)電的CO2排放量分別為7.9×10-7標準當量、2.4×10-5標準當量和3.63×10-5標準當量.對環(huán)境酸化影響最大的為光伏發(fā)電，為6.7×10-6標準當量.燃煤發(fā)電中固體廢棄物排放對環(huán)境的影響最大，為2.76×10-5標準當量，風力發(fā)電和光伏發(fā)電的固體廢棄物排放幾乎為零.從降低全球變暖趨勢的層面來看，應當降低燃煤發(fā)電的比例，風力發(fā)電和光伏發(fā)電可以有效地減少大氣污染物，減緩全球變暖趨勢；從固體廢棄物排放角度來看，風力發(fā)電和光伏發(fā)電具有無可比擬的優(yōu)勢.燃煤發(fā)電由于采取了有效的脫硫措施，其對環(huán)境酸化的影響顯著降低.

圖7 風力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃煤發(fā)電的環(huán)境影響潛值

Fig.7 Potential impacts of wind, PV and coal-fired power generation to the environment

綜上所述，風力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃煤發(fā)電等多種發(fā)電方式協(xié)調(diào)發(fā)展是電廠應對溫室效應和環(huán)境酸化的有效手段，對解決全球變暖問題具有重要作用.如果同時實現(xiàn)脫碳、脫硫、脫硝，將在很大程度上減小對環(huán)境的影響，實現(xiàn)綠色生產(chǎn).

6 結(jié) 論

(1) 風力發(fā)電與光伏發(fā)電在電廠建設(shè)階段的碳足跡占比較大，分別為99.4%和99.78%，運輸過程的碳足跡占比較小，在發(fā)電運營階段碳足跡占比幾乎為零.燃煤發(fā)電的碳足跡占比主要表現(xiàn)在發(fā)電運營階段，占比為96.13%，該階段燃煤發(fā)電的碳足跡最高，為83.3 g/(kW·h).在廢棄處置階段，燃煤發(fā)電和光伏發(fā)電的碳足跡基本相同，為0.194 g/(kW·h)，風力發(fā)電最低，為0.02 g/(kW·h).

(2) 燃煤發(fā)電對全球變暖的影響大于風力發(fā)電和光伏發(fā)電，風力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃煤發(fā)電的CO2排放量分別為7.9×10-7標準當量、2.4×10-5標準當量和3.63×10-5標準當量.對環(huán)境酸化影響最大的為光伏發(fā)電，為6.7×10-6標準當量.燃煤發(fā)電機組固體廢棄物排放對環(huán)境的影響最大，為2.76×10-5標準當量.

(3) 為了降低各發(fā)電方式對環(huán)境的影響，在電廠建設(shè)階段降低風力發(fā)電和光伏發(fā)電的CO2排放量；在發(fā)電運營階段降低燃煤發(fā)電機組的CO2排放量.從降低全球變暖趨勢的層面來看，應當降低燃煤發(fā)電的比例，增大風力發(fā)電和光伏發(fā)電的比例；從固體廢棄物排放角度來看，應大力發(fā)展風力發(fā)電和光伏發(fā)電.

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Analysis on Environmental Load of Wind, PV and Coal-fired Power Generation Based on Life Cycle Assessment

JIA Yalei1,2, WANG Jixuan3, HAN Zhonghe1, PANG Yongchao1, AN Peng1

(1. School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University,Baoding071003,HebeiProvince,China; 2.HebeiSoftwareInstitute,Baoding071000,HebeiProvince,China; 3.CollegeofWaterConservancyandHydropower,HebeiUniversityofEngineering,Handan056021,HebeiProvince,China)

Life cycle assessment systems of wind, PV and coal-fired power generation were established based on life cycle assessment theory, so as to compare and analyze their environmental load produced at different stages. Results show that in the construction state of a power plant, the carbon footprint of coal-fired power generation is 1.94 g/(kW·h), which is the lowest in the three power generation ways, and the carbon footprint of wind power generation is 9.42 g/(kW·h), which is the highest. Whereas in the operation stage of a power plant, the carbon footprint of PV power generation is almost zero, and that of wind and coal-fired power generation is respectively 0.2 g/(kW·h) and 83.3 g/(kW·h), indicating that coal-fired power generation produces the highest carbon footprint. The ratios of carbon footprint in construction stage for wind and PV power generation are relatively high, which are 99.4% and 99.78%, respectively; while the ratio of carbon footprint in operation stage for coal-fired power generation has the highest value of 96.13%. Results also indicate that coal-fired power generation has the greatest influence on global warming in a whole life cycle with a standard equivalent of 3.63×10-5, while wind power generation has the least influence with a standard equivalent of 7.9×10-7; whereas PV power generation has the biggest impact on environmental acidification with a standard equivalent of 6.7×10-6, and wind power generation has the smallest impact with a standard equivalent of 1.6×10-7. The emission of solid waste is almost zero in both wind and PV power generation.

renewable energy; life cycle assessment; carbon footprint; emission intensity

2015-12-11

2016-03-07

河北省科技廳資助項目(16455203D)；河北省教育廳基金資助項目(QN2015108)；博士科研啟動基金資助項目(20120134)；邯鄲市科技局基金資助項目(1528102058-2)

賈亞雷(1975-)，男，河北博野人，副教授，博士研究生，研究方向為風力機葉片設(shè)計及優(yōu)化. 王繼選(通信作者)，男，博士，講師，電話(Tel.)：15231012060；E-mail：wangjixuan113@163.com.

1674-7607(2016)12-1000-10

X82

A 學科分類號：610.30