基于生命周期法的海上风电系统温室气体排放核算
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作者:余茜
摘 要：在绿色发展和海上风电项目快速扩张的背景下，海上风电系统的温室气体排放值得关注。已有研究多关注陆上风电系统的环境影响评估，而鲜有研究对海上风电系统温室气体排放进行核算。本研究基于生命周期分析法，对浙江象山海上风电场（一期）的生命周期各阶段温室气体排放进行评估。结果表明，全生命周期温室气体排放量为13.169万吨，与同等发电量的传统燃煤电厂相比，运营阶段海上风电系统每年少排放温室气体143.039万吨，具有一定的净减排效应;设备生产阶段为全生命周期温室气体排放的最大来源，占温室气体排放总量的67%，体现了在生产阶段管控温室气体排放以及优化节能减排的制造工艺的必要性。
关键词：海上风电;生命周期分析;温室气体
一、引言
风能作为一种清洁能源，是传统化石能源的有效替代，风电的发展对于我国绿色发展以及能源体系转型都具有重要的意义。由于海上风电具有风力资源丰富、不占用陆地、能通过水路运输大型风机且临近沿海发达地区便于消纳等优势（文锋，2016），被认为是未来风电的重要发展方向而得到瞩目。2018年全球海上风电新增装机器容量为4.5 GW，其中中国就贡献了近40%的增量（IRENA，2019）。随着海上风电项目的快速扩张，海上风电系统的环境影响值得关注。风电系统在风机制造、原材料制造、运输等环节也会排放一些温室气体（Greenhouse Gas， GHG），需要对其进行核算与评估。
生命周期分析法（Life Cycle Assessment，LCA）充分考虑了产品整个生命周期的投入、产出、能量消耗和环境影响（ISO14044， 2006），被国内外学者广泛应用于风电系统的环境排放评估。海上风电系统生命周期相关研究早期主要集中在国外学者的实践（Hondo，2005;Ardente 等，2008;Gomaa等，2019）。不少学者得出海上、陆上风电系统温室气体排放存在差异。Noori等（2015）发现相同功率的海上风力涡轮和陆上风力涡轮生命周期环境与能量绩效存在差异，海上风力发电机每千瓦时发电所产生的温室气体排放量比陆上风力发电机相比减少48%。Bonou等（2016）得出海上风电系统和陆上风电系统生命周期各阶段的物料消耗和温室气体排放存在差异。因此，将海上风电系统进行温室气体排放核算具有一定的必要性。
由于我国海上风电发展起步时间较晚，绝大多数国内学者的生命周期评估对象为陆上风电系统，主要集中于大气污染物排放、能量回收时间、全球变暖潜力、酸化潜力等方面（Chen 等，2011;Yang 和Chen ，2013;Xue等，2015;Xu，2018;王晓天，2012）。国内关于陆上风电系统的生命周期研究日趋成熟，而鲜有研究者对海上风电系统进行评估。杨举华（2017）运用混合生命周期分析法对我国首个海上风电场进行了能耗和温室气体排放研究。Zhang等（2016）研究了海上风电系统的能量绩效，以及其能源绩效在长期的变化趋势。因此，基于生命周期分析核算海上风电系统的温室气体排放能够弥补该领域相关研究少的现状，并为后续海上风电生命周期研究作参考。
二、研究方法
（一）研究对象
本文拟选取的海上风电系统为位于浙江省象山县鹤浦镇南田岛东侧海域的国电象山1#海上风电场一期。该项目规划装机容量252MW，包括63台单机容量4.0MW的风电涡轮机，配套63台机组变压器以及一座220kV海上升压站（内含2台主变压器），计划运行时间为25年。
风电场数据主要来源为浙江省象山县政府在官方网站公示的、由浙江碧阳环境工程技术有限公司于2019年9月编制的《国电象山1#海上风电场（一期）工程环境影响报告书》，该报告书提供了生命周期评价所需的设备基础信息与环境影响信息。
（二）系统边界
海上风电系统生命周期主要包括设备生产、设备运输、安装、运营维护、回收处理五个阶段。按照时间进行划分，施工期包含设备生产、设备运输和安装三个阶段，运行期包含运营维护阶段和回收处理阶段（如图1），假设回收处理工作于运行期最后一年末进行。
图1 風电系统生命周期边界
（三）清单分析
1、设备生产阶段
本文以原材料单元形式核算海上风电系统的设备材料清单（见表1）。由于缺乏4.0MW风机和风机底座原材料数据，本文参考Nian（2019）研究中4.1MW风机和风机底座原材料相关数据以近似替代。主变压器和变压器底座原材料数据参考Xue（2015）的研究。风机配套变压器相关原材料数据参考王晓天（2012）的研究。
表1 设备材料清单
在设备生产阶段，我们仅考虑风机和变压器的原材料生产产生的排放（见表2）。因此，在设备生产阶段总共排放温室气体88330.695 t。GHG排放强度参考Chen等（2011）的研究。
表2 设备生产阶段的温室气体排放
2、设备运输阶段
需要运输的设备为风机和变压器，假设变压器由风电机组生产厂家配套提供，运输距离为每趟240海里。运输方案参照环评报告。运输工具为5000t驳船，1HP的功率耗油可按150g计，燃油以柴油计。参考杨举华等（2017）的研究，驳船发电机功率按3200HP计，平均航速为12节。因此，则单艘船舶每小时耗油量为480kg。设备总重量为45990.67t，运输约需要一艘驳船往返10趟。参考Chen等（2011）的研究，柴油的GHG排放强度系数为0.45kgCO2-eq/kg。则产生的温室气体排放共计43200kg。
3、安装阶段
安装阶段风机底座和变压器底座建设消耗大量的原材料，主要温室气体排放来源于风机底座和变压器底座原材料生产与运输。水泥和钢生产的温室气体排放强度系数参照Chen等（2011）的研究，铝生产的温室气体排放强度参照Gao 等 （2009）的研究。水泥密度以1.25g/cm3计。安装阶段原材料生产产生的温室气体排放如表3所示，共计31299.381t。 表3 安装阶段的底座材料生产的温室气体排放
钢管柱和水泥为风机和升压站底座的原材料。由于铝的用料较少，其运输产生的排放忽略不计。本文主要考虑水泥和钢材的运输。钢材和水泥在项目周边区域有较可靠的供应来源，运输距离分布为每趟20海里和110海里。钢的总重量约为80996.63t，水泥的总重量约为122664.425 t。参照环评报告，运用5000t级驳船进行运输。钢管柱需运输17趟，水泥需运输25趟。因此，安装阶段的钢材水泥运输产生的GHG排放共55.62 t。
4、运营维护阶段
根据环评报告，风电场风机设计使用寿命为25年。风电场设计运行年限也为25年，因此本文参考戢时雨等（2016）的研究，假设运营维护阶段没有风机组件的替换，不考虑替换风机组件的生产和运输产生的温室气体排放。
同时，由于风力属于清洁能源，其相对于火力发电能有效减少温室气体排放。根据环评报告，风电场年上网电量约 72261 万 kWh。假设自用电率为3.9%（戢时雨等，2016）。参照Chen等（2011）的研究，全国火电厂发电平均耗煤量为356.0g/kWh，我国煤炭低热值为26.3MJ/kg，燃煤电厂的典型温室气体排放系数为0.22 kg CO2-eq/MJ，则风电场在运营阶段每年少排放温室气体143.039万吨。
5、回收处理阶段
由于风电场的拆卸和处置数据难以获得，本文参考（王晓天，2012）的研究，假设在整个回收处理阶段的温室气体排放为生产时的10%，包含设备生产与底座原材料生产，因此回收处理阶段产生温室气体排放11963.008 吨。
三、结果分析
海上风电系统各阶段温室气体排放量如下表所示。假设运营维护阶段没有风机组件的替换，不考虑替换风机组件的生产和运输产生的温室气体排放，相比火力发电，运营阶段每年能少排放温室气体143.039万吨，由于涉及相对净减排量，故不在下表展示。
表4 各阶段温室气体排放量
具体而言，海上风电系统温室气体排放主要排放源为风电机组设备的生产（67%），第二温室气体排放源为设备的底座材料生产（24%），第三为设备回收处理产生的温室气体排放（9%），设备和底座材料运输产生的温室气体排放为最小构成部分，仅占0.075%。
图2 海上风电系统GHG排放构成
四、结论
本文以国电象山海上风电场（一期）为例，运用生命周期分析法对海上风电系统的生命周期温室气体排放量进行核算，得到以下结论：
海上风电系统全生命周期温室气体排放量为13.169万吨。与此同时，由于风电属于清洁能源，相对于火力发电，其一定程度上减少了温室气体排放。与同等发电量的传统燃煤电厂相比，运营阶段海上风电系统每年少排放温室气体143.039万吨。总体而言，其温室气体减排量大于排放量，产生了净减排效应，是一种值得推广的可再生能源发电模式。
温室气体排放主要源于设备和底座原材料的生产、运输过程的温室气体排放，其中设备生产过程成为了温室气体排放的最大来源（67%）。因此，现阶段在研发大直径大功率海上风电机组设备的同时，也要通过技术升级采用更加节约能源、减少排放的制造工艺，在生产过程中考虑可能会带来的环境影响，并予以优化处理。同时，通过合理的海上运输工具选择和路线规划尽可能减少运输过程中的温室气体排放。
海上风电系统与同等发电量的陆上风电系统生命周期温室气体排放存在一定差异。可能是由于海陆风机设备直径功率差异（影响设备生产阶段排放）、风机和变压器底座构造差异（影响安装阶段排放）、运输工具和距离差异（影响运输阶段排放），以及部分生命周期清单核算口径差异造成的。进一步比较海陆风电系统生命周期各阶段温室气体排放差异，是本研究未来需要继续完善的方向。
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