可再生能源发电对PM10 和PM2.5减排的贡献核算

余红

中国环境科学研究院，北京 100012

近年来，我国雾霾天气频发，影响范围大、持续时间长，严重影响了居民的身心健康和出行安全。2013年1月我国出现了持续大规模的雾霾天气，涉及17个省市自治区1/4 的国土面积，影响约6 亿人口，据环境保护部门监测数据显示，74 个城市空气质量总体超标天数比例为68.4%，重度和严重污染的比例达到30.2%，其中PM2.5超标尤其严重，平均超标率为68.9%，PM2.5最大日均值达到766 μg/m3［1］。

细颗粒物(PM2.5)指环境空气中空气动力学直径≤2.5 μm 的颗粒物，是形成雾霾天气的主要原因之一。相较于粗颗粒物(空气动力学直径为2.5 ～10 μm)，PM2.5对人体健康的危害性更大，主要原因在于多环芳烃、过渡金属等有毒有害物质多吸附于粒径小于1 μm 的细微颗粒物上，90%的细微颗粒物可深入到肺泡区，并可进入血液输往全身;而PM10(空气动力学直径≤10 μm)中的粗颗粒物部分经吸入后一般聚集在下呼吸道，危害相对较小［2］。国内外专家学者就PM2.5对人体健康危害开展了大量的研究，如谢元博等［3］采用泊松回归模型评价表明，在空气重污染期间，即便高浓度的大气污染物暴露持续短短几日，也会导致大多数受影响居民出现不同程度的喉痛、咳嗽、呼吸困难等呼吸系统疾病症状，甚至可能导致敏感人群的急性死亡;Vinikoor-Imler 等［4］用生态学研究方法分析发现，PM2.5浓度与肺癌的发生率和死亡率呈正相关关系;Gill 等［5］研究发现，PM2.5浓度升高，会使身体整个系统发生炎症，进而引起冠心病、动脉粥样硬化、中风等心血管疾病发病率的上升;Madrigano 等［6］认为，PM2.5会使人们患急性心肌梗死的风险增加16%。

为改善全国空气质量，2013年9月10日，国务院印发了《大气污染防治行动计划》，提出了具体的细颗粒物年均浓度下降指标，并就实现该目标提出了10 项具体措施，其中明确提出了“积极有序发展水电，开发利用地热能、风能、太阳能、生物质能”。

1 可再生能源发电发展现状及规划

1.1 可再生能源发电现状

我国拥有丰富的可再生能源资源，但多年来并未得到有效的开发和利用，2011年我国水电、核电、其他能源发电仅占一次能源生产量的8.8%(发电煤耗计算法)［7］。发电是可再生能源利用的一种重要形式，2012年我国可再生能源总装机容量为30 197 ×104kW(占当年总装机容量的26.33%)，总发电为9 908 ×108kW·h(占当年总发电量的19.87%)。2012年我国可再生能源发电情况见表1。

表1 2012年我国可再生能源发电情况［8-9］Table 1 Status of renewable energy power generation in China in 2012

从2012年可再生能源发电结构来看，水电占据绝对的主导地位，占可再生能源总发电量的85.41%;其次为风电，占总发电量的10.40%;生物质发电和太阳能发电仍处于起步阶段。

1.2 可再生能源发展规划

“十二五”期间，可再生能源发电在电力体系中上升为重要电源，到2015年可再生能源发电量争取达到总发电量的20%以上［10］。2015年和2020年可再生能源发电主要指标见表2。

表2 可再生能源发电主要规划指标Table 2 The main planning indicators of renewable energy power generation

2 研究方法

2.1 研究边界与基准线

2.1.1 研究边界

从原料/燃料的生产、原料/燃料的运输、电厂发电3 个阶段，确定各类可再生能源发电和燃煤火电的生命周期PM10和PM2.5排放因子。

2.1.2 基准年

以2012年为基准年，假设2015年和2020年各类可再生能源发电量均可以达到《可再生能源发展“十二五”规划》中的规划值，计算新增可再生能源发电量所对应的新增PM10和PM2.5减排量。

2.1.3 减排基准线

②诊断上于与国内外多数学者对颈源性头痛患者诊断相比:更简洁明了,医生更易掌握,尤其是基层医生。具体内容见前段解释。

以燃煤火电全生命周期单位发电量PM10和PM2.5排放系数为基准线，将其与可再生能源发电的排放系数进行差值，得出以可再生能源发电替代燃煤发电的单位发电量PM10和PM2.5减排系数，进而计算出减排贡献量。

2.2 生命周期评价法介绍

生命周期评价(life cycle assessment，LCA)，也称为“生命周期分析”、“生命周期方法”、“摇篮到坟墓”、“生态衡算”等，其最早应用可追溯到1969年美国可口可乐公司对不同饮料容器的资源消耗和环境释放所做的特征分析，该公司在考虑是否以一次性塑料瓶替代可回收玻璃瓶时，比较了2 种方案的环境友好情况，肯定了前者的优越性［11］。国际环境毒理学与化学学会(The Society of Environmental Toxicology and Chemistry，SETAC)对生命周期评价的定义为:一种评价产品、工艺过程或活动从原材料的采集和加工到生产、运输、销售、使用、回收、养护、循环利用和最终处理整个生命周期系统有关的环境负荷的过程［12］。1997年，国际标准化组织发布的ISO 14040将生命周期评价定义为:汇总和评价一个产品、过程(或服务)体系在其整个生命周期的所有及产出对环境造成的和潜在的影响方法［13］。2006年，国际标准化组织对生命周期评价新的定义为:从整个生命周期对一个产品系统的输入、输出和潜在的环境影响进行汇总和评估［14］。

我国于1999年和2008年分别对相应的国际标准予以等同转化，发布了相应的国家标准。陈亮等［15］对GB/T 24040—2008《环境管理生命周期评价原则与框架》进行了解读:LCA 考虑产品的整个生命周期，即从原材料的获取、能源和材料的生产、产品制造和使用，到产品生命末期的处理以及最终处置;生命周期清单分析(life cycle inventory analysis，LCI)包括数据的收集和计算，以此量化产品系统中相关输入和输出;LCA 中影响评价的目的是根据LCI 的结果对潜在环境影响的程度进行评价。

3 对PM10和PM2.5减排的贡献核算

3.1 燃煤火电排放因子

黄智贤等［16］从燃料开采、燃料运输、燃料发电和厂房建设4 个阶段计算了燃煤电厂的生命周期废气 排 放 清 单，其 中 PM10排 放 系 数 为0.442 2 g/(kW·h)。

3.2 可再生能源发电排放因子

3.2.1 水电排放因子

邹治平等［17］应用生命周期分析法，对水力发电的工程用材的冶炼、材料运输、电能输送3 个阶段进行分析，计算出水电站发电449 ×108kW·h，向大气排放烟尘157.8 t、粉尘1 551.78 t，即单位水电发电量烟粉尘排放系数为0.038 g/(kW·h)。

3.2.2 风电排放因子

邹治平等［18］应用生命周期分析法对风力发电的电厂用材冶炼、材料运输、电厂建设3 个阶段进行分析，计算出风力发电厂发电400 GW·h，向大气排放烟尘20.662 t、粉尘49.368 t，即单位风电发电量烟粉尘排放系数为0.175 g/(kW·h)。

3.2.3 太阳能发电排放因子

3.2.4 生物质发电排放因子

刘俊伟［20］从秸秆种植过程、运输过程、发电阶段计算出发电10 000 kW·h 的生命周期烟粉尘排放量为2.240 kg，即单位生物质发电量烟粉尘排放系数为0.224 g/(kW·h)。

3.3 减排因子确定

2012年2月29日发布的GB 3095—2012《环境空气质量标准》中PM2.5的年均值和24 h 平均值二级标准均为PM10的50%。参考该标准，假设燃煤发电和可再生能源发电的PM2.5排放系数均为PM10的50%，得到可再生能源发电替代燃煤发电PM10和 PM2.5的减排因子(表3)。

表3 可再生能源发电替代燃煤发电PM10和PM2.5减排因子Table 3 PM10 and PM2.5 reduction factor for substitution of coal-fired power generation by renewable energy g/(kW·h)

3.4 减排量核算

根据表2 和表3，以生命周期评价法计算可再生能源发电替代燃煤火电的温室气体减排贡献量，结果见表4。

表4 可再生能源发电替代燃煤火电对PM10和PM2.5减排量的计算结果Table 4 Calculation results of PM10 and PM2.5 emission reduction for substitution of coal-fired power generation by renewable energy

由表4 可以看出，以可再生能源发电替代燃煤火电可以实现较好的PM10和PM2.5减排效果，2015年PM10可减排44.21 ×104t/a(占2011年中国电力烟尘年排放115 ×104t［21］的38.44%)，PM2.5可减排22.10 ×104t/a;2020年PM10可减排65.41 ×104t/a(占2011年中国电力烟尘年排放的56.88%)，PM2.5可减排32.71 ×104t/a。

4 结语

(1)从各类可再生能源发电替代燃煤火电的减排系数来看，从高到低依次为水电＞并网风电＞太阳能发电＞生物质发电;以可再生能源发电替代燃煤发电在2012年已经实现了较好的PM10和PM2.5减排效果，减排量分别为37.87 ×104和18.94 ×104t/a，有助于大气环境质量的改善。

(2)“十二五”期间及以后，可再生能源发电仍将是应对大气污染防治的一项重要措施，与2012年相比，2015年新增减排PM106.34 ×104t/a 和PM2.53.17 ×104t/a，2020年新增减排PM1027.54 ×104t/a和PM2.513.77 ×104t/a。

(3)煤炭是我国的主要能源，占我国一次能源的70%左右，同时燃煤火电约占我国总发电量的80%，而且在未来相当长时期内，煤炭作为主体能源的地位不会改变。发展可再生能源发电，有助于促进我国电力结构和能源结构的逐步优化，进而实现能源生产的清洁化和低碳化。

(4)可再生能源是优质清洁能源，以可再生能源发电替代燃煤火电，不仅可以实现PM10和PM2.5的减排，同时也可以实现SO2、NOx等多种局地大气污染物和温室气体的减排，具有较强的协同效应，应给予更强有力的政策支持，不断提高可再生能源在一次能源中的比重。

［1］中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会.《2013年空气污染(雾霾)健康影响监测工作方案》解读［EB/OL］. (2013-10-28 ). http://www. nhfpc. gov. cn/jkj/s5899tg/201310/c7b191f8db0e4f2db21144292ff855db.shtml.

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