基于全生命周期的风电系统碳排放核算与分析

李新航

（北京天润新能投资有限公司，北京 100029）

1 引言

新能源和可再生能源绿色低碳、环境友好，是世界各国应对能源危机和环境恶化的重要途径，代表能源未来的发展方向。至2019 年年底，我国风电电量占到全社会总用电量的5.5%［1］，是继煤电和水电之后的第三大电源。目前，国家已明确在2030 年前实现碳排放达峰，在2060 年前实现碳中和的总体目标。在此进程中，风电对于我国社会实现碳达峰、碳中和起着关键性作用。

本文基于全生命周期视角，对风电系统的碳排放进行研究。通过构建风力发电全生命周期的碳排放测算模型，以广西某50 MW 风电项目为案例，系统、全面、定量地测算风电系统全生命周期中的碳足迹，并进行减排量计算，得出一个典型的风电场实现碳中和的时间期限（碳回收期），并分析影响碳排放水平的主要因素与实现减排的主要手段。

2 方法和数据

2.1 碳足迹计算方式

碳足迹是在一个生产系统中，基于生命周期评价（LCA）的方法对于主要温室气体的排放和吸收的集合，用以衡量人类活动对于环境的影响，本文利用二氧化碳（CO2）排放当量的形式来表征，即某个产品在其从原材料一直到生产（或提供服务）、使用、维护和处置/再生利用等所有阶段的温室气体排放［2-4］。本研究基于LCA 方法，对风电全生命周期过程直接和间接排放的温室气体进行分析与量化，温室气体范畴包括CO2、氟利昂（HFCs）和六氟化硫（SF6）等［4-5］。

2.2 系统边界

风电系统边界是从风机各种原材料的获取与生产直至退役期设备的回收与处置。系统边界包含了风电场4 个生命阶段，即风机生产与制造阶段、风电场建设施工及设备运输阶段、运营维护阶段、退役阶段（从完整生命周期考虑，该阶段为预估阶段）［4，6］，见图1。

图1 风电场全生命周期碳排放核算系统边界

2.3 研究对象与数据来源

核算对象为广西某50 MW 风电场工程，共布置金风25 台2.0 MW 风机，总装机容量50 MW。场址大部分属中低山地貌，场地内地面高程650～1 065 m，相对高差50～350 m，属于山地丘陵风电场。风电场服役期为20 年，年利用小时数为2 160 h。工程永久征地总面积为0.28 km2，临时征地总面积为0.21 km2。

本研究基于风机厂商提供的技术文件以及现场调研数据对风电场生命周期温室气体排放进行核算。主要材料碳排放因子来源于IPCC 报告、IPCC 国家温室气体排放清单指南、绿色奥运建筑研究课题组、ICE（Inventory of Carbon ＆ Energy）的温室气体排放因子数据库（2019）［7］。

2.4 计算方法

2.4.1 风电机组及电气设备生产与制造

基于风机主机厂家实际调研数据，对风电机组部件的主要材料构成进行分类，见表1。风电场设备构件生产过程中产生的碳排放量根据材料的碳排放系数和材料的消耗量进行计算。风电场退役时部分材料进行回收利用，所以在总的碳排放量中需减去生产回收的材料所产生的碳排放量［4，6］。

表1 风电场电气设备材料构成 t

设备生产制造阶段碳排放量为：

式中，E设备为生产制造阶段碳排放量，tCO2e；Qi为第i种材料的消耗量，t；gi为第i 种材料的碳排放系数。

2.4.2 施工建设阶段

施工建设阶段的温室气体排放主要来源于工程建设材料消耗、施工机械运行的能源消耗等，建筑材料主要是砂石、混凝土和钢筋。项目建设期会产生各类设备的运输排放，运输方式为汽运，根据每种材料的质量、运输距离的乘积加和，进而计算运输过程中的碳排放量。

风电场施工过程中，风机与变电设备占地、道路铺设、集电线路和施工临时占地都会改变原有的土地利用形式，造成地表植被破坏而产生碳汇损失，导致温室气体排放量增加［8］。根据计算，本项目由于风电场建设导致林地、农田、草地征占，并在建设完成后做植被恢复这一过程中引起的碳排放量为158 tCO2e。

建设施工阶段的温室气体排放量为：

式中，E建设为建设阶段碳排放量，tCO2e；mi为第i 种材料与设备的质量，t；di为运输第i 种材料与设备的距离，km；ei为运输车辆的排放系数；MCi为建设施工阶段第i 种建筑材料的消耗量，t；gi为第i 种材料的碳排放系数；MEi为第i 种能源的消耗量，t；Ei为第i 种能源消耗的排放系数；ΔSi为施工阶段工程用地中第i 种植被原占地的变化面积，m2；fbi为第i 种植被的单位固碳量。

2.4.3 生产运维阶段

为维持风电场机械设备的运转及工作人员的日常生活，需要消耗一部分电能，因部分用电来自电网而包含部分火电电量，此部分碳排放量根据风电场下网电量乘以电网的排放因子计算。在日常的运维活动中，检修过程中涉及运输排放。此外，此阶段的温室气体排放还来源于运营期空调等含有的各类冷媒、CO2灭火器、电气设备中SF6的逸散排放。

2.4.4 设备退役阶段

退役阶段的温室气体排放主要来源于风电场内设备与设施拆除过程中施工机械耗能以及废弃物运输过程中运输耗能产生的影响，退役后部分材料进行填埋或焚烧产生的碳排放量。目前风电场的拆除与处置尚未实际发生，风电行业整体也尚未进入退役周期，因此本阶段的测算是基于现有研究进行模糊假设。即保留风电场建设施工阶段所建设的道路设施，拆除后的设备材料将会绝大部分进行资源化处置，玻璃纤维等高分子材料进行填埋或焚烧处置。

设备退役阶段的温室气体排放量为：

式中，E处置为拆除处置阶段碳排放量，tCO2e；E运输，E填埋，E焚烧分别为各类材料运输、填埋以及焚烧部分代表的温室气体排放量，tCO2e；金属以及混凝土的卫生填埋不产生温室气体排放［9］。

2.4.5 风电场生命周期CO2排放量

风电场生命周期CO2排放量计算公式如下：

式中，E 为生命周期温室气体排放总量，tCO2e；E设备，E建设，E运维，E处置分别为设备生产制造阶段、施工建设阶段、运营与维护阶段、拆除处置阶段的温室气体排放量，tCO2e。

某风电场各阶段温室气体排放量见表2。

表2 某风电场各阶段温室气体排放量

3 碳回收期及碳排放不确定性分析

3.1 碳回收期

在运维阶段，风电场上网电量因为理论上替代了该部分的火电电量，由此产生了碳减排量。根据风电在运营期内预估的上网电量可以计算出生命周期内的碳减排量，对比全生命周期的CO2排放量，可以计算出风电场的碳排放回收期。本项目在不考虑设备材料回收的前提下，碳排放回收期不足8 个月，约0.7 年；在考虑设备材料回收的前提下，碳排放回收期约6 个月，约0.5 年。根据20 年生命周期内预估的发电量，生命周期内碳减排量可达1.36×106tCO2e。

3.2 碳排放敏感性分析

由于LCA 碳排放核算过程的线性叠加关系，对比各种类别的排放量，风机制造以及建设阶段各种材料的使用与消耗产生的碳排放所占比重最大，其中以钢材、铸铁的碳排放量最大，其相关参数的变化对于CO2排放总量影响也最为敏感，其次为混凝土利用产生的排放。

在不考虑材料回收抵扣的碳排放时，钢铁消耗产生的碳排放对于总排放量的影响较为显著，当参数变动10%时，对应结果变动5.98%；当考虑材料回收抵扣的碳排放时，混凝土消耗产生的碳排放对于总排放量的影响较为显著，当参数变动10%时，对应结果变动3.81%。

3.3 局限性

风机设备的处置方式将显著影响风电系统全生命周期的碳排放，该过程涉及LCA 方法中一个传统问题就是分配问题［4］，即设备材料的回收处置而引发的碳排放量的分配。从碳足迹计算的模型来看，提升退役风机的材料、设备回收比例，将显著降低风电系统全生命周期的碳排放。目前本项目尚未退役，风电行业还尚未进入大规模的退役期，对于风机退役的相关信息与数据很少，相关的研究可进一步深入。

4 分析与讨论

通过风电系统碳足迹的计算，在其生命周期中碳排放主要来自于原材料获取的过程。各类材料的碳排放系数与各类材料的开采、生产、制造环节的能耗水平，资源回收比例，可再生能源使用比例等息息相关［10］。这些行业通常都是高能耗的行业，因此降低各类材料的综合能耗、提升废料资源化比例并提升可再生能源使用比例，将会显著降低风电系统生命周期内CO2排放总量，有助于下游相关产品实现碳中和。

本研究在计算时采用的各种材料的排放因子，体现的是世界范围内各种材料生产与制造过程中的综合水平，因此在生命周期中的各个阶段采用低能耗、先进工艺生产的相关产品，也会有助于降低总体的碳排放水平。

本研究将由于土地利用类型的改变、植被变化导致的碳汇变化也纳入了全生命周期碳排放计算过程。在考虑材料回收与不回收两种情况下，其排放量占总体排放量的0.61%与0.68%，远远低于风力发电在运营期产生的碳减排量。但是由于地表植被还具有美化环境、保持水土、净化空气、固碳释氧等功能，因此在风电建设过程中应努力减轻植被的破坏并积极地进行生态修复。

本研究在进行生命周期分析时考虑了电气设备及其配套设施的生产及运输排放以及建设施工阶段主要建筑材料的生产及运输排放、施工机械能源消耗、植被扰动产生的排放，运维过程中能耗排放、空调冷媒与SF6的逸散排放，退役设备处理处置过程产生的排放等，因此本研究对各类排放源识别较全面，风电场生命周期碳排放总量相对较高［11-14］。

5 结论

在风电场全生命周期碳排放计算中，风机材料生产和建设阶段产生的碳排放所占比例均较大，退役期风机设备各类材料的回收处置对于碳排放量的影响十分显著。在不考虑材料回收时，风机材料生产和施工建设阶段产生的碳排放所占比例分别为63.39%与23.10%；考虑材料回收时，两者占比分别为18.91%与51.17%。运维过程产生的碳排放占比较小，主要由下网电量产生。

按照本文的碳排放量模型计算，该风力发电系统在全生命周期中的碳回收期不考虑材料回收与考虑材料回收分别约为0.7 年、0.5 年，也就是说，该系统20 年的生命周期中，只需要很短的时间即可以实现碳中和，相对于传统的化石能源电站具有很好的低碳效益。

通过计算及综合分析可见，减少风电系统生命周期碳排放的三大有效途径是：其一，提高原材料生产制造过程中可再生能源消费量占比；其二，提高高耗能行业能效水平；其三，大力发展循环经济，提高废弃物资源化的水平。