风能电转气全生命周期对环境的影响分析

薛 崟， 段钰锋

(东南大学 能源与环境学院， 南京 210096)

中国是资源消耗大国，传统化石能源在能源结构中占据相当大的比例[1]，其使用造成了严重的环境污染，其中温室效应的影响最为突出。大力开发可再生能源是缓解环境污染问题的良策。中国可再生能源的储备量十分丰富，其中风能因具有储量丰富、转化效率高的优点得到了广泛的开发和利用。风能的主要利用形式为风能发电，而风能的波动性、季节性[2]等特征造成了风电的不稳定性。为维护电力系统持续稳定地运行，风能弃能率一直居高不下，造成风能资源的严重浪费。

电转气技术是一种以电解水的方式生成可燃气体的化学储能技术。将电转气技术与风能协同利用，构成综合能源系统，不仅可以降低电转气技术的购电成本，而且能够有效缓解弃风现象，提高能源利用率。

目前，电转气技术已经引起国内外的广泛关注。沈海平等[3]通过研究组合线性模型下电转气技术对系统运行的影响，指出电转气技术可加强综合能源系统的耦合程度并有效提升系统经济性。刘继春等[4]提出了电转气技术在运行过程中环境成本和能量损失的经济优化模型，分析了氢气-天然气混合储能系统的运行特性，指出综合能源系统具备经济环保的优点。BLANCO H等[5]指出在可再生能源并网的情况下，电转气技术能提高系统运行效率和储能性能。陈沼宇等[6]在微网型能源集线器模型的基础上，发现了电转气技术可明显改善弃风现象。GUANDALINI G等[7]提出通过电转气技术与燃气轮机相结合的方式能减少弃风量。WULF C等[8]阐述了采用多种可再生能源协同发电的方式为电转气技术提供电能，并论述了电转气产物的多种利用方式。杜琳等[9]分析了电转气技术对改善风能过剩率的影响，验证了电转气技术能够有效减少弃风量。黄国日等[10]运用能源集线器模型，系统分析了电转气技术对消纳过剩风能的作用。

上述研究成果为深入探索风能电转气技术各方面性能奠定了坚实的理论基础。然而，上述研究大多考虑综合能源系统的经济效益，却没有深入研究风能电转气系统运行对环境的影响，无法直观地展现该技术各阶段对环境的影响程度。因此，有必要对风能电转气技术进行生命周期评价，以判断该技术的投资价值及其带来的环境影响。

笔者基于现有研究成果，对风能电转气技术的工艺流程进行描述，通过分析工艺流程各阶段的资源输入与输出情况，获得各阶段污染物排放清单，在此基础上对风能电转气技术进行生命周期评价；同时，基于环境影响评价得出的结果，对比分析风能电转气技术和普通电转气技术对环境的影响，说明风能电转气技术的优势。

1 风能电转气技术

电转气分为电转氢气(水电解过程)和电转甲烷(甲烷化过程)[11]。电转氢气分为碱性电解(AWE)、质子交换膜电解(PEME)与固体氧化物电解(SOEC)等电解方式；电转甲烷主要有化学甲烷化(CM)和生物甲烷化(BM)2种转化方式。电转气技术的主要类型及其特性见表1[12]。

表1 电转气技术的主要类型及其特性

虽然电转气技术总体转化效率较高，但是高昂的投入成本是电转气快速发展的障碍，其投入成本主要由购电成本与碳捕集成本构成。因此，利用可再生能源发电与加快碳捕集系统的技术革新，是降低电转气技术投入成本、实现电转气技术商业化应用的重要举措。

水电解生成氧气和氢气是电转气的基本途径。在此基础上，通过萨巴蒂埃反应[13]将生成的氢气(H2)与二氧化碳(CO2)在金属催化剂的作用下进一步反应生成甲烷(CH4)和水(H2O)，其原理见图1。

图1 风能电转气技术的原理

电转气系统包含的设备有水电解装置、甲烷化装置及加压装置。水电解产生的氢气可以先储藏在储氢罐中，当风电较为富余，甲烷化反应器无法及时消纳氢气时，可将储氢罐中的氢气作为燃气轮机的燃料，系统运行产生的电能作为水电解的能量供应端，实现能源的回收利用，或将氢气用作燃料电池、氢燃料电池车的燃料，实现氢能的多向利用和灵活配给。系统在进行甲烷化反应时需要将通过碳捕集系统收集到的CO2输送到反应装置中。系统生成的合成甲烷经加压装置压缩后可存储于储气罐中，运输到用户端。该技术以较低成本实现甲烷的大量储存，弥补了电能无法经济存储的弊端。采用电转气这一储能技术来消纳过剩的风电，不仅实现了风能的高效利用，而且显著减少了电转气技术的购电成本。

电转氢气与电转甲烷的比较见表2[4,14]，氢气与甲烷特性的比较见表3[15-18]。

表2 电转氢气与电转甲烷的比较

表3 氢气与甲烷特性的对比

由于氢气的安全隐患较大且不易存储，而甲烷存储方便且运输成本较低，相比而言，电转甲烷在经济性、安全性和实用性等方面具备综合优势，更适合大规模推广使用。因此，主要研究风能电转甲烷的过程，利用生命周期评价对其进行环境影响评价，在了解环境效益的基础上确定其可行性。

2 生命周期评价

生命周期评价是指对产品系统从原材料的采集、加工、包装、运输、使用及最终处理等生命周期有关过程，进行资源和环境影响的分析与评价的方法[19-21]。生命周期评价框架由目标与范围确定、清单分析、环境影响评价和结果解释构成，具体见图2。

图2 生命周期评价框架

风能电转气技术在设备制造、设备运输和搭建、甲烷和氢气的生产、甲烷运输与利用这一完整生命周期过程中会产生一定的污染物排放和资源消耗，因此有必要对其进行环境影响、资源消耗分析，从而确定该技术商业化应用的可行性。目前，有关风能电转气环境影响、资源消耗的文献较少，并且理论体系较为匮乏。因此，开展风能电转气技术的生命周期分析，对评估可再生能源电转气技术的大规模开发利用价值具有深远意义。

2.1 目标与范围确定

风能电转气技术生命周期评价的目标是获得风能电转气技术全生命周期内的环境影响和资源消耗，以生产1 kg CH4为评价标准，分析其经济效益和环境效益。风能电转气系统边界指设备制造、设备运输和搭建、甲烷和氢气的生产、甲烷运输与利用等主要工艺步骤。风能电转气技术的生命周期评价框架见图3。

图3 风能电转气技术的生命周期评价框架

风能电转气技术生命周期评价的影响因素较多，对风能电转气技术的系统边界进行以下假设：

(1) 产品CH4都作为燃料使用且完全燃烧，产物只有CO2与H2O。

(2) 不考虑风电场建设阶段占用土地等资源引起的环境影响。

(3) 不考虑碳捕集系统及加压装置的运行能耗。

2.2 清单分析

风能电转气技术生命周期的环境影响清单由各阶段直接排放和间接排放的污染物构成，例如CO2、CH4、N2O、NOx、SO2、CO、PM10等。资源消耗需要考虑全生命周期过程中能源和矿物质的投入，如铝、铁、钢、煤炭、柴油、水泥等。

2.2.1 设备制造

所研究的风电场由33台1.5 MW的风力发电机、变电站、电缆及配套设施所构成，相关数据由文献[22]获得，包含风力发电机各组成部分的原材料种类及消耗量。根据风力发电机和电转气设备各部件的材料组成和各种主要原材料每吨生产能耗[23]和污染物排放量[24]，可以计算出风力发电机与电转气装置在设备制造阶段的能耗和污染物排放量，结果分别见表4和表5。

表4 设备制造阶段的能耗

表5 设备制造阶段的污染物排放量

2.2.2 设备运输和搭建

设备运输途中只考虑运输工具排放的有害污染物，原材料运输及配件组装运输阶段运输里程取2018年全国公路货物运输平均里程(180 km[25])，交通工具选择载重量8 t的重型货车。每台风力发电机的所有部件需要由8辆重型货车进行运输，甲烷化反应器的质量约8 t[26]，需要用一辆重型货车进行运输，电解水装置与加压装置总质量在8 t以内，可采用同一辆货车运输。货车的油耗为1 L/km，柴油密度取0.9 kg/L，假定柴油完全燃烧，运输过程中的污染物排放(如CO、NOx、PM10)参照国家标准[27]。N2O和CH4的排放因子依据欧洲Ⅲ号排放标准(欧盟组织制定的汽车废气排放标准)中规定的柴油重型货车主要排放物排放因子获得[28]。由于缺乏设备搭建时的有效数据，并且搭建阶段的能源输入和资源消耗与运输阶段比相对较小，所以忽略搭建阶段的排放与能耗。设备运输阶段的能耗和污染物排放量分别见表6和表7。

表6 设备运输阶段的能量消耗

表7 设备运输阶段的污染物排放量

2.2.3 甲烷和氢气的生产

电转气系统的运行原理是先由风力发电机将风能转化为电能，将这部分电能输送到电转气装置，进入电解水装置促使反应的发生并生成H2，H2在甲烷化装置中与CO2反应生成CH4。在运行阶段，主要的能耗包含组合部件的更换、运输等。因为运行阶段的污染物排放及能耗的计算难度较大，可假定1台风力发电机在其全生命周期内平均更换1个叶片和15%的零部件[21]，于是可以假设风电场运行阶段的污染物排放与能耗为初始阶段的15%。电解水的耗能为风电，采用碱性水电解技术，1 m3H2平均消耗5.2 kW·h[29]的电能，电转气过程的排放物只有O2和H2O，生态效益良好。假设H2与CO2反应时所需的高温环境由甲烷化过程产生的余热来提供，并且不考虑金属催化剂生产所需的能源、设备及催化剂材料的处理。

通过Aspen Plus软件对电转气系统进行模拟，系统仿真图见图4，反应器初始参数设置见表8。

图4 电转气系统仿真图FEED—给水装置；ELECTRIC—电解水装置；METHANE—甲烷化装置；COOLER—冷凝器；SEP、SEP1、SEP2—分离器；MIX1、MIX2、MIX3、MIX4—物流。

表8 反应器初始参数设置

初始进口物流为H2O，温度为15 ℃，压力为101 325 Pa，质量流量为400 kg/h。CO2的物流数据为：温度为22 ℃，压力为101 325 Pa，质量流量为300 kg/h。H2O进入水电解装置进行反应，反应生成的H2、O2与未参与反应的H2O组成物流，进入分离器进行气液分离；分离出的H2和O2组成物流，进入分离器再次分离，将分离出的H2连同CO2送入甲烷化装置进行反应；反应生成的CH4、水蒸气与未参与反应的CO2组成物流，进入冷凝器中冷凝；最后通过分离器分离出H2O(液态)及CH4和CO2组成的混合气体。水电解与甲烷化过程采用的反应器为RStoic反应器。计算得出1 h耗电量为1 432.48 kW·h(由风电场提供)，生成71.24 kg CH4，所以生产1 kg CH4所需的电量为20.11 kW·h，并且根据模拟结果得出生产1 kg CH4需要消耗4.492 kg H2O和2.743 kg CO2。

2.2.4 甲烷运输与利用

甲烷的运输与利用主要考虑甲烷从生产源到用户使用端的运输过程和甲烷燃烧过程。通过电转气技术生成的合成甲烷经加压装置压缩后形成液化天然气，液化天然气可存放在储存罐中输送到用户端，生产源到用户使用端的运输距离取200 km，运输全程所用的交通工具为载重量8 t的重型货车，燃料是柴油。

以生产1 kg CH4为评价标准的风能电转气技术全生命周期内的环境排放和资源消耗汇总于表9，其中：阶段1、2、3、4、5分别为设备制造阶段、设备运输和搭建阶段、生产中水电解阶段、生产中甲烷化阶段、甲烷运输与利用阶段。全生命周期内的能耗合计80 425.02 kJ。

表9 全生命周期内的环境排放和资源消耗清单

2.3 环境影响评价

环境影响类型及其对应的影响物质见表10。

表10 环境影响类型及其对应的影响物质

采用SimaPro软件对风能电转气技术全生命周期进行环境影响评价，设备制造阶段、设备运输和搭建阶段的资源消耗及污染物排放数据来自Ecoinvent 3.5和ELCD数据库，有关风电输入与输出的相关数据来自文献，其他数据根据Aspen Plus软件模拟所得结果而定，分析方法选择CML-IA baseline 3.05，以生产1 kg CH4为评价标准，得到结果见表11。由表11可得：全球暖化、人体毒性、海洋水生毒性的影响程度较为突出。以生产1 kg CH4为评价标准，影响全球暖化的CO2当量质量为2.96 kg，影响人体毒性的1,4-DB当量质量为18.70 kg，影响海洋水生毒性的1,4-DB当量质量为3 557.00 kg。

表11 风能电转气技术的环境影响评价结果

2.3.1 各阶段污染物排放比较

图5为风能电转气技术生命周期各阶段对环境影响类型的贡献程度。

图5 风能电转气技术全生命周期内各阶段对环境影响类型的贡献程度

在全生命周期中，甲烷化阶段对环境影响类型的贡献程度始终为负值。这是因为甲烷化反应时吸收了大量CO2，并且生成物中只有甲烷和水，对温室效应、臭氧层空洞等环境问题有着显著的缓解作用。

图6为全生命周期内各阶段对全球暖化的影响。由图6可得：在设备制造阶段、设备运输和搭建阶段、甲烷和氢气的生产阶段的CO2当量质量呈递减趋势，甲烷运输与利用阶段对全球暖化的贡献程度最大，其CO2当量质量占比为58.6%，这是因为甲烷燃烧会生成大量CO2。

图6 全生命周期内各阶段对全球暖化的影响

图7为全生命周期内各阶段对海洋水生毒性影响的占比。设备制造阶段对海洋水生毒性的影响较大，占69.22%。这是因为设备制造阶段会投入大量金属耗材，耗材的获取、加工制作过程中会对水体造成严重污染。人体毒性对环境的影响程度较大，仅次于海洋水生毒性，主要影响阶段为设备制造阶段与水电解阶段。全生命周期内对酸化、光化学污染、富营养化的影响较小，其中水电解阶段和设备制造阶段占了主要部分。

图7 全生命周期内各阶段对海洋水生毒性影响的占比

图8为生命周期各阶段对非生物耗竭、酸化、富营养化的影响。

由图8可得：水电解阶段对环境的影响始终处于较高水平，这是因为在获取风电的过程中会排放大量的SO2、磷酸盐等有害物质。

图8 全生命周期内各阶段对非生物耗竭、酸化、富营养化的影响

2.3.2 风能电转气与普通电转气的对比

采用SimaPro软件对普通电转气技术(即燃煤电厂为电转气技术的电能供应端)全生命周期进行环境影响评价，燃煤电厂的资源消耗及污染物排放数据来自Ecoinvent 3.5和ELCD数据库，其他数据根据Aspen Plus软件模拟所得结果而定，分析方法选择CML-IA baseline 3.05，结果见表12和图9。

表12 普通电转气技术的环境影响评价结果

图9 普通电转气技术全生命周期内各阶段对环境影响类型的贡献程度

全球暖化、人体毒性、海洋水生毒性和淡水水生毒性对环境的影响尤为突出，关于这4种环境影响类型，普通电转气技术与风能电转气技术的对比见表13。

表13 风能电转气技术与普通电转气技术的对比

由表13可得：

(1) 风能电转气技术的CO2当量质量为普通电转气技术的8.24%。这是因为燃煤电厂主要以燃烧煤炭的方式产生电能，CO2的大量产生加剧了温室效应，说明风能电转气技术的环境效益明显优于普通电转气技术。

(2) 风能电转气技术的1,4-DB(海洋水生毒性)和1,4-DB(淡水水生毒性)的当量质量分别为普通电转气技术的12.40%和28.63%。这是因为燃煤电厂排放的污水在淡水区域短暂停留后，最终汇入海洋，海洋成了微塑料的聚集地。微塑料可在水体中稳定持久地存在，它能作为微生物的载体，促进生物膜的形成并为病原体的繁殖提供温床，使海洋水生毒性增强。微塑料能够吸附污水中的重金属，形成复合毒性的物质会对生物造成巨大伤害，如抑制海洋水生植物的生长、影响贝类的正常发育等。大颗粒微塑料的不断分解，会进一步增加海洋生物对微塑料的摄入量，进而对海洋生物造成严重危害，破坏海洋生态系统的平衡。

(3) 风能电转气技术的1，4-DB(人体毒性)高于普通电转气技术，主要原因是风电场在初期建设阶段消耗了大量原材料，如原材料获取、加工制作等阶段会排放大量重金属、SO2、PM10等污染物，这些污染物是造成人体毒性的主要物质。

3 结语

在论述风能电转气技术原理和工艺流程的基础上，利用生命周期评价模型全面评价风能电转气技术全生命周期内的过程及对环境的影响，通过SimaPro软件对风能电转气技术、普通电转气技术进行生命周期评价分析，得到电转气技术全生命周期内各阶段对环境的影响值。

通过比较不同供电方式下电转气技术的污染物排放情况，得出采用风能作为电转气技术的电能供应端，可大大缓解温室效应、人体毒性、水体毒性等环境问题。风能电转气技术具有显著的环境效益，大规模开发风能电转气技术，可以为CO2和水体污染物的减排作出巨大贡献。风能电转气技术是一种具有可行性的新型可再生能源高效利用方式，具有较大的商业开发价值。