5 MW 风光互补发电系统的碳排放核算

张朝祥 戴前进 朱状 邓薇 郭星导 董翟龙

（徐州工程学院物理与新能源学院，江苏徐州 221018）

1 引言

2020 年我国提出碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和［1］。电力行业是碳排放的主力军，必须加快构建以新能源为主体的新型电力系统［2］。

当前研究中，风力发电的生命周期CO2排放明显低于传统火力发电，具有巨大优势，因此国内外对风电碳核算的研究逐渐深入。目前在风电方面主要通过优化建设过程、降低材料消耗以及提高发电效率，减少CO2排放，使风电更加低碳。同时有学者通过构建风电全生命周期碳排放核算模型，分析风电碳排放主要来源。在光伏发电方面，生产工艺水平和使用地的气候条件对系统碳排放有重要影响。扩大光伏发电规模能降低系统的碳排放强度，缩短碳补偿时间［3］。已有的研究大多针对单一的风力或光伏发电系统进行碳核算，而缺乏对风光互补系统的全生命周期碳核算。本文旨在研究风光互补发电系统在制造、运输安装、运营及废置回收全生命周期过程的碳排放，分析整个系统的碳排放量和潜在减排措施，为基于风光互补发电的低碳园区建设提供参考。

2 风光互补发电系统碳核算方法

本文选取核算对象为典型5 MW 风光互补发电系统，由2 MW 风力发电系统和3 MW 光伏发电系统组成，计算系统从制造、运输、安装、运营到废置和回收全生命周期的CO2排放［4］。

2.1 风力发电系统的碳核算方法

在制造过程中，风力发电机主要耗费大量铜、铁、钢、铝等金属，塔架主要耗费大量混凝土。根据2 MW 风力发电机组制造过程所需主要材料的数量、碳排放因子和排放量，其CO2排放量为371.20 t。

在运输过程中，系统的设备主要依靠公路运输，消耗汽油与柴油。假设平均运输里程500 km，卡车在运输过程中消耗柴油，单位能耗为0.06 L/（t·km）。2 MW 风力机组总质量1 365.31 t，柴油碳排放因子2.73 kgCO2/L，得出风电系统在运输阶段的CO2排放量为111.80 t。

安装过程中需100 个工人，工作6 h。每人每小时排放CO222.4 L，质量约为44 g，计算可得风电安装过程中CO2排放量为0.05 t。

风电系统在运行期间需要检查、维修，由于电能消耗产生碳排放。根据风电场运营的能源年消耗量，以火电CO2排放因子0.81 kg/（kW·h）计算可得运营期排放CO2为2 612.00 t。

在废置回收期，风力发电系统的部分材料可以回收利用，减少碳排放，同时填埋燃烧会增加碳排放。材料回收主要包括不锈钢（90%）、生铁（90%）、铜（95%）。废弃阶段增加的CO2排放量为278.30 t，材料回收减少的CO2排放量为175.30 t，得出整个废置回收过程的CO2排放量为103.00 t。

2.2 光伏发电系统的碳核算方法

光伏发电系统在制造过程中，主要考虑工业硅、多晶硅、硅片、电池片、电池组件和光伏平衡组件等材料的碳排放。由制造过程碳核算可得制造过程的CO2排放量为7 351.00 t。

运输过程与风力运输计算里程相同，1 MW 光伏发电系统质量为74 t。其中燃油的碳排放因子为2.73 kgCO2/L，计算可得光电运输阶段最终排放CO218.18 t。

光伏发电系统的安装过程需100 个工人，工作40 h。计算与风电安装相同，得出安装过程中CO2排放量为0.53 t。

系统在运营过程中，故障率很小，能耗可以忽略，碳排放量以0 计。

回收过程光伏发电系统的部分材料可以回收利用，但报废处理的部分仍产生碳排放。根据计算，系统废置回收过程的碳排放为-879 t。

2.3 风光互补发电系统的碳核算方法

本文中风光互补发电系统的碳核算以风力和光伏二者计算。其中，风力发电系统CO2排放量为3 198.00 t，光伏发电系统CO2排放量为6 490.70 t，得出风光互补发电系统的CO2总排放量为9 688.70 t。

3 风光互补发电系统分析

3.1 系统全生命周期碳排放

风光互补发电系统工作以25 年计，每年0.8%衰减。计算生命周期碳排放与生命周期产生电能之比，得出风力发电系统、光伏系统和风光互补发电系统的CO2排放强度分别为24.0 8，32.58，29.20 g/（kW·h），远低于火力发电碳排放强度［810 g/（kW·h）］，各过程碳排放强度如图1 所示。虽然风电碳排放强度较小，但不稳定性较大。风光互补发电系统利用风力发电降低了整体的碳排放强度，同时利用光伏发电增加了系统发电的稳定性。

图1 碳排放强度比较

风光互补发电系统各个过程占比分别为79.7%，1.34%，0.006%，26.96%，-8.01%。同理得出风力发电系统各个过程占比分别为11.6%，3.5%，0.002%，81.7%，3.2%。光伏发电系统各个过程占比分别为113.3%，0.28%，0.008%，0，-13.5%。可见光伏与风光互补系统在制造过程中碳排放占比最大，而风力发电系统在运营过程中的碳排放占比最大。光伏发电系统可通过使用低碳材料，在风机塔架建设时采用金属可回收材料，并在运营阶段提高运行水平、减少故障率来减少CO2的排放。

3.2 环境影响

系统由1 台2 MW 风力发电机和12 000 块光伏板组成。光伏板占地面积1.96 万m2，2 MW 风机占地面积515 m2，草地对CO2的年吸收量为111 gCO2/m2，因此由于系统占地每年减少草地吸收CO2量为2.23 t。光伏板占地面积较大，在运行中应考虑光伏板的排列并适当增加植被，以减少对生态的影响。

3.3 回收周期

系统每天运行8 h，每年可产生电14.6 GW·h。火力发电碳排放系数为0.81 kg/（kW·h），故折算为火电，可以减少1.182 6 万t 的CO2排放量。考虑所用草地每年减少吸收CO2量为2.23 t，得出系统最终每年碳减排1.18 万t。本研究回收周期以全生命周期产生CO2（9 688.7 t）与全年减少碳排放（1.182 38万t）之比，计算得出需要10 个月回收系统产生的CO2。

4 结论

本文以5 MW 风光互补发电系统为例，对风力和光伏发电系统的制造、运输、安装、运营和废置回收过程进行碳核算。结果显示，风力发电系统的CO2排放强度为24.08 g/（kW·h），光伏发电系统的CO2排放强度为32.58 g/（kW·h），风光互补发电系统的CO2排放强度为29.20 g/（kW·h）。风光互补发电系统利用风力发电降低了整体的碳排放强度，同时利用光伏系统增加了系统发电的稳定性。光伏发电系统在制造过程中碳排放量占比最大，为113.3%；风力发电系统在运营过程中碳排放量占比最大，为81.7%。建议在光伏发电系统制造过程中使用低碳材料，在风机塔架建设时采用金属可回收材料，并提高电站运行水平，以减少CO2的排放。