光伏电站项目全生命周期碳排放研究

焦在强，崔 垚，闫兴国，张要玲，于 奇

（1.中电建新能源集团股份有限公司，北京 100101；2.中节能咨询有限公司，北京 100082）

太阳能是一种清洁的可再生能源，“双碳”战略背景下，我国光伏发电产业发展迅速，2022年新增和累计装机容量均为全球第一[1]。传统研究多以末端清洁电力为视角，然而从行业全链条来看，生产、运输、运行及回收处置等阶段实际上都消耗化石能源并排放二氧化碳。全面系统地了解光伏发电项目碳排放逐渐引起国际关注。国内外学者已逐步开展相关研究，主要针对光伏组件，尤其是多晶硅生产。部分学者针对光伏电站开展探索，但由于光伏行业技术更新较快、电站资料可获得性弱等原因，核算范围边界、与时俱进性等方面仍然有待探索。本研究拟采用全生命周期理论，依托案例翔实数据，对光伏电站从摇篮到坟墓的碳排放进行全面核算，为实现全产业链低碳化管理提供参考。

1 研究方法

1.1 系统边界

根据新能源规划，我国大型风电光伏基地建设布局是以沙漠、戈壁荒漠地区为重点，本文以西北某集中式光伏发电项目为例，开展相关研究。项目位于西北荒漠地区，总装机容量为150 MW，占地面积为257.7 hm2，设计寿命为25年。研究范围包括设备及建筑材料生产、运输、建设施工、运行维护与废弃物处理等方面。为实现全生命周期碳排放追溯，本研究所有原料消耗的碳排放核算都追溯到基础矿产和一次能源开采环节。光伏发电项目全生命周期评价的系统边界如图1所示。

图1 光伏发电项目全生命周期评价的系统边界

1.2 全生命周期清单数据

光伏组件生产流程包括硅矿石开采、工业硅生产、多晶硅生产、单晶硅片生产、光伏电池板生产、光伏组件等六个环节。根据光伏组件及支架生产阶段清单，投入硅矿石17 172.83 t、工业硅5 095.79 t、多晶硅4 109.51 t、硅片1 658.25 万片、电24 086.66 万kW·h、天然气138.25 万m3、玻璃与背膜757 万t、铝合金边框30 万套、螺纹钢管1 706 t，产出为太阳能电池组件（总装机容量150 MW）。电气设备主要包括110 kV 升压站机电设施、35 kV 箱式变压器、逆变器以及电线/电缆和光缆/网线。根据电气设备生产阶段清单，110 kV 升压站需要钢63 t、硅钢片63 t、铝16.6 t、铜55.5 t；35 kV 箱式变压器需要钢304 t；逆变器需要钢30.48 t；电线/电缆需求量为10 000 m，光缆/网线需求量为35 400 m。

建筑材料是指构筑物建设、道路铺设以及其他基础施工中使用的材料。根据建筑材料使用清单，构筑物包括综合楼、配电室、二次设备室、集控室和综合水泵房；基础施工部分是指光伏支架、35 kV 箱式变压器以及110 kV 升压站安装过程中涉及的水泥钢筋使用。施工阶段主要涉及施工机械、施工营地消耗的各类能源。根据施工阶段能源消费清单，累计使用柴油15.015 t、电力22.93 万kW·h。

运营维护阶段主要包括耗水量与逆变器更新。根据运行维护阶段清单，每年清洗用水量为6 万t，生活用水量为292 t。逆变器设计寿命一般为10年，运营期间需要更换逆变器约2 次。废弃物处理主要针对光伏电池组件，其中电池板是层压结构，主要由电池片、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、玻璃和铝边框组成。铝边框可手动拆卸，处理期间可认为无碳排放；而EVA 粘结电池片和玻璃，需要使用特殊方法将其分离[2]，根据废弃物处理阶段清单，总用电量为109 万kW·h[3]。光伏支架是螺纹钢管，可直接回收利用。根据现有工业化回收技术，晶体硅光伏组件中80%可回收再利用，其中玻璃、铝边框和钢铁的回收率为100%，其他物质如塑料、电路板等视为危险废物，其综合利用率为45.4%。其他物质使用量较小，不列入核算范围。

1.3 核算方法

全生命周期的数据清单来自供应商的产品信息、项目可研报告、验收报告、施工及运营日志等。碳排放因子主要来自发布的《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366—2019）和《中国产品全生命周期温室气体排放系数集（2022）》[4-5]。光伏电站全生命周期的碳排放总量采用式（1）核算。

式中：C为光伏电站全生命周期的碳排放总量；P为生产运输阶段的碳排放总量；Q为施工建设阶段的碳排放总量；A为运行维护阶段的碳排放总量；W为废弃物处理阶段的碳排放总量；ME,i为各过程能耗量；Ei为各类能源碳排放因子；MR,i为各过程中使用资源i的量；Ri为资源i碳排放因子。

2 全生命周期碳排放评价

光伏电站全生命周期的总排放强度为0.26 kg/（kW·h）。其中，光伏组件及支架的生产阶段排放、废弃物回收利用是光伏发电碳排放的主要影响因素。光伏电站全生命周期碳排放强度分析如图2所示。

图2 光伏电站全生命周期碳排放强度分析

光伏组件及支架生产阶段，多晶硅生产的碳排放最多，占整个光伏组件及支架生产阶段碳排放总量的57.54%，其次为工业硅生产与光伏组件生产。光伏组件生产中，主要碳排放环节为铝合金边框生产阶段。光伏组件及支架生产阶段碳排放强度分析如图3所示。

图3 光伏组件及支架生产阶段碳排放强度分析

3 结论

光伏发电全生命周期碳排放强度为火力发电（0.93 kg/kW·h）的27.96%，为生态环境部发布的2022年度全国电网平均发电碳排放强度（0.570 3 kg/kW·h）的45.59%，碳减排效益明显。多晶硅生产的碳排放量最大，改良多晶硅生产工艺、清洁能源替代与精准过程控制是实现降碳的重点。工业硅冶炼阶段，受冶炼工艺的影响，能源消耗与碳排放较大，这是节能降碳的重点关注部分。在用料较多的金属材料方面，如铝合金边框与光伏支架，选择更节能环保的材料替代是重要减碳途径。光伏发电行业出现时间较晚，大部分项目未退役，光伏电池回收仅限于理论与试验阶段。因此，未来应加强光伏电池回收的应用研究，找出更加节能、环保、高回收率的处理方式。