环境科学学报  2017, Vol. 37 Issue (2): 786-792
引用本文
杨举华, 张力小, 王长波, 等. 2017. 基于混合生命周期分析的我国海上风电场能耗及温室气体排放研究[J]. 环境科学学报, 37(2): 786-792.
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基于混合生命周期分析的我国海上风电场能耗及温室气体排放研究    [PDF全文]
杨举华1, 张力小1 , 王长波1, 蔡宴朋1,2, 郝岩1    
1. 北京师范大学环境学院, 环境模拟与污染控制国家重点联合实验室, 北京 100875;
2. 北京师范大学环境学院, 北京市流域环境生态修复与综合调控工程技术中心, 北京 100875
收稿日期: 2016-05-10; 修回日期: 2016-07-22; 录用日期: 2016-07-22
基金项目: 国家自然科学基金（No.41371521）；国家自然科学基金委创新研究群体项目（No.51421065）
作者简介: 杨举华(1990-), 男, 博士研究生, E-mail:yangjuhua@mail.bnu.edu.cn
通讯作者（责任作者）: 张力小, E-mail:zhanglixiao@bnu.edu.cn
摘要: 随着我国海上风电的快速发展，对其资源环境成本进行系统核算对于全面评价海上风电的节能减排潜力具有重要意义.本研究采用混合生命周期评价方法，对我国第一个海上风电场-上海东海大桥海上风电场（二期）的能耗和温室气体排放进行核算，并将核算结果与典型陆上风电场和其它类型的可再生能源进行比较.结果表明：该海上风电项目全生命周期发电能耗为0.51 MJ·kWh-1，相应的温室气体排放量为26.47 g·kWh-1（以CO2当量计）；在设备制造与运输、建设施工、运行维护、回收处置4个阶段中，设备生产与运输阶段在能耗和温室气体排放的占比最大，分别贡献了能耗的91.23%和温室气体排放量的60.48%；横向比较发现，海上风电场单位发电量的能耗和温室气体排放均高于陆上风电项目，但与光伏、生物质、地热等可再生能源发电项目相比，海上风电项目全生命周期能耗和温室气体排放依然具有一定优势.
关键词: 海上风电场     混合生命周期模型     可再生能源     节能减排    
Energy consumption and greenhouse gas emission of an offshore wind farm in China: A hybrid life cycle assessment perspective
YANG Juhua1, ZHANG Lixiao1 , WANG Changbo1, CAI Yanpeng1,2, HAO Yan1    
1. State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control, School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875;
2. Beijing Engineering Research Center for Watershed Environmental Restoration & Integrated Ecological Regulation, School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875
Received 10 May 2016; received in revised from 22 Jul 2016; accepted 22 Jul 2016
Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 41371521) and the Fund for Innovative Research Group of the National Natural Science Foundation of China (No. 51421065)
Biography: YANG Juhua (1990—), male, Ph.D. candidate, E-mail:yangjuhua@mail.bnu.edu.cn
*Corresponding author: ZHANG Lixiao, E-mail:zhanglixiao@bnu.edu.cn
Abstract: With the rapid development of offshore wind power in China, it is significant to evaluate the role of offshore wind farm in China's energy conservation and GHG emission reduction. In this study, a hybrid life cycle assessment model was constructed to facilitating the accounting of the energy consumption and GHG emission of Donghai bridge offshore wind farm in Shanghai, the first offshore wind farm in China. The results were then compared with those related to multiple renewable energy options. The results showed that energy consumption intensity was 0.51 MJ·kWh-1 and the GHG emission intensity was 26.47 g CO2-eq·kWh-1 in the wind farm. During the 4 stages of the farm's life time, building and transportation was the primary contributor to energy consumption and GHG emission and accounted for 91.23% of the total energy consumption and 60.48% of the total GHG emission, respectively. The intensities of energy consumption and GHG emission of the wind farm was much higher than those of a typical inland wind farm. Comparatively, GHG emission intensity was lower than those from photovoltaic, biomass and geothermal power stations.
Key words: offshore wind farm     hybrid LCA     renewable energy     energy-saving and emission reduction    
1 引言(Introduction)

风电作为可再生能源家族的重要成员, 自20世纪末开始在我国快速发展, 到2012年已成为仅次于煤电、水电之后的第三大主力电源.截至2015年底, 我国累计风电装机规模已达145.36 GW (CWEA, 2016), 占全球风电总装机容量的33.6%, 总装机容量居世界第一, 已成为名副其实的风电大国.我国陆上风力资源主要集中在西北、东北和华北地区, 电力需求中心却主要分布在东南沿海一带, 已建大型风电基地与电力负荷需求呈现出逆向分布的格局(张平等, 2015).由于“三北”地区的消纳市场有限, 导致发出的风电难以就地消纳, 而远距离输电线路规划与建设的相对滞后, 进一步加剧了弃风限电的严峻形势.例如, 2015年新疆、吉林等省份弃风率超过30%, 甘肃省甚至接近39%(李付强等, 2015；王辛夷, 2016).

与陆上风电相比, 海上风电具有风能资源持续稳定、风速高、利用小时数长、不占用土地资源等诸多优势且靠近经济发达地区, 距离用电负荷中心近, 风电并网消纳更加容易(许莉等, 2015).鉴于此, 自2008年我国第一个大规模的海上风电项目开始建设以来就有总容量超过1000万kW规模的海上风电纳入开发计划中(国家能源局, 2015).

与其它可再生能源一样, 风能是一种低品质、分散的资源, 对其开发利用会引发产业链过程上的能耗成本.例如, 风电设备制造、风电场建设施工、运行、报废回收等各个过程都会导致大量能源消耗和污染物排放.从生命周期角度对可再生能源进行系统分析, 是客观认识其资源环境成本与节能减排潜力的重要途径.

风力发电最早起源于欧洲, 欧洲的研究者对风电场开展的研究较多. Schleisner最早基于生命周期的视角对丹麦海陆风电场的温室气体(Green House Gas, GHG)排放和污染物排放进行了研究, 发现海上和陆上风电项目的温室气体排放强度分别为16.5和9.7 g·kWh-1(以CO2当量计)(Schleisner, 2000).随后, Ardente等(2008)对意大利风电场进行了研究, 结果表明, 风电场单位发电量的能耗成本为0.14~0.25 MJ·kWh-1, 相应的温室气体排放范围为8.8~18.5 g·kWh-1(以CO2当量计).Amponsah等(2014)对14个陆上风电场和5个海上风电场的研究进行了综述, 结果显示, 陆上风电项目的温室气体平均排放为34.2 g·kWh-1(以CO2当量计, 下同), 排放范围为1.7~123.7 g·kWh-1；海上风电项目的温室气体平均排放为13.0 g·kWh-1, 排放范围为5.3~24 g·kWh-1.

随着风力发电技术在世界各国的应用, 相应的研究也陆续展开.最近有学者对利比亚和美国的风电项目进行了全生命周期的能耗和温室气体排放核算(Al Behadili et al., 2015；Kumar et al., 2016).国内的学者也已开始对我国各地的陆上风电场进行了核算(Chen et al., 2011；王晓天, 2012；郭敏晓等, 2012；戢时雨等, 2016), 研究结果表明, 我国陆上风电场单位发电量的能耗和温室气体排放约为火力发电场的1/56和1/108, 但目前尚没有对我国的海上风电场进行研究, 对其能量收益和环境效益的定量认识还是一个空白.

在方法上, 对风电场已有的生命周期评价研究多采用过程生命周期评价方法(Process based LCA, P-LCA), 该方法是一种自下而上的评价方法, 由于人为划定的系统边界会产生截断误差(王长波等, 2015).为了弥补这一不足, 有些学者将投入产出分析方法(Input output LCA, IO-LCA)引入, 构建了混合生命周期评价方法(Hybrid LCA, H-LCA), 保证了系统的完整性.运用混合生命周期评价方法评价可再生能源的可再生性已经在小水电、生物质发电等多个领域展开, 关于不同生命周期模型的系统评述, 可参见本课题组以前的工作(王长波等, 2015；Wang et al., 2012；2013；2015).

本研究以我国第一座海上风电项目-上海东海大桥风电场为研究对象, 采用混合生命周期评价的方法, 对其全生命周期能耗成本和温室气体排放进行系统核算, 并与陆上风电项目及其他可再生能源进行比较, 对其节能减排潜力进行系统分析, 以期为海上风电项目发展提供定量的决策依据.

2 研究方法(Methods) 2.1 研究对象

如前所述, 上海东海大桥海上风电场是我国第一个大型海上风电场, 也是国家发改委确定的海上风电示范项目之一.该项目于2008年开始建设, 2010年7月实现并网发电.本研究主要针对二期项目, 其位于连接上海南汇芦潮港与小洋山之间的东海大桥西侧, 距东海大桥1~5 km场址范围内, 场址距南汇6~12 km, 与一期工程隔东海大桥相望(图 1).风电场总装机容量102.2 MW, 共安装风电机组28台, 其中27台单机容量为3.6 MW, 1台样机单机容量为5 MW (风电机参数见表 1), 设计运行时间为25 a, 预计年上网电量约2.36亿kWh, 项目总投资19.63亿元.

图 1 东海大桥海上风电场位置 Fig. 1 Location of Donghai bridge offshore wind farm

表 1 风力发电机参数 Table 1 Specification of wind turbines
2.2 模型构建及系统边界

本研究将风电项目的生命周期历程分为设备生产与运输、建设施工、运行维护、回收处置4个阶段.风电场设备的生产和到场运输属于第1阶段, 第2阶段包括场内运输和设备吊装, 运营阶段的检修、设备替换和材料消耗属第3阶段, 生命周期末的拆卸、运输和材料回收属于第4阶段.本研究采用的混合生命周期评价(Hybrid LCA)模型, 包括P-LCA和IO-LCA两部分(图 2), 设备的生产和物料的消耗主要采用P-LCA方法, 风机安装、基础安装和电缆敷设部分则采用IO-LCA方法进行核算, 作为对P-LCA的补充.本研究主要关注生命周期的能耗和温室气体排放, 并以此来评价其节能减排效益.

图 2 海上风电场混合生命周期评价系统边界图 Fig. 2 System boundary for life cycle analysis of offshore wind farm

P-LCA部分是将投入的实物量分别与能耗系数和温室气体排放系数相乘, 得到该部分的结果, 系数来源于已发表的研究, 具体材料清单在2.3节会详细介绍；IO-LCA部分是基于最新的投入产出表所建立的环境投入产出数据库, 将相应的投资金额与对应的能

(1)
(2)

式中，Etotal和GHGtotal分别表示总能耗(MJ)和总温室气体排放量(t，以CO2当量计)，EP和GHGP分别表示P-LCA部分的能耗(MJ)和温室气体排放量(t，以CO2当量计)，EIO和GHCIO分别表示IO-LCA部分的能耗(MJ)和温室气体排放量(t，以CO2当量计).

2.3 清单分析 2.3.1 设备生产与运输阶段

风电场选用上海电气的27台3.6 MW风电机和1台5.0 MW实验机组, 风力发电机的详细设计参数来自于生产厂商, 建设、材料需求清单如表 2所示.

表 2 风电机材料清单 Table 2 Material list of wind turbines

所有风机均采用多桩承台基础, 3.6 MW风机基础采用8根D1700 mm (壁厚25~30 mm)的钢管柱作为基桩, 桩长84 m, 混凝土承台直径14 m, 厚度3.0~4.5 m, 顶高程为5.00 m.5.0 MW的风机采用13根D2000 mm (壁厚25~30 mm)的钢管柱作为基桩, 桩长79 m, 均匀布置在底面半径为8.00 m的承台圆周.混凝土承台直径20 m, 厚度3.5~5.0 m, 顶高程为5.50 m.风机基础材料清单见表 3.

表 3 风机基础材料清单 Table 3 Material list of wind turbine foundations

本研究风电场输电线路主要采用海底电缆用于风机与风机之间、风机至海堤之间连接, 电缆总长67.2 km, 其中, 潮下带电缆总长约57.6 km, 电缆埋深在2.0~2.5 m之间.海底电缆材料清单见表 4.

表 4 海底电缆材料清单 Table 4 Material list of cables

表 5 变电站材料清单 Table 5 Material list of substation

由于一期工程升压变电站的110 kV主变容量满足一、二期工程共204.2 MW风电电能送出的要求, 二期风电场所发的电能通过海缆线路直接接入一期工程升压变电站, 在核算时将一期工程变电站的材料清单(表 5)按比例折算到二期工程中.

本工程的钢结构制作、加工均在振华港机长兴岛基地完成, 5 MW样机的机舱、轮毂从盐城制造基地至盐城码头, 总里程55 km, 然后由盐城杂货码头水运至沈家湾码头, 水运距离约211海里, 使用3200 HP拖船平均航速按12节计算, 耗油约为6.33 t.3.6 MW风机在上海电气临港新城制造, 水运到沈家湾码头, 水运距离25海里, 拖船每次可以运输2台风机, 往返14次, 耗油约为21.0 t.海底电缆到场运输距离356.37海里, 耗油约为10.69 t.综上, 设备运输过程总耗油约为38.02 t, 消耗能源1205.23 MJ, 排放温室气体100 t (以CO2当量计).

2.3.2 建设施工阶段

群柱式高桩承台采用打桩船自带的S500液压打桩锤施工, 打桩选用600 t起重船悬打, 起重船配备一艘4000 HP的拖轮牵引.风机组装在沈家湾基地实施, 组装完后由3000 HP拖轮沿制定航线拖航至工程海域安装现场, 风机吊装由2400 t起重船完成, 在建设施工阶段运输船机的油耗约为2175 t, 消耗能源87.4 MJ, 排放温室气体6.93×103 t (以CO2当量计).除此之外, 由于在电缆敷设、基础安装和风机安装三部分的物料消耗不易获得, 本研究用投入产出生命周期评价的方法, 将相应部分的投资金额与所对应的投入产出部门的能耗(3.99×107 MJ·万元-1)和温室气体排放系数(4.88 t·万元-1)相乘, 得到能耗量为3.08×108 MJ, 温室气体排放量为4.86×104 t (以CO2当量计).

2.3.3 运行维护阶段

项目运行期的材料需求主要来自于维护耗材和检修时的船舶用油.计划维修工作主要包括更换齿轮油、轴承、转子等部位的润滑油, 每台风机每年需要一个计划维修(表 6).计划外维修和大修由于受到随机性影响较大, 在国内尚无可以参考的案例, 遂在本文中不做考虑.检修时的船舶用油约为2424 t, 消耗能源7.68×107 MJ, 排放温室气体6.40×103 t (以CO2当量计).

表 6 运行维护阶段材料清单 Table 6 Material list in the operation and maintenance phases
2.3.4 回收处置阶段

本项目设计生产期为25 a, 生产期结束后, 将拆除海面以上风机设备塔架等, 风机基础也将拆除至海底泥面处, 基本恢复风电场建设前的海底地貌.回收过程船舶耗油578 t, 消耗能源1.83×104 MJ, 排放温室气体1.52×103 t (以CO2当量计).拆除后的钢管、铸铁、铜等设施可以进行回收利用, 材料回收处置情况见表 7.

表 7 材料回收清单 Table 7 Materials list in the recycling phase
3 结果分析(Results analysis) 3.1 全生命周期能量成本

通过系统分析与核算, 本研究案例-上海东海大桥风电二期全周期能耗总量为3.00×109 MJ, 其中, 能量总投入3.53×109 MJ, 资源回收的能量成本盈余为-5.33×108 MJ.设备制造占生命周期能耗的91.23%, 其中, 风电机和风机基础贡献了主要的能耗, 分别为45.25%和40.03%, 电缆和变电站等其他部分占5.69%(图 3).在建设施工阶段, 风机的吊装施工过程占总能耗的8.72%, 其中, 电缆铺设占3.82%、基础安装占2.38%、风机安装占2.51%.按照项目正常运行且满足设计运行寿命25 a计算, 单位发电量的能耗为0.51 MJ·kWh-1.目前我国传统的300 MW火电机组的发电能耗为9.67 MJ·kWh-1(王晓天, 2012), 以此计算, 该风电场全生命周期可减少能耗5.40×1010 MJ.

图 3 海上风电场的能耗构成 Fig. 3 Energy consumption fractions for an offshore wind farm

能源投资回收期(Energy payback time)是表征回收项目投入能源所需要时间指标, 更短的能源投资回收时间表明项目的能源使用效率更高, 而能源投资回收率(Energy payback raio)是用来评估一个风电场产出的能量是否超过了其整个生命周期所投入的能量的总和.通过核算可以得到本研究中的能源投资回收期为3.53 a, 能源投资回收率为7.08.

3.2 温室气体排放

与能耗分析类似, 通过生命周期清单分析, 计算出海上风电场生命周期温室气体排放的结果为1.56×105 t (以CO2当量计), 其中, 生命周期投入部分贡献了1.78×105 t, 回收部分为-2.24×104 t.在设备生产与运输阶段, 风电机和风机塔基占主要部分, 分别为21.37%和39.21%(图 4).建设施工阶段的温室气体排放占全生命周期温室气体排放的31.11%, 成为仅次于风机基础的第二大温室气体排放, 其中, 电缆铺设占11.93%, 基础安装占7.45%, 风机安装占7.84%.温室气体排放强度为26.47 g·kWh-1(以CO2当量计), 与我国传统的300 MW火电机组(915 g·kWh-1, 以CO2当量计)(王晓天, 2012)相比, 该风电场全生命周期可减少温室气体排放524.06万t.

图 4 海上风电场的温室气体排放构成 Fig. 4 GHG emission fractions for an offshore wind farm
3.3 与其他可再生能源项目的比较

将本研究的结果与陆上风电的研究(Chen et al., 2011；Nugent et al., 2014)比较, 该风电场的温室气体排放强度在已有研究的范围之内(9.0~35.1 g·kWh-1, 以CO2当量计).本案例海上风电场的温室气体排放强度是陆上风电场平均水平的2倍, 这是由于海上风机的基础部分要比陆上风机复杂得多, 风机基础的能耗和温室气体排放贡献率近乎与风机设备相当.同时, 海上风电设备在设计生产中会着重考虑风电机的耐腐蚀能力, 使其能够抵御海上严苛环境的侵蚀, 海上风电场在设备吊装时需要大型船舶参与到设备运输和安装过程中, 这些因素也使能耗量和温室气体排放量显著增大.

将不同种类可再生能源的温室气体排放强度进行比较, 如图 5所示(Ardente et al., 2008；Chen et al., 2011；Arvesen et al.,2013；Arvesen et al., 2011；Yao et al., 2014；Raadal et al., 2011；2014；Amponsah et al.,2014), 水力发电是温室气体排放强度最小的可再生能源利用类型, 风力发电次之, 生物质发电、地热发电和太阳能发电均高于风电和水电.而海上风电的能耗强度总体要大于陆上风电, 这恰恰印证了上述海陆风电对比的结果.

图 5 不同种类可再生能源发电的温室气体排放强度 Fig. 5 Comparison with other renewable energy alternatives
4 结论(Conclusions)

1)上海东海岛大桥海上风电场(二期)全生命周期的能耗总量为3.00×109 MJ, 排放的温室气体总量为1.56×105 t (以CO2当量计), 按照运行25 a, 年发电量2.36×108 kWh计算, 单位发电量的能耗量为0.51 MJ·kWh-1, 单位发电量的温室气体排放量为26.47 g·kWh-1(以CO2当量计), 与传统的火力发电相比, 全生命周期减少温室气体排放524.06万t, 节省能耗5.40×1010 MJ.

2)在能耗方面, 风电场的设备占总能耗的91.23%, 建设施工占8.72%；在温室气体排放方面, 吊装施工占温室气体排放的31.11%, 风电机和风机塔基分别占21.37%和39.21%.综合看来, 在海上风电场的设备占据了能耗和温室气体排放的绝大部分.

3)将海上风电场核算结果与陆上风电场已有的研究进行比较, 海上风电场所消耗的能量及排放的温室气体都超过陆上风电场.比较不同种类的可再生能源发电项目的温室气体排放强度, 可以发现海上风电场的温室气体排放强度大于水电和陆上风电, 小于生物质发电、地热发电和太阳能发电, 海上风电相较于其他可再生能源类型具有很大的节能减排优势.

4)受LCA方法自身的局限性及国内缺乏同类可参考资料的影响, 本研究可能在以下两个方面存在一定的不确定性：混合生命周期评价方法完善了PLCA方法的核算边界, 但在PLCA和IO-LCA方法两者内部边界的划分上可能存在不确定性.同时, 由于研究对象是我国第一座海上风电场, 国内还没有相关的研究可以参考, 设备安装和运行维护阶段的油耗及部件的更换比例均参考的国外海上风电相关研究, 这可能与我国的实际情况略有差别, 导致结果存在一定的不确定性.

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