基于LCA对风力发电机的环境负荷分析.pdf

收稿日期 2011- 07- 15 基金项目 国家环保部公益项目 201009063 ; 国家自然科学基金青年科学基金资助项目 71003018 作者简介 高成康 1977- , 女, 河南周口人, 东北大学副教授, 博士后研究人员 第33卷第7期 2012 年 7 月 东北大学 学报自然科学版 Journal of Northeastern University Natural Science Vol133, No. 7 Jul.2 01 2 基于 LCA对风力发电机的环境负荷分析 高成康1,董家华2, 祝伟光1, 王 伟1 1. 东北大学 国家环境保护生态工业重点实验室, 辽宁 沈阳 110819; 2. 环境保护部 华南环境科学研究所, 广东 广州 510655 摘 要 应用生命周期分析法LCA , 对风力发电机从原材料的生产制造、 运输、 建设、 运行及拆除报废 各阶段进行分析, 分别计算各阶段的环境负荷, 最终用全球变暖潜力和酸化潜力指标表示, 并与燃煤发电进行 比较以沈阳市法库县望海寺风力发电场为实例进行分析, 结果表明, 在风力发电机的一个生命周期内 平均 为20 年, 环境负荷较大的过程为原材料的制造、 发电场的建设与运行维护两个阶段, 并且每发电 10 MWh, 相 对于燃煤发电相比, 风力发电可省 3196t 的标准煤, 可减少向大气排放 CO29177 t, NOx01050t, SO20102t, 全 球变暖潜力GWP和酸化潜力 AP 分别是燃煤发电的 1108 和 3112 , 但建设过程中的生态破坏较大, 为 此, 在风力发电场的建设中需要进一步加强环保措施, 尽量减少生态资源的破坏 关 键 词 生命周期分析; 风力发电机; 能耗; 环境负荷; 生态资源 中图分类号 X 3 文献标志码 A 文章编号 1005 -3026201207 -1034 -04 Environmental Load Analysis of Wind Turbines Based on Life Cycle Assessment GAO Cheng -kang1, DONG Jia -hua2, ZH U Wei-guang1, WANG Wei1 1. SEPA Key Laboratory on Eco -industry, Northeastern University, Shenyang 110819, China; 2. South China Institute ofEnvironmental Sciences,MinistryofEnvironmentalProtection,Guangzhou 510655,China. Corresponding author DONG Jia -hua, E -mail djiahua scies. com. cn Abstract The life cycle assessment LCA was applied to analyze each stage of a wind turbine including manufacturing of raw materials and transportation, building, use and dismantling of the equipment,andenvironmental load ofvariousstageswas calculatedrespectively.The environmental load was described by inds of global warm potentiality GWP and acidification potentiality AP , and the wind turbine and a coal generator were compared and analyzed. Taken Wanghai Temple wind farm in Shenyang as a case study, the results showed that, during a life cycle of the wind turbine average 20 years , the larger environmental load processes are the manufacture of raw materials and construction, operation and maintenance of power stations, and in contrast to a coal generator, the wind turbine can reduce 3. 96 t standard coal, 9. 77 t CO2, 01050t NOxand 0. 02t SO2for a 10MWh, and its GWP and AP will be 1108 and 3112 of a coal generator, respectively. However, it destroyed a large number of ecological resources in construction process. Hence, the environmental protection measures will be further strengthened, and it is important to minimize the damage to ecological resources. Key wordsLCA life cycle assessment ; wind turbine;energy consumption; environmental load; ecological resource 在当今社会, 可再生能源得到了显著发展, 风 电的发展尤为迅速我国是世界上利用风能最早 的国家之一, 可开发利用的风能资源总量为 2153 亿 kW, 位居世界第三位, 其中, 我国部分省 区 风力资源的分布较为广泛但不均 南部较少, 如海 南、 广东和浙江分别为 01640, 11950, 11635 GW; 而北方广阔地区较丰富, 如黑龙江、 内蒙古和新疆 分别达 171228, 611775, 341330 GW[ 1]截至 2008 年底, 并网风电装机容量 29 580 MW, 比 2009 年 增长 68105虽然风机发电的原理是利用风的 动能产生电能而无污染物和 CO2的排放, 但在风 力发电的整个过程中存在对环境的影响, 如铁矿 石的开采、 运输与冶炼, 风机的制造、 运输, 电场的 建设与运行阶段都存在能源消耗和污染物的排 放, 对此, 有必要对风力发电的整个生命周期过程 进行分析和评价 1 研究模型 1. 1 生命周期评价模型 生命周期评价 life cycle assessment, LCA , 是一种用于评估与产品有关的环境因素及其潜在 影响的技术LCA 研究贯穿产品生命全过程 即 从/ 摇篮0到/ 坟墓0 , 从获取原材料、 生产、 使用直 至最终处置的环境因素和潜在影响[ 2]产品的生 命周期开始于材料的获取、 加工, 经历了制造、 运 输和使用后被淘汰的过程淘汰的产品可直接回 收利用; 或经过拆卸、 翻新可回用的零部件或作为 原材料使其返回至产品的制造过程; 还有一部分 材料被分解, 以作为燃料来回收能量或产生再生 原料用以进行材料加工; 最后的废弃物被处置, 回 到自然界而形成一个封闭的周期, 其基本理论的 模型见图1[3] 图 1 产品生命周期模型 Fig.1 Model of life cycle for products 1 直接回收; 2 零用部件再制造; 3 回收材料再加工; 4 原材料再生 1. 2 风力发电的研究现状 应用 LCA 对产品生产过程的环境影响进行 系统地分析、 评价, 有助于量化产品生产过程中 能源、 物质消耗和废弃物排放, 全面了解产品生 产过程中污染物的来源及其对环境的影响, 并以 此为依据提供改善环境的技术Schleisner 进行 了风力发电系统的生命周期评价, 并在前人的基 础上, 计算出风机的能量偿还时间, 指出关键能 耗的部分[ 4]Crawford 对两种不同容量的风机进 行了生命周期能耗及温室气体排放的比较分析, 得出两种机型在单位面积净产能上无明显区 别[5]MartŠ nez 等对单台 2 MW 风力发电机应用 生命周期评价分析其能耗及环境影响, 表明其偿 还时间仅为 014 年[6]Tremeac 等应用生命周期 评价对 415 MW 和 250 W 的风力发电进行对比 分析, 认为风力发电是减轻全球气候变化最好的 途径之一[ 7] 2 实例分析 2. 1 风机 LCA模型 以沈阳市法库县望海寺风力发电场的风力状 况为基础, 装机容量为 2211 GW, 安装西班牙 Gamesa 公司的 26 台单机容量为 850 kW 的风力 发电机组对 Gamesa G8X- 2 MW 的风力发电机 从原材料的生产制造、 运输过程、 风机运行以及最 后的报废拆除4 个阶段进行生命周期评价该风力 发电机主要由四部分构成 转子、 机舱、 塔架和基 础, 具体材料结构和质量见文献[ 6]风力发电机机 舱的总质量在 50 t 左右, 塔架总高度是 67 m 结合 LCA 分析模型, 根据风力发电的主要构 成和整个生命过程, 构建风力发电机的生命周期 评价模型 见图 2 图 2 风力发电机的 LCA模型 Fig.2 LCA model of wind turbine 2. 2 风机 4 个阶段的评价分析 2. 2. 1 生产制造阶段 根据生产每个部件的材料组成和单位材料的 能耗及污染物排放 见文献[ 8] , 计算出风力发电 机在生产制造阶段的总能耗和各污染物排放量 表 1 由表 1 可知, 在生产制造阶段, 各种主要原材 料的总质量为 4021844 t, 生产时的总能耗为 93221377 GJ, CO2的总排放量为 742 629103 kg, SO2总排放量为 1 012. 828 kg, NOx的总排放量 为 6991731 kg, CO 的总排放量为 2141653 kg 1035第 7 期 高成康等基于 LCA 对风力发电机的环境负荷分析 2. 2. 2 运输阶段 在运输风力发电设备阶段主要交通是汽车和 火车, 消耗的燃料为柴油其中, 汽车和火车的单 位载重单位里程燃料消耗量分别为 01026 7, 010072 kg/ tkmGamesa 系列风力发电机在天 津生产, 沈阳距离天津的距离为 700 km, 设备中 30 由火车运输, 70由汽车运输, 总的运输质量 为 250t因此, 整个运输过程的总能耗为 102. 053 GJ; 污染物 CO, NOx, HC 碳氢化合物 , CO2分别 为 2 051, 833, 259, 109 200 g 表 1 生产各种材料的总能耗及污染物排放量 Table 1 List of gross energy -consumption and pollution -emission of producing variousmaterials 指 标铜钢铁水泥硅玻璃纤维树脂 总质量/t3. 50237. 191400. 34420. 4241. 386 能耗/GJ484. 786 942. 551842. 950. 0741 051. 5750. 448 m CO2/ kg 38 182. 515533 677. 5149 8427 055. 4413 745. 352126. 223 m SO2/ kg 111. 545684. 76855. 90247. 816111. 9230. 873 m NOx/ kg 96. 633614. 488251. 2151. 428 m CO /kg191. 26419. 733. 659 2. 2. 3 建设与运行维护阶段 在风力发电场的建设阶段, 电场需建设大量 的交通道路, 风力发电机也占用相当一部分生态 用地, 可见在这个阶段消耗大量的生态资源沈阳 市法库县望海寺风力发电场的植被为林地, 每天 吸收 CO2约为 1 000 kg, 吸收 SO2约为 700kg每 台电机的占地面积为 15 15 m2, 总修建道路面 积为 5 104 m2, 共 26台发电机组 运行寿命 20 年计在运行维护阶段, 主要能耗及环境影响来 源于零部件的更换, 该阶段的能耗通常为初始生 产过程能耗的 15 [6] , 则该风力发电场在建设与 运行维护阶段平均单台风力发电机组总能耗为 1416154 GJ; 污染物排放 CO2为 1 657154 t, SO2 为1 080192 t 2. 2. 4 最后处置阶段 在风机报废时, 叶片的 98, 机舱的 90 和 塔架的 90 将被回收利用, 而地基将留在原处 因此根据估计, 整个报废回收阶段的能耗及排放 为生产阶段的10 [ 7] 综上所述, Gamesa G8X- 2 MW 风力发电机的全生命周期的能耗及污染物 排放见表 2 表 2 全周期风力发电机的能耗及污染物排放清单 Table 2 List of grossenergy -consumption and pollution -emission during wind turbine . s life -cycle 生命周期各阶段能耗/GJ mCO2 /tm SO2/ tmNOx/ t mCO /t 材料生产阶段9 322. 38742. 631. 010. 70. 21 运输阶段102. 050. 110. 8330. 002 建设及运行维护阶段1 416. 541 657. 541 080. 920. 110. 03 报废阶段932. 2474. 260. 10. 070. 02 全生命周期11 773. 212 474. 541 082. 031. 710. 26 从表 2 可知, Gamesa G8X- 2 MW 风力发电 机在全生命周期的总能耗为 11 773121 GJ, 总的 CO2排放量为 2474154 t, SO2排放量为 1 082103 t, NOx排放量为 1171 t, CO 排放量为 0126 t其 中能耗最大的是材料生产阶段, 生态破坏 CO2排 放 最大的为建设及运行维护 2. 3 综合分析 2. 3. 1 能量偿还时间 根据沈阳市法库县风力发电场的发电情况 图 3 , 在一年中满负荷的发电时间为 2 700 h 左 右, 即每年的发电量在 514 GWh一台发电机的 设计使用寿命为 20 年, 单台发电机在整个服役期 图 3 望海寺风力发电场 2009 年各月的 风力情况及发电量 Fig.3 Condition of wind power and power -electricity in 2009 1036东北大学学报 自然科学版 第 33 卷 间 的 总 发 电 量 为 108 GW h, 总 能 耗 为 3127 GWh, 得到能量偿还时间为 0160 年, 即该 风机在剩余的 1914 年中将不再消耗能量, 相当于 约 104173 GWh 不可再生能源的能量 2. 3. 2 LCA 指标评价 根据清单分析的结果, 包括 CO2, CO, SO2, NOx, 按照全球变暖潜力 GWP 、 酸化潜力 AP 等分类, 采用当量系数法, 其中当量因子来自于 IPCC 等国际组织和研究机构的研究结果[ 7], CO2, CO, SO2, NOx的当量因子分别为 1, 2, 1, 0170 kgkg- 1 , 结果表明, 全球变暖潜力 GWP 为 279173, 酸化潜力 AP 为 3113 2. 3. 3 与燃煤发电比较 我国主力燃煤发电机组 300 MW 蒸汽轮 机发电机组, 每发电 10 MWh, 消耗 4 t 标准煤, 向大气排放 10 t CO2, 0. 05 t NOx, 0108 t SO2[9] 可知, 每发电 10 MWh, 风力发电和燃煤发电相 比, 可省 3196 t 的标准煤, 可减少排放 9177 t CO2, 01050t NOx, 0102 t SO2风力发电与燃煤发 电的 LCA 指标对比见表 3, 可看出, 风力发电的 能耗、 全球变暖潜力 GWP 和酸化潜力 AP 分别 只有燃煤发电的 0193, 1108 和 3112 表 3 每发 104kW h电风力发电与燃煤发电的 LCA指标比较 Table 3 Contrast of LCA inds per 104kW h power between wind - power and coa- l power 项 目 能耗 t 标准煤 全球变暖潜力酸化潜力 风力发电0. 037279. 733. 13 燃煤发电426000100. 3 相对度/0. 931. 083. 12 3 结 论 1 风力发电机的主要能耗在原材料的制造 阶段占整个生命周期能耗的 7912 ; 建设与运行 维护阶段, 由于消耗大量的生态资源而造成大量 的 CO2和 SO2的排放, 分别占整个生命周期污染 物排放量的 6619 和 99因此, 在风力发电场 的建设中需要进一步加强环保措施, 尽量减少生 态资源的破坏 2 通过沈阳市法库县的望海寺风力发电场 Gamesa G8X- 2 MW 风力发电机与同等的燃煤 发电 机 组 相比, 风 力 发 电 每 年 可 减少 消 耗 51 32116 t 的标准煤, 减少排放 CO2126 619. 2 t, NOx648 t, SO2259. 2 t可见, 风力发电可显著地 减少能量消耗和污染物排放, 有广阔的发展前景 参考文献 [ 1]朱洪波, 张俊杰, 霍福鹏新型能源 风力发电在国内外 的发展状况[ J]广东输电与变电技术, 2004 3 9- 14 Zhu Hong -bo, Zhang Jun -jie, Huo Fu - peng. 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