風(fēng)電環(huán)境成本全生命周期評價研究

文_楊新吉勒圖 韓曉 韓煒宏

1 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院 2 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院

1 全生命周期環(huán)境成本評價目標和范圍的設(shè)定

生命周期評價（LCA）又被稱為“從搖籃到墳?zāi)狗治觥?、生態(tài)面分析。國際標準化組織(ISO)認為，生命周期評價是匯總和評估一個產(chǎn)品(或服務(wù))體系在其整個生命周期間的所有投入及產(chǎn)出對環(huán)境造成的和潛在的影響的方法。LCA用于分析某產(chǎn)品從原材料的獲取到生產(chǎn)，最后到產(chǎn)品處置整個生命周期?？偟膩碚f，生命周期評價是對環(huán)境負效應(yīng)系統(tǒng)、科學(xué)的定量研究,其理論模型如圖1所示。

圖1 生命周期評價模型

1.1 風(fēng)電環(huán)境成本評價目標和范圍

為系統(tǒng)評判風(fēng)電造成的環(huán)境影響以及其環(huán)境成本，需要確定風(fēng)電生命周期的邊界。基于風(fēng)電系統(tǒng)生命周期邊界圖，本文將風(fēng)電生命周期分為原材料開采與加工及風(fēng)機制造、原材料和風(fēng)機的運輸、風(fēng)電場建設(shè)、風(fēng)電場的運行、風(fēng)電場的維護、風(fēng)電場報廢處置6個階段。

1.2 火電環(huán)境成本評價目標和范圍

為科學(xué)地核算火電生命周期環(huán)境成本，首先要確定火電的系統(tǒng)邊界，依據(jù)閆風(fēng)光等對燃煤電廠生命周期的劃分，本文在此基礎(chǔ)上將火力發(fā)電生命周期的范圍劃分為煤炭的開采、煤電廠建設(shè)、煤炭的運輸、發(fā)電、煤電廠退役及回收利用5個階段。

2 風(fēng)電與火電環(huán)境成本核算

由于內(nèi)蒙古地緣遼闊，風(fēng)能、煤炭等自然資源豐富，因此選取該地區(qū)某風(fēng)電及煤電項目為研究對象。假設(shè)風(fēng)電場有100臺風(fēng)力發(fā)電機組，生命周期20a；煤電廠運行600MW燃煤發(fā)電機組，生命周期為30a。

2.1 風(fēng)電環(huán)境成本核算

2.1.1 原材料開采、冶煉、加工制造階段

本文以東方汽輪機有限公司FD82B-1500kW風(fēng)機部件的相關(guān)參數(shù)為例，來研究構(gòu)成風(fēng)機的原材料組成。根據(jù)風(fēng)機部件的需求量清單，風(fēng)機部件中鋼和水泥的占比達到96.55%,因此重點研究鋼和水泥的環(huán)境影響。鋼和水泥的耗用量如表1所示。

表1 風(fēng)機部件耗材清單表

水泥生產(chǎn)過程中主要的排放物是CO2，并且中國平均水泥生產(chǎn)的CO2排放量為597.48kg/t。

再考慮耗電的環(huán)境成本。假設(shè)發(fā)電結(jié)構(gòu)為70%風(fēng)力發(fā)電，30%燃煤發(fā)電。結(jié)合風(fēng)力發(fā)電和燃煤發(fā)電1萬kWh的排放量以及鋼材生產(chǎn)的污染物排放數(shù)據(jù)和相關(guān)污染物環(huán)境價值標準，可以估算出在風(fēng)能發(fā)電的第一階段環(huán)境成本超過2500萬元。

2.1.2 原材料和風(fēng)機的運輸

運輸過程所需要的資源很少，能耗很低。污染排放物也只是運輸過程中排放的尾氣。在原材料和風(fēng)機的運輸過程中，主要有貨車、火車兩種運輸方式?；疖囘\輸有電力和火力驅(qū)動兩種形式。根據(jù)此前提做出如下假設(shè)： 40%由貨車運輸，60%由火車運輸；火車運輸中30%為電力驅(qū)動，70%為火力驅(qū)動；平均運輸距離為1000km；電力機車5輛、內(nèi)燃機車和貨車共15輛，并且都只運輸一次。根據(jù)國內(nèi)機車排放數(shù)據(jù)(見表2)，本文主要核算CO、NOx、CO2的環(huán)境成本。

表2 機車排放數(shù)據(jù)

再考慮電力機車耗電量，電力機車的綜合單位能耗為108.8kWh/（萬t·km）。由于位處內(nèi)蒙地區(qū)，假設(shè)發(fā)電結(jié)構(gòu)為70%風(fēng)力發(fā)電，30%燃煤發(fā)電；每輛機車載重5000t,則可計算出一輛機車能耗為54400kWh。

綜上，可以估算出風(fēng)能發(fā)電在原材料和風(fēng)機運輸階段環(huán)境成本為超37000元。

2.1.3 風(fēng)電場建設(shè)階段

針對該風(fēng)電場，假設(shè)發(fā)電機組包1.5MW系列、2MW系列、2.5MW系列，分別占比50%、30%、20%。發(fā)電廠有100臺發(fā)電機組，發(fā)電機平均每年發(fā)電時間為2000h，年發(fā)電量為370GWh，建設(shè)期1a。

根據(jù)一般電廠建設(shè)方案中主要建設(shè)材料的比例和需求量以及污染物排放量,計算出在風(fēng)電場建設(shè)階段的環(huán)境成本約950萬元。

2.1.4 風(fēng)電場的運行階段

由于風(fēng)電運行過程中基本不會產(chǎn)生污染性氣體,因此本階段的環(huán)境成本忽略不計。

2.1.5 風(fēng)電場維護階段

風(fēng)電場維護階段主要的環(huán)境影響來源于風(fēng)機零部件的更新，根據(jù)相關(guān)研究可知，風(fēng)電維護階段的能耗和排放為風(fēng)力發(fā)電生命周期第一階段數(shù)據(jù)的15%。 因此，此階段環(huán)境成本也可估算為第一階段環(huán)境成本的15%。根據(jù)第一階段數(shù)據(jù)，可以推算出風(fēng)電場維護階段環(huán)境成本約377萬元。

2.1.6 風(fēng)電場報廢處置

風(fēng)機的報廢處置一般將風(fēng)機葉片的98%以及機艙和塔架的90%回收,而地基留在原處，可以認為風(fēng)電場報廢階段的環(huán)境成本相當(dāng)于把93%的風(fēng)機質(zhì)量運回風(fēng)機制造基地造成的環(huán)境影響。因此，此階段環(huán)境成本也可以估算為第二階段環(huán)境成本的93%。根據(jù)第二階段數(shù)據(jù)，可以估算出風(fēng)電場報廢處置階段環(huán)境成本約35000元。

2.2 燃電環(huán)境成本核算

2.2.1 煤炭的開采階段

首先，煤炭的挖掘會造成土地資源破壞，而且還會影響地下水。土地資源破壞成本分為直接成本和恢復(fù)費用兩部分計算；水資源的破壞成本采用恢復(fù)費用法來核算。其次，煤炭開采過程中會產(chǎn)生大量煙塵、二氧化硫、廢水等和固體廢氣物等，影響環(huán)境。最后，依據(jù)《2012煤炭真實成本》，開采1t煤造成的礦工人員死亡損失大約為 0.23元，職業(yè)病直接和間接損失0.35元，因此還存在人體健康損失。

假設(shè)為該煤電機組提供燃煤的煤礦只有一處，運用相關(guān)方法可以估算出燃煤發(fā)電生命周期的第一階段環(huán)境成本超1億34萬元。

2.2.2 煤電廠的建設(shè)階段

在建造煤電廠的過程中，其主要的建筑材料包含水泥、鋼材等，依據(jù)生命周期評價的理念，這些建筑材料在生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生環(huán)境成本。根據(jù)某電廠建造排放數(shù)據(jù)以及相關(guān)環(huán)境價值標準，可以核算出煤電廠建設(shè)階段環(huán)境成本約為8800萬元。

2.2.3 煤炭的運輸階段

由于內(nèi)蒙古自治區(qū)內(nèi)存在大量煤礦，并且不存在水運的形式。為了便于比較，現(xiàn)假設(shè)40%由貨車運輸，60%由火車運輸；火車運輸中30%為電力驅(qū)動，70%為火力驅(qū)動；平均運輸距離為1000km；電力機車3輛、內(nèi)燃機車7輛、貨車10輛；煤碳的運輸周期為7d。結(jié)合風(fēng)電運輸階段相關(guān)數(shù)據(jù)，可以估算出煤炭運輸階段環(huán)境成本約為3465萬元。

2.2.4 燃煤發(fā)電階段

目前，我國發(fā)電方式主要以燃煤發(fā)電為主。燃煤發(fā)電行業(yè)在我國造成嚴重的大氣污染，排放包括煙塵、SO2以及NOx等污染物，造成霧霾、酸雨等現(xiàn)象，嚴重危害人體健康。因此，將對燃煤發(fā)電廠發(fā)電過程中的環(huán)境外部成本進行研究和量化分析，核算公式如下：

式中C-燃煤發(fā)電階段環(huán)境成本；Qi-第i中排放物的數(shù)量；Wi-第i中排放物的環(huán)境價值標準。

根據(jù)相關(guān)標準，火電廠燃燒1t煤主要污染物的排放量如表3所示。

表3 燃燒1t煤排放污染物

據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，600MW機組24h耗煤量5500t。結(jié)合污染物環(huán)境價值，估算出燃煤發(fā)電整個生命周期30a間燃煤發(fā)電環(huán)境成本超293億元。

2.2.5 煤電廠退役及回收利用

煤電廠退役后，有部分材料可以重新加以利用。根據(jù)有關(guān)研究，在燃煤電廠退役處置及回收利用中，會產(chǎn)生環(huán)境影響。假設(shè)容量為600MW的燃煤發(fā)電機組年發(fā)電量為30億kWh,可估算出煤電廠退役及回收利用階段環(huán)境成本約為189萬元。

3 結(jié)果與分析

據(jù)以上分析，風(fēng)電項目全生命周期環(huán)境成本核算結(jié)果見表4。

表4 風(fēng)電項目全生命周期環(huán)境成本核算結(jié)果

由于風(fēng)電機組的生命周期為20a，并且根據(jù)文中假設(shè)，發(fā)電廠年發(fā)電量為370GWh。結(jié)合整個生命周期產(chǎn)生的環(huán)境成本，可以計算出風(fēng)電項目每千瓦時電產(chǎn)生環(huán)境成本0.0052元。煤電項目全生命周期環(huán)境成本核算結(jié)果，見表5。

表5 煤電項目全生命周期環(huán)境成本核算結(jié)果

由于煤電機組的壽命一般為30a，600MW的燃煤發(fā)電機組30a總發(fā)電量大約為90000GWh。結(jié)合表中煤電項目全生命周期的環(huán)境成本，可以計算出煤電項目每千瓦時電產(chǎn)生環(huán)境成本0.3287元。

通過觀察兩種發(fā)電模式各階段的環(huán)境成本，可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)電項目的環(huán)境成本產(chǎn)生主要集中在風(fēng)機以及風(fēng)電廠的生產(chǎn)制造階段；煤電項目的環(huán)境成本主要集中在燃煤發(fā)電階段。并且風(fēng)能發(fā)電每千瓦時環(huán)境成本為0.0052元；燃煤發(fā)電每千瓦時0.3287元。對比看出，風(fēng)能發(fā)電環(huán)境成本僅占燃煤發(fā)電的1.58%。

4 結(jié)語

研究發(fā)現(xiàn)，從全生命周期角度分析，就風(fēng)能和火電兩種能源對比而言，考慮兩種模式從原材料挖掘、發(fā)電運行最后到廢棄處置全生命周期的環(huán)境影響即環(huán)境成本時，風(fēng)能發(fā)電的單位發(fā)電環(huán)境成本是遠低于燃煤發(fā)電的。

基于以上研究結(jié)論，提出政策建議：①提高風(fēng)能發(fā)電在我國電力體系中的比重，內(nèi)蒙古地區(qū)風(fēng)能資源豐富，可開發(fā)利用范圍廣闊；政府應(yīng)加大對風(fēng)能行業(yè)的補貼，鼓勵發(fā)展風(fēng)電技術(shù)，充分利用該可再生能源。②研究新型風(fēng)機材料。由于在風(fēng)機原材料開采、冶煉以及風(fēng)機制造階段的環(huán)境成本占風(fēng)電生命周期環(huán)境成本的65%,因此采用新型、環(huán)保的風(fēng)機材料將進一步降低風(fēng)電經(jīng)濟成本以及其環(huán)境外部成本。③由于在短期內(nèi)，風(fēng)能無法代替煤炭的能源地位,在這種環(huán)境下，應(yīng)針對煤炭發(fā)電行業(yè)制訂適宜的環(huán)境管制政策，促進煤炭行業(yè)的節(jié)能減排技術(shù)發(fā)展。