风电环境成本全生命周期评价研究

文_杨新吉勒图 韩晓 韩炜宏

1 内蒙古工业大学经济管理学院 2 内蒙古工业大学经济管理学院

1 全生命周期环境成本评价目标和范围的设定

生命周期评价（LCA）又被称为“从摇篮到坟墓分析”、生态面分析。国际标准化组织(ISO)认为，生命周期评价是汇总和评估一个产品(或服务)体系在其整个生命周期间的所有投入及产出对环境造成的和潜在的影响的方法。LCA用于分析某产品从原材料的获取到生产，最后到产品处置整个生命周期。总的来说，生命周期评价是对环境负效应系统、科学的定量研究,其理论模型如图1所示。

图1 生命周期评价模型

1.1 风电环境成本评价目标和范围

为系统评判风电造成的环境影响以及其环境成本，需要确定风电生命周期的边界。基于风电系统生命周期边界图，本文将风电生命周期分为原材料开采与加工及风机制造、原材料和风机的运输、风电场建设、风电场的运行、风电场的维护、风电场报废处置6个阶段。

1.2 火电环境成本评价目标和范围

为科学地核算火电生命周期环境成本，首先要确定火电的系统边界，依据闫风光等对燃煤电厂生命周期的划分，本文在此基础上将火力发电生命周期的范围划分为煤炭的开采、煤电厂建设、煤炭的运输、发电、煤电厂退役及回收利用5个阶段。

2 风电与火电环境成本核算

由于内蒙古地缘辽阔，风能、煤炭等自然资源丰富，因此选取该地区某风电及煤电项目为研究对象。假设风电场有100台风力发电机组，生命周期20a；煤电厂运行600MW燃煤发电机组，生命周期为30a。

2.1 风电环境成本核算

2.1.1 原材料开采、冶炼、加工制造阶段

本文以东方汽轮机有限公司FD82B-1500kW风机部件的相关参数为例，来研究构成风机的原材料组成。根据风机部件的需求量清单，风机部件中钢和水泥的占比达到96.55%,因此重点研究钢和水泥的环境影响。钢和水泥的耗用量如表1所示。

表1 风机部件耗材清单表

水泥生产过程中主要的排放物是CO2，并且中国平均水泥生产的CO2排放量为597.48kg/t。

再考虑耗电的环境成本。假设发电结构为70%风力发电，30%燃煤发电。结合风力发电和燃煤发电1万kWh的排放量以及钢材生产的污染物排放数据和相关污染物环境价值标准，可以估算出在风能发电的第一阶段环境成本超过2500万元。

2.1.2 原材料和风机的运输

运输过程所需要的资源很少，能耗很低。污染排放物也只是运输过程中排放的尾气。在原材料和风机的运输过程中，主要有货车、火车两种运输方式。火车运输有电力和火力驱动两种形式。根据此前提做出如下假设： 40%由货车运输，60%由火车运输；火车运输中30%为电力驱动，70%为火力驱动；平均运输距离为1000km；电力机车5辆、内燃机车和货车共15辆，并且都只运输一次。根据国内机车排放数据(见表2)，本文主要核算CO、NOx、CO2的环境成本。

表2 机车排放数据

再考虑电力机车耗电量，电力机车的综合单位能耗为108.8kWh/（万t·km）。由于位处内蒙地区，假设发电结构为70%风力发电，30%燃煤发电；每辆机车载重5000t,则可计算出一辆机车能耗为54400kWh。

综上，可以估算出风能发电在原材料和风机运输阶段环境成本为超37000元。

2.1.3 风电场建设阶段

针对该风电场，假设发电机组包1.5MW系列、2MW系列、2.5MW系列，分别占比50%、30%、20%。发电厂有100台发电机组，发电机平均每年发电时间为2000h，年发电量为370GWh，建设期1a。

根据一般电厂建设方案中主要建设材料的比例和需求量以及污染物排放量,计算出在风电场建设阶段的环境成本约950万元。

2.1.4 风电场的运行阶段

由于风电运行过程中基本不会产生污染性气体,因此本阶段的环境成本忽略不计。

2.1.5 风电场维护阶段

风电场维护阶段主要的环境影响来源于风机零部件的更新，根据相关研究可知，风电维护阶段的能耗和排放为风力发电生命周期第一阶段数据的15%。 因此，此阶段环境成本也可估算为第一阶段环境成本的15%。根据第一阶段数据，可以推算出风电场维护阶段环境成本约377万元。

2.1.6 风电场报废处置

风机的报废处置一般将风机叶片的98%以及机舱和塔架的90%回收,而地基留在原处，可以认为风电场报废阶段的环境成本相当于把93%的风机质量运回风机制造基地造成的环境影响。因此，此阶段环境成本也可以估算为第二阶段环境成本的93%。根据第二阶段数据，可以估算出风电场报废处置阶段环境成本约35000元。

2.2 燃电环境成本核算

2.2.1 煤炭的开采阶段

首先，煤炭的挖掘会造成土地资源破坏，而且还会影响地下水。土地资源破坏成本分为直接成本和恢复费用两部分计算；水资源的破坏成本采用恢复费用法来核算。其次，煤炭开采过程中会产生大量烟尘、二氧化硫、废水等和固体废气物等，影响环境。最后，依据《2012煤炭真实成本》，开采1t煤造成的矿工人员死亡损失大约为 0.23元，职业病直接和间接损失0.35元，因此还存在人体健康损失。

假设为该煤电机组提供燃煤的煤矿只有一处，运用相关方法可以估算出燃煤发电生命周期的第一阶段环境成本超1亿34万元。

2.2.2 煤电厂的建设阶段

在建造煤电厂的过程中，其主要的建筑材料包含水泥、钢材等，依据生命周期评价的理念，这些建筑材料在生产过程中，会产生环境成本。根据某电厂建造排放数据以及相关环境价值标准，可以核算出煤电厂建设阶段环境成本约为8800万元。

2.2.3 煤炭的运输阶段

由于内蒙古自治区内存在大量煤矿，并且不存在水运的形式。为了便于比较，现假设40%由货车运输，60%由火车运输；火车运输中30%为电力驱动，70%为火力驱动；平均运输距离为1000km；电力机车3辆、内燃机车7辆、货车10辆；煤碳的运输周期为7d。结合风电运输阶段相关数据，可以估算出煤炭运输阶段环境成本约为3465万元。

2.2.4 燃煤发电阶段

目前，我国发电方式主要以燃煤发电为主。燃煤发电行业在我国造成严重的大气污染，排放包括烟尘、SO2以及NOx等污染物，造成雾霾、酸雨等现象，严重危害人体健康。因此，将对燃煤发电厂发电过程中的环境外部成本进行研究和量化分析，核算公式如下：

式中C-燃煤发电阶段环境成本；Qi-第i中排放物的数量；Wi-第i中排放物的环境价值标准。

根据相关标准，火电厂燃烧1t煤主要污染物的排放量如表3所示。

表3 燃烧1t煤排放污染物

据调查发现，600MW机组24h耗煤量5500t。结合污染物环境价值，估算出燃煤发电整个生命周期30a间燃煤发电环境成本超293亿元。

2.2.5 煤电厂退役及回收利用

煤电厂退役后，有部分材料可以重新加以利用。根据有关研究，在燃煤电厂退役处置及回收利用中，会产生环境影响。假设容量为600MW的燃煤发电机组年发电量为30亿kWh,可估算出煤电厂退役及回收利用阶段环境成本约为189万元。

3 结果与分析

据以上分析，风电项目全生命周期环境成本核算结果见表4。

表4 风电项目全生命周期环境成本核算结果

由于风电机组的生命周期为20a，并且根据文中假设，发电厂年发电量为370GWh。结合整个生命周期产生的环境成本，可以计算出风电项目每千瓦时电产生环境成本0.0052元。煤电项目全生命周期环境成本核算结果，见表5。

表5 煤电项目全生命周期环境成本核算结果

由于煤电机组的寿命一般为30a，600MW的燃煤发电机组30a总发电量大约为90000GWh。结合表中煤电项目全生命周期的环境成本，可以计算出煤电项目每千瓦时电产生环境成本0.3287元。

通过观察两种发电模式各阶段的环境成本，可以发现风电项目的环境成本产生主要集中在风机以及风电厂的生产制造阶段；煤电项目的环境成本主要集中在燃煤发电阶段。并且风能发电每千瓦时环境成本为0.0052元；燃煤发电每千瓦时0.3287元。对比看出，风能发电环境成本仅占燃煤发电的1.58%。

4 结语

研究发现，从全生命周期角度分析，就风能和火电两种能源对比而言，考虑两种模式从原材料挖掘、发电运行最后到废弃处置全生命周期的环境影响即环境成本时，风能发电的单位发电环境成本是远低于燃煤发电的。

基于以上研究结论，提出政策建议：①提高风能发电在我国电力体系中的比重，内蒙古地区风能资源丰富，可开发利用范围广阔；政府应加大对风能行业的补贴，鼓励发展风电技术，充分利用该可再生能源。②研究新型风机材料。由于在风机原材料开采、冶炼以及风机制造阶段的环境成本占风电生命周期环境成本的65%,因此采用新型、环保的风机材料将进一步降低风电经济成本以及其环境外部成本。③由于在短期内，风能无法代替煤炭的能源地位,在这种环境下，应针对煤炭发电行业制订适宜的环境管制政策，促进煤炭行业的节能减排技术发展。