,1,2, 屈秋实1,2, 熊琛然1,2, 王博1,2Comparison of emissions from offshore and onshore wind power systems based on life cycle assessment
XIANG Ning1,2, WANG Limao,1,2, QU Qiushi1,2, XIONG Chenran1,2, WANG Bo1,2通讯作者:
收稿日期:2020-06-22修回日期:2021-01-25网络出版日期:2021-04-25
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Received:2020-06-22Revised:2021-01-25Online:2021-04-25
作者简介 About authors
向宁,男,四川什邡人,博士研究生,主要研究方向为能源经济与地缘政治。E-mail:
摘要
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Abstract
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向宁, 王礼茂, 屈秋实, 熊琛然, 王博. 基于生命周期评估的海、陆风电系统排放对比. 资源科学[J], 2021, 43(4): 745-755 doi:10.18402/resci.2021.04.09
XIANG Ning, WANG Limao, QU Qiushi, XIONG Chenran, WANG Bo.
1 引言
人类经济和社会发展对化石能源的严重依赖,不仅造成能源供应日趋紧张,而且导致了全球气候变暖以及极端灾害天气等重大环境问题频发。在过去40年中,化石燃料的消耗和CO2的排放量几乎翻了一番[1]。为了减少化石能源的使用所产生的CO2的排放,利用可再生风能发电是一种有效方法[2]。目前世界风力发电量增长迅速,风力发电已成为发展最快的可再生能源技术[3]。据IRENA（International Renewable Energy Agency）最新数据显示,全球陆上和海上风力发电装机容量在过去20年中增长了约74倍,从1997年的7.5 GW跃升至2018年的564 GW;2016年风能占可再生能源发电量的16%[4]。IEA（International Energy Agency）在《2019年世界能源展望》中预测,2040年低碳能源将占总发电量的一半以上,其中风能将占到总发电量的15%以上[5]。中国也十分重视低碳能源的发展,特别是2006年以来,中国风电装机量呈现出“爆发式”增长,2010年首次超越美国成为风电装机规模世界第一的风电大国,截至2019年底,中国拥有并网风电场4000余座,累计装机12万余台,风电场已遍布31个省份,累计装机容量达到2.1亿kW[6]。并且,2020年12月12日,习近平总书记在气候雄心峰会上发表讲话：“到2030年,中国风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上”[7],表明了中国对于减缓全球变暖的努力与决心。风力发电在运行过程中不需要消耗化石能源和其他燃料。但从风力发电整个生命周期来看,仍需要不可再生资源的投入,并且存在与之相关的温室气体排放,以及其他有害排放[8]。这些排放主要是源自于风力发电设备和风电场相关设施的生产、建设和安装。风力发电全过程造成的对资源和环境的影响可通过生命周期评估（life cycle assessment, LCA）方法进行量化。LCA方法是通过确定生产过程中使用的能源和材料以及废物和排放物,来评估项目建设对于环境的影响[9]。它主要基于细致和全面地分析在整个系统下物质和能量的流动情况[10]。国外的风力发电全生命周期研究中,主要是利用LCA方法对风电系统的环境影响和效益进行评价[11,12,13,14],并与其他形式的可再生能源进行比较。如Weinzettel等[15]对海上浮动式风机进行了全生命周期评估,并与现有的海上风力发电和天然气联合循环发电的LAC研究进行了比较;Chipindula等[16]对德克萨斯州和墨西哥湾沿岸3个地点（陆上、浅海和深海）的风力发电场进行各阶段的比较分析,发现由于海上风速较高,海上风电设施在电力生产方面具有优势,然而在基础和传输单元的建造过程中需要更高的材料输入,这一优势会被抵消,这使得海上风电场在生命周期的初始阶段会导致更高的能量和环境排放;Bhandari[17]等在生命周期评估理论下,对2000—2019年发表的有关风力涡轮机研究的数据,采用线性回归模型分析了全球变暖潜能与容量系数、额定功率、年发电量、轮毂高度和转子直径的关系;Schreiber[18]对德国3 MW不同类型风力发电机组的生命周期进行了评估,包括3种最常安装的陆上风机类型：带双馈感应发电机的风机,电激励直接驱动的同步发电机和直接驱动的永磁同步发电机,结果表明在减少温室气体排放方面,使用直接驱动的永磁同步发电机的风机拥有最大的发展潜力。相较于欧美发达国家,中国针对LCA领域展开的相关研究起步较晚,开始于20世纪90年代,主要应用领域集中在建筑业、农业和能源领域[19,20,21,22];而对风电全生命周期的环境影响方面研究较少。相关的研究有：赵晓丽等[23]以装机容量为49.5 MW的扎鲁特旗风电场项目为研究对象,利用LCA理论对各阶段的碳足迹展开测算,并从碳减排效益角度对比了火电和风电两种不同发电项目的综合成本;Wang[24]对中国的水电、核电和风电的生命周期温室气体排放量进行了评估,研究表明制造阶段是风电和水电对环境影响最大的阶段;吴凡[25]以新疆十三间房地区49.5 MW风电项目为研究对象,利用构建的风电项目全生命周期碳排放测算模型及LCA综合数据清单,对该风电项目的碳排放情况及碳减排潜力展开了实证分析。
虽然已有****分别对海上和陆上风电场的减排效应进行了研究,但国内尚缺乏对海上和陆上风电系统的温室气体排放情况进行全面对比分析的研究。海上和陆上风电场由于建设位置的不同,各自有不同的特点：与陆上风电相比,海上风电具有风能资源丰富、风电场靠近能源负荷中心、海面可利用面积广阔、不占用土地等优势,但海上风力涡轮机需要额外的结构来固定浮动平台,这些额外生产的结构材料将释放额外的温室气体和污染排放,这可能会抵消海上风能资源丰富的优势[26]。本文使用Simapro专业生命周期分析软件和ReCiPe 2016 Midpoint环境评价方法,并利用拥有丰富单元过程和高质量LCA数据集的Ecoinvent数据库,对比海上和陆上风电场建设的全生命周期排放情况,包括温室气体排放对于气候变化的影响、以及污染物排放对于环境的影响,定量评估海上和陆上风电系统的排放差异,并回答哪种风电模式更有利于节能减排,为中国实现2030年碳排放达峰的目标提供参考。
2 研究方法
2.1 系统边界
海上和陆上风电场全生命周期的系统边界包括风电场设备制造、风电场的建设和安装、运输、维护以及拆卸和回收阶段5个阶段。在整个生命周期模型中,本文选取了0.1%的截止标准以消除影响较小的过程。2.2 研究范围和功能单位
本文对比了两种规模的风力发电机在海上和陆上风电场全生命周期的温室气体排放情况,以及污染物排放对环境的影响,包括2 MW和3 MW两种不同功率的海上和陆上风电场。海上和陆上风电场都由风机、风机基座、电缆以及变电站组成。本文选取风力发电产生的1 kWh电力为功能单元,基于该功能单元计算了海上和陆上风电系统整个生命周期的输入资源、能耗和相对排放量。2.3 模型假设与数据来源
本文有以下4个假设：①假设风电场所有部件和设备都由国内生产,不包括运输自国外的部件。②假设海上和陆上风电场的规模都是100 MW,则安装2 MW风机的风电场将安装50台风机,安装3 MW风机的风电场将安装33台风机。③假设每个风电场除了风机不同以外,风电场的配套设施（电缆、变电站）都相同。④假设风机使用寿命为20年[16]。本文海上和陆上风电系统生命周期清单分析数据主要来源于Vestas公司发布的研究报告[27,28,29]。此外,运输距离数据还参考了Huang等[30]有关海上风电场净能源分析中的数据。
2.4 清单分析
风电场生命周期所需要的材料包括设备制造阶段（风机、电缆和变电站）,风电场建设、安装和维护阶段的材料消耗（表1）。Table 1
表1
表1海上和陆上风电场材料清单
Table 1
| 阶段 | 材料 | 重量/t | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 2 MW陆上 | 2 MW海上 | 3 MW陆上 | 3 MW海上 | ||
| 设备制造阶段（风机） | 钢铁 | 192.0 | 168.4 | 265.1 | 186.1 |
| 铸铁 | 36.4 | 38.3 | 40.6 | 40.6 | |
| 玻璃纤维 | 18.4 | 18.8 | 19.8 | 19.8 | |
| 环氧树脂 | 9.4 | 9.5 | 10.0 | 10.0 | |
| 铜 | 3.9 | 4.1 | 4.4 | 4.4 | |
| 润滑油 | 0.9 | 0.9 | 1.0 | 1.0 | |
| 铝 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | |
| 聚酯纤维 | 1.7 | 1.8 | 1.9 | 1.9 | |
| 设备制造阶段（电缆） | 铝 | 157.0 | 157.0 | 157.0 | 157.0 |
| 铜 | 40.0 | 40.0 | 40.0 | 40.0 | |
| 高分子聚合物 | 350.0 | 350.0 | 350.0 | 350.0 | |
| 玻璃纤维 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | |
| 设备制造阶段（变电站） | 钢铁 | 37.0 | 37.0 | 37.0 | 37.0 |
| 铜 | 10.0 | 10.0 | 10.0 | 10.0 | |
| 高分子聚合物 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | |
| 橡胶 | 3.0 | 3.0 | 3.0 | 3.0 | |
| 玻璃纤维 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | |
| 电子设备 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | |
| 润滑油 | 13.0 | 13.0 | 13.0 | 13.0 | |
| 风电场建设和安装 | 碎石 | 939.0 | 192.0 | 939.0 | 192.0 |
| 沙子 | 2228.0 | 469.0 | 2228.0 | 469.0 | |
| 混凝土 | 864.7 | 304.0 | 1164.7 | 404.0 | |
| 铸铁 | 27.0 | 9.0 | 36.0 | 12.0 | |
| 钢铁 | 5.1 | 5.7 | 15.1 | 11.0 | |
| 铝 | 0.8 | 0.8 | 1.1 | 1.1 | |
| 铜 | 0.3 | 2.8 | 0.4 | 4.3 | |
| PVC | 1.7 | 0.0 | 1.7 | 0.0 | |
| 铅 | 0.0 | 3.4 | 0.0 | 5.0 | |
| PEX | 0.0 | 0.5 | 0.0 | 0.8 | |
| 维护 | 玻璃纤维 | 4.3 | 4.3 | 4.6 | 4.6 |
| 环氧树脂 | 2.9 | 2.9 | 3.0 | 3.0 | |
| 钢铁 | 3.4 | 3.6 | 3.8 | 3.8 | |
| 铸铁 | 4.4 | 4.7 | 5.0 | 5.0 | |
| 铜 | 0.6 | 0.6 | 0.7 | 0.7 | |
| 润滑油 | 0.1 | 0.1 | 0.2 | 0.2 | |
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2.4.1 设备制造阶段
风力涡轮机主要由风机转子、机舱和塔架构成,对于相同容量的风力涡轮机,陆上风力涡轮机塔架的重量和高度大于海上风力涡轮机。为了简化研究,本文假设所有风电场均采用24 km的33 kV铝芯PEX电缆将生产的电力输送至变电站,从变电站将风电场与电网连接起来采用20 km的110 kV 铝芯PEX高压电缆,电缆主要由铝、铜和高分子聚合物材料组成;变电站则选取60 MVA的变电站,将风电场生产的电力输送至电网中。
2.4.2 风电场建设与安装阶段
风电场建设阶段主要包括风电场地基的建设和设备的安装,地基材料主要有混凝土、铸铁、钢铁,其中钢铁和铸铁的使用是为了加固混凝土。海上和陆上风电场地基的主要差异在于材料：陆上地基大多为混凝土,钢筋比例很小;而海上风机的地基则采用钢结构,旨在抵御特殊天气和环境影响。
2.4.3 运输阶段
在运输阶段,对于环境的影响来自于用交通运输工具将原材料运往工厂,并将风机部件运往风电场产生的。在全生命周期模型中是通过重量（kg）乘以距离（km）来衡量运输阶段的物质和能量的消耗。本文假设将原材料运至设备制造工厂的卡车运输距离为600 km,并假定风电塔地基所使用的混凝土材料的卡车运输距离为50 km;假设将设备制造工厂生产的风机部件运送至风电场的卡车运输距离为625 km,对于海上风电场,还增加了将设备从岸上运送到海上风电场位置的海上运输距离（50 km）;假设生命周期的最后拆卸和回收阶段为就近区域回收,运输距离为200 km;假设生命周期中维护阶段,每年维修人员往返的距离为1500 km。
2.4.4 维护阶段
在风机运行的过程中,部件会发生磨损,特别是旋转部件,之前的LCA研究结果表明风电系统在运营与维护阶段的排放和能源消耗非常低,平均占总消耗的2%左右[31,32]。本文中维护阶段包括日常的维护和检查,假定日常检查为每3周检查一次,维护工作包括每台风机在整个生命周期中齿轮箱和冷却系统中润滑油的更换,以及假设风机在整个生命周期中更换一次叶片和15%的机舱部件。维修人员乘坐交通工具所消耗的能源算在了运输阶段,在维护阶段不再重复计算。
2.4.5 拆卸和回收阶段
风电系统生命周期的最终阶段是拆卸和回收阶段,这一阶段主要目的是对达到寿命的设备进行拆卸和回收,以减少环境的污染。为了正确评估风电场的全生命周期产生的温室气体和污染物排放,必须选取合适的拆卸和回收方法。本文假定所有的风电设施都将被拆除,包括电缆和变电站;风电设施中可回收利用的材料为钢铁、铸铁、铜、铝等金属,回收率假定为92%（表2）;塑料被埋在地下和焚烧,风电场所用的其他材料,如玻璃纤维和混凝土等,采用填埋处理方式[27]。
Table 2
表2
表2废弃材料的回收和处理方式
Table 2
| 材料 | 处理方式 | ||
|---|---|---|---|
| 回收率/% | 焚烧率/% | 填埋率/% | |
| 钢铁 | 92 | 0 | 8 |
| 铝 | 92 | 0 | 8 |
| 铜 | 92 | 0 | 8 |
| 塑料 | 0 | 50 | 50 |
| 其他材料 | 0 | 0 | 100 |
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2.5 生命周期环境影响评估方法
LCA法量化了产品生命周期的排放对于环境的影响,一个产品整个生命周期关系到很多资源的利用和生产过程中的排放,这都会对环境造成影响。全生命周期的影响评估是将这些排放和资源的利用转化为特定的环境影响分数,来定量评估产品的全生命周期对于环境产生的影响[33]。ReCiPe 2016环境影响评估方法是通过计算特征因子来完成的,其中特征因子是表征单位压力源的环境影响的指标,目前计算特征因子的方法主要有两种：Midpoint方法和Endpoint方法,这两种方法是互补的关系,Endpoint方法与环境流关联性较好,但Midpoint方法有相对更低的不确定性[34]。为了更准确地评估风电场全生命周期的污染物排放对环境的影响,本文选取了ReCiPe 2016 Midpoint评价方法,并用该方法分析了全生命周期排放的污染物对于环境的13种影响。13种影响分别为：平流层臭氧消耗、电离辐射、臭氧形成（人类健康）、细颗粒物、臭氧形成（陆地生态系统）、土地酸化、淡水富营养化、海洋富营养化、土地生态毒性、淡水生态毒性、海洋生态毒性、致癌毒性、非致癌毒性）。2.6 能源回收时间
能源回收时间是决定可再生能源发电场可持续性的重要指标。它描述了在发电场的整个生命周期中,补偿其中一次能源所使用的时间。风电场运行时间达到能源回收时间之后,在这种情况下,风电场无需额外的能源投入就能发电,以补偿生产、使用和处理过程中的能源支出[35]。能源回收时间（月）通过将风电场建设所消耗的总能源（kWh）除以风电场每年的发电量（kWh）计算得到。能源回收时间越短,表明能量的输入和输出可以在越短的时间内平衡,经济效益越好。本文假定陆上风电场风机每年运行时间为2630 h,海上风电场风机每年运行时间为4743 h[29]。3 结果与分析
3.1 全生命周期温室气体排放
根据温室气体单位排放量（g/kWh）的评价方式,本文计算得到了不同功率的海上和陆上风电场全生命周期的温室气体（greenhouse gases, GHG）排放情况,并通过ReCiPe 2016 Midpoint评价方法计算得到了风电场全生命周期温室气体排放对于全球变暖的影响（global warming potential, GWP）。ReCiPe 2016 Midpoint评价方法是按照IPCC第五次报告的全球变暖潜值计算方法[36],折算CO2当量。用GWP指标衡量风电场全生命周期温室气体排放水平,模型结果表明,在给定风电场总的100 MW发电规模的情况下,2 MW风机陆上和海上、3 MW风机陆上和海上风电场全生命周期温室气体排放量分别为4.02 g CO2/kWh、1.69 g CO2/kWh,3.23 g CO2/kWh和1.28 g CO2/kWh,无论陆上或海上风电场,其全生命周期的温室气体排放量均远远小于传统火力发电的温室气体排放量（1050g CO2/kWh）[37]。同时温室气体的排放量与风机的功率成反比;在相同功率风机的情况下,海上风电场的温室气体排放量比陆上风电场要少,这与海上风力资源比陆上更加丰富,海上风机的满载时间比陆上更长有关。从整个生命周期模型的阶段来看,风机生产过程所产生的温室气体排放占到总排放的40%以上（图1）,其次是风电场建设和安装阶段,占比10%左右,运输阶段占7%左右,而拆卸和回收阶段对于减少全生命周期温室气体排放量贡献巨大,减少了风电场全生命周期约35%的温室气体排放,这主要是因为本文的全生命周期模型在拆卸和回收阶段对风电场主要的金属原材料采取了回收利用的假设。全生命周期阶段中,海上和陆上风电场在建设和安装阶段差异较大,陆上风电场建设和安装阶段的温室气体排放量的贡献率约为13%,而海上风电场约为8%,这是因为陆上风电场和海上风电场所处的环境不同,所使用的地基材料有差异,陆上风电场的地基材料大量使用混凝土,而海上风电场的地基材料则主要使用钢铁,本文在拆卸和回收阶段对于钢铁采取了回收利用的假设,减少了海上风电场在建设和安装阶段的温室气体排放量。
图1
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图1风力发电全生命周期主要阶段温室气体排放量
Figure 1Greenhouse gas emissions in the main stages of the life cycle of wind power generation
3.2 全生命周期污染物排放的环境影响
从不同类型风电场全生命周期排放污染物的环境影响来看（表3）,总体上,相同机型的100 MW海上风电场建设所排放污染物产生的环境影响小于陆上风电场;3 MW机型的100 MW风电场污染物排放的环境影响则小于2 MW机型;但在水体的富营养化影响方面,海上风电场对于淡水水体的富营养化影响要大于陆上风电场,并且海上风电场对于海洋富营养化的影响也大于或等于陆上风电场;在风电场污染物排放对于人类的非致癌毒性上,同样出现了海上风电场的影响要大于陆上风电场的情况。Table 3
表3
表3陆上和海上风电场全生命周期污染物排放的环境影响
Table 3
| 影响类别 | 单位 | 2 MW陆上 | 2 MW海上 | 3 MW陆上 | 3 MW海上 |
|---|---|---|---|---|---|
| 平流层臭氧消耗 | kg CFC11/kWh | 12.02 | 9.27 | 9.13 | 6.76 |
| 电离辐射 | kBq Co-60/kWh | 1.38E+05 | 9.97E+04 | 1.08E+05 | 7.23E+04 |
| 臭氧形成（人类健康） | kg NOx/kWh | 82574.35 | 60647.10 | 64224.92 | 44252.25 |
| 细颗粒物 | kg PM2.5/kWh | 34224.84 | 30863.72 | 27239.53 | 23155.74 |
| 臭氧形成（陆地生态系统） | kg NOx/kWh | 84825.01 | 62582.25 | 66044.59 | 45619.40 |
| 土地酸化 | kg SO2/kWh | 75407.39 | 69865.36 | 59575.09 | 53052.25 |
| 淡水富营养化 | kg P/kWh | 1676.42 | 2047.19 | 1394.78 | 1657.49 |
| 海洋富营养化 | kg N/kWh | 155.84 | 154.81 | 50.46 | 133.79 |
| 土地生态毒性 | kg 1,4-DCB/kWh | 1.79E+08 | 1.69E+08 | 1.42E+08 | 1.33E+08 |
| 淡水生态毒性 | kg 1,4-DCB/kWh | 72591.33 | 69253.62 | 54098.49 | 49167.84 |
| 海洋生态毒性 | kg 1,4-DCB/kWh | 1.26E+05 | 1.12E+05 | 1.01E+05 | 8.67E+04 |
| 致癌毒性 | kg 1,4-DCB/kWh | 5.72E+05 | 4.69E+05 | 5.16E+05 | 3.52E+05 |
| 非致癌毒性 | kg 1,4-DCB/kWh | 3.78E+06 | 4.44E+06 | 3.02E+06 | 3.61E+06 |
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从全生命周期模型的阶段来看（图2）,对于陆上风电场来说,污染物的排放对环境的负面影响中,风机的生产是最主要的阶段,约占整个生命周期影响的50%以上;其次是风电场的建设阶段,包括风机的安装、电缆和变电站的建设,而风电场的维护和运输阶段污染物排放最少,所产生的环境影响较小。这主要是由于风机生产的基础材料需要大量的钢铁,而钢铁的生产所排放的污染物对于环境会产生较大的负面影响。由于本文采用了对于金属材料92%的回收利用假设,在生命周期最后的拆卸和回收阶段,钢铁的回收利用减少了风电场全生命周期污染物对于环境的影响。相比于2 MW机型的风电场,3 MW的风电场在拆卸和回收阶段对于减少海洋富营养化影响要更大一些,这可能与相同发电量下,使用更大功率的发电机可减少钢材和混凝土量有关。
图2
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图2风力发电全生命周期主要阶段排放的环境影响贡献
Figure 2Environmental impact contribution of emissions in the main stages of wind power generation life cycle
对于海上风电场来说,风机生产所产生的污染物排放对于环境的影响仍然是最大的,而且由于建设海上风电场相比于陆上风电场,使用混凝土量更少,使得钢材使用的环境影响占比增大,而钢材是风机生产的主要原材料,所以风机生产的环境影响大于陆上风电场。同时本文假设在拆卸和回收阶段仅对金属材料进行回收,混凝土材料采用填埋处理,海上风电场的金属材料比例高于陆上风电场,使得海上风电场在拆卸和回收阶段对环境的正向影响更大。由于海上风电场比陆上风电场多了海上运输的阶段,在运输阶段的环境影响稍大于陆上风电场。在水体富营养化影响上,海上风电场的建设和安装阶段对水体富营养化的影响占到了20%以上,而陆上风电场仅不到10%,这也与海上风电场建设和安装阶段中地基建设中混凝土的使用量大大减少、同时钢材的使用量增加有关。钢材生产过程中,会排放含氮磷的污水,氮磷过剩会引起水体富营养化,使得水域生态系统营养过剩,导致浮游藻类产量增加,水质恶化,这也将是海上风电场建设需要考虑的一个重要问题。
3.3 能源回收时间
假设陆上风机和海上风机每年等效满负荷时间分别为2630 h和4743 h的情况下,结果显示风机的功率越大风电场的能源回收时间越短（表4）。风机功率相同的情况下,海上风电场的能源回收时间比陆上风电场短,所以与安装小功率风机相比,安装大功率风机更具优势;同时海上风电场由于风机满负荷时间会更长,相比于陆上风电场能源回收时间也更短。Table 4
表4
表4风电场能源回收时间
Table 4
| 风机类别 | 能源回收时间/月 |
|---|---|
| 2 MW陆上 | 6 |
| 2 MW海上 | 4 |
| 3 MW陆上 | 4 |
| 3 MW海上 | 2 |
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3.4 敏感性分析
本文从风电场发电量和风力发电机寿命两个角度出发,分析了这两个参数变化对风电场温室气体排放量的影响。为了分析风电场电量变化的敏感性,所有其他因素都假定为常数。风力涡轮机产生的能量有满载和不满载两种状态,满载是指每台2 MW、3 MW风机全年运行,每年分别产生17520、26280 MJ能量;不满载是指由于风能实际的波动性,风机不会全年运行,本文假定陆上风电场风机每年运行时间为2630 h,海上风电场风机每年运行时间为4743 h[29],2 MW风机陆上风电场每年产生5260 MJ能量,海上风电场每台风机每年产生9486 MJ能量,3 MW风机陆上和海上风电场每年分别产生7890 MJ、14230 MJ能量。从不满载到满载,陆上风电场的发电量变化最大,增加了233%（图3）,相应的温室气体排放量减少也最多,减少了70%;对应的海上风电场发电量从不满载情况到满载情况下,发电量增加了85%,温室气体排放减少了46%。图3
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图3发电量变化与温室气体排放的比较
Figure 3Comparison of greenhouse gas emissions with changing electricity production
风力发电机的总寿命对每kWh发电量的环境负担有成比例的影响。本文所研究的风力涡轮机的寿命假设为20年。图4中显示了15年和25年运行条件相同的风力涡轮机的温室气体排放变化。除寿命外,其他影响因素保持不变。延长使用寿命会增加维护和操作排放,而制造、施工和运输以及最终拆卸和回收阶段的排放保持不变。延长寿命会导致更高的温室气体排放,但是会产生更多的电能。发电量增加的影响超过了环境负担的增加,因此从整个生命周期来看,增加风机的寿命有助于降低每kWh的温室气体排放,从而降低温室效应的影响。
图4
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图4风机寿命变化与温室气体排放的比较
Figure 4Comparison of greenhouse gas emissions with changing lifetime of wind turbines
4 结论与讨论
4.1 结论
风力发电过程虽然不会排放温室气体和污染物,但从风电场全生命周期角度分析,在设备制造、运输、安装、运行、废弃等环节也会产生一定量的温室气体和污染物的排放,因此风力发电并不是零排放的电力能源。本文利用全生命周期评估理论以及ReCiPe 2016 Midpoint环境评价方法,对比研究了100 MW海上和陆上风电场,配备不同功率风机,在全生命周期中分析温室气体排放量以及污染物的排放对于环境产生的影响。得出如下结论：（1）在温室气体排放方面,海上风电场全生命周期排放量平均为1.49 g CO2/kWh,小于陆上风电场平均排放量3.62 g CO2/kWh,且二者都远远小于火力发电的温室气体排放量。
（2）在海上和陆上风电系统运行时间均为满载以及风机功率相同的情况下,海上风电系统的温室气体排放量低于陆上风电系统;相同位置的风电场,风机功率越大,温室气体排放量越低。
（3）风机生产过程所产生的温室气体排放占到所有流程温室气体排放的40%以上,同时该过程所排放的污染物对环境的负面影响也最大,约占整个生命周期影响的50%以上。造成这种影响的主要原因是风机生产的基础材料需要大量的钢铁,而钢铁生产对环境的负面影响较大。
（4）风机的寿命以及风机的满载时间会对全生命周期的温室气体排放量和污染物排放量产生影响,风机的寿命越长、满载时间越长,温室气体排放量和污染物排放量也将越少。
（5）海上风电场以及大功率的风机将更有利于减少温室气体排放量和环境污染,在2030年中国碳排放达峰的压力下,从减排的角度来看,海上大功率风机将更具有竞争优势。
4.2 讨论
风电系统全生命周期的排放影响除了温室气体以及其他有害污染物的排放以外,风力发电对于局地和全球的气候也会造成一定的影响。根据前人的研究,一方面,风机的架设高度改变了原有空气动力学粗糙度,加强了下垫面对湍流的阻挡作用,直接影响边界层湍流运动,改变原有陆地表面和近地层大气之间的物质、能量和水分交换的强弱程度和模式,影响大气环流和气候[38,39,40,41];另一方面,由于风力涡轮机将一部分风动能转化为电能,产生风机尾流效应,改变了边界层中大尺度运动动能的收支模式与时空分布,导致大气各种通量（热量通量和水汽通量等）的变化,对温度、降水和风速等产生影响[42,43,44,45]。此外风电场的建设还可能破坏动物栖息地,造成鸟类碰撞和产生噪声等一些环境影响和生态损害[46,47,48,49,50]。但是在全球气候模式中的模拟结果表明,风电场对全球气候的平均影响很小,其影响远远小于温室气体排放引起的预期变化和自然气候的年际变化,并且对于动植物生态环境的影响可以采取相应的一些措施来缓解,如严格把控风电场选址以及实时监控等[51]。由于风电的环境影响涉及面较广,深入了解并量化风电系统对于气候和动植物栖息环境的影响,更全面地评估风电系统的全生命周期环境影响,仍然是未来研究的突破方向。参考文献 原文顺序
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Wind turbines produce electricity with hardly any emissions during operation. Most environmental impacts are associated with their manufacture. This work performs a comparative life cycle assessment (LCA) to evaluate the environmental impacts of different 3 MW power class wind turbines at a fictive onshore site in Germany. The three most frequently installed onshore turbine types are considered: geared converter with doubly-fed induction generator (DFIG), direct driven synchronous generator (DDSG) electrically excited and direct drive permanent magnet synchronous generator (DDPMSG). LCA reveals that environmental impacts are concentrated during manufacturing of fundament, tower and nacelle, which account for up to 19%, 30% and 99% of single impacts, respectively. Main drivers are the use of copper, steel and in case of DDPMSG also the rare earth permanent magnets. The DDSG shows higher impacts than the other wind turbines in 14 out of all 15 categories, due to the higher weight of its nacelle. Impacts due to operation add up to 3%.Four sensitivity analyses are conducted to estimate the effects of component replacement, recycling, origin of rare earths for permanent magnet production for DDPMSG and electricity yield. Possible recycling options show the highest improvement potential and even change turbine types ranking. (C) 2019 Elsevier Ltd.
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利用2000~2014年的MOD13Q1-NDVI数据,对内蒙古灰腾梁风电场及该电厂50 km缓冲区内的植被生长情况进行了分析。结合气象数据,重点探讨了风向对植被生长的影响。与2000~2008年风电场建设完成前植被生长相比,2008年后风电场运行对植被的生长产生了明显的影响,但影响范围和强度是不均匀的,结果表明：① 风电场运行对风电场区域内/外植被的影响机制是不同的,风电场区域内不利于植被的生长,而上/下风区域却有利于植被的生长;② 相对于风电场建成前,风电场建成后的2008 ~2014年缓冲区和风电场区域植被恢复比例分别上升了26.66%和13.14%,但上风区域却上升了51.83%,下风区域上升了41.07%。可见风电场上/下风区植被恢复比例,尤其是上风区植被的恢复比例要远高于其它区域;③ 距离风电场中心30~40 km的上风区很可能是受风电场影响最为明显的区域。
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