中国新能源发电生命周期温室气体减排潜力比较和分析

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温　室　气　体　排　放

第8卷　第1期2012年1月

气候变化研究进展

PROGRESSUS INQUISITIONES DE MUTATIONE CLIMATIS

Vol. 8 No. 1January 2012

doi:10.3969/j.issn.1673-1719.2012.01.008

刘胜强, 毛显强, 邢有凯. 中国新能源发电生命周期温室气体减排潜力比较和分析 [J]. 气候变化研究进展, 2012, 8 (1): 48-53

中国新能源发电生命周期温室气体减排潜力比较和分析

刘胜强，毛显强，邢有凯

北京师范大学环境学院，北京　１００８７５

摘　要：从生命周期的角度分析，各类新能源发电技术的开发、建设、运行过程，也会带来一定的温室气体排放，这引发了人们对于新能源发电技术“低碳”属性的担忧。遵循生命周期评价方法，在对国内外大量资料文献进行收集整理的基础上，对中国传统火电和主要新能源发电技术的温室气体排放系数进行了对比分析；并根据国家发展规划目标，对新能源发电替代火电的温室气体减排潜力进行了估算。分析结果表明，即使考虑生命周期内的排放，新能源发电技术的温室气体排放系数仍远远低于火电，新能源发电技术替代火电的温室气体减排潜力巨大。关键词：生命周期评价；温室气体减排；新能源发电

引　言

电力行业是中国最大的温室气体排放源，这主要是由我国以燃煤为主的电力结构决定的，调整电力能源结构减排潜力巨大。2009年底，我国政府公布了“到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%”的目标[1]，这将大大加快我国电力能源结构调整步伐，大力发展低碳新能源电力已成为实现此目标的最重要途径之一，未来一段时间我国新能源电力将迎来快速发展期。 目前我国温室气体减排工作重点关注发电及能源消耗过程中排放的温室气体，核电、风电、太阳能光伏发电等新能源往往被认为是“零排放”的电力能源。而实际上，从生命周期的角度分析，各类

收稿日期：2011-06-30; 　修回日期：2011-08-02

新能源电力的开发、建设、运行过程，包括原材料开采、设备生产、运输、销售、设施废弃等环节和阶段也会带来一定的温室气体排放。认识到这一点，引发了人们对于新能源发电技术“低碳”属性的担忧。因此，遵循生命周期分析方法进行新能源发电技术温室气体减排潜力比较、分析并澄清相关事实具有重要的意义。

考察新能源发电技术的生命周期排放需从温室气体排放系数入手。关于电力行业温室气体排放系数的研究很多，如吴晓蔚等[2]结合电厂在线监测结果，研究了火力发电行业CO2和N2O的排放系数，并与IPCC缺省因子进行对比；师华定等[3]对我国电力行业温室气体清单编制进行实体分类和分析，建立了符合我国国情的电力行业温室气体清单编制方

资助项目：美国能源基金会中国可持续能源项目（The China Sustainable Energy Program, Energy Foundation）（G-0911-11642）；环境保护行业性公益

项目“重点行业大气污染与温室气体排放协同控制政策与示范研究”（201009051）作者简介：刘胜强，男，硕士研究生，从事气候变化政策和环境管理研究；毛显强（通信作者），男，教授，maoxq@bnu.edu.cn

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法体系框架；王雪娜[4]在总结能源类碳排放研究现状的基础上，引入系统动力学方法，构建了我国能源类碳排放估算模型。

一些国内外专家学者从生命周期评价的角度分析新能源电力生产的温室气体排放系数，如马忠海[5]采用生命周期评价方法，研究了中国煤电能源链、核电能源链和水电能源链的温室气体排放系数，并进行了对比分析；Spadaro等[6]研究了水电工程生命周期温室气体排放；邹治平等[7]研究了风电原料制造、建设和运行阶段的温室气体排放；刘俊伟等[8]研究了秸秆直燃系统发电生命周期的温室气体排放；Jungbluth等[9]采用生命周期评价方法研究了瑞士太阳能光伏的温室气体排放，等等。

本文将在分析主要发电技术生命周期温室气体排放系数的基础上，结合不同新能源发电技术的发展现状及规划目标，比较不同类型新能源对我国电力行业温室气体减排的贡献潜力。

过程；(3) 核电，包括核电站建设所用钢材、水泥、铝、铜等材料生产过程，电站建设过程，铀矿开采及冶炼，乏燃料处理，运输过程，退役过程；(4) 风电，包括风机原材料（主要为钢材）的生产，原材料及风机运输，风电场建设所用混凝土、钢、铁的生产，施工机械，退役过程；(5) 生物质能发电，包括农作物种植和生物质获取，运输，系统设备制造，电厂建设所用建筑材料生产，燃烧发电过程，设备回收报废阶段，不考虑农作物种植过程对CO2的吸收和秸秆燃烧排放的CO2；(6) 太阳能光伏发电，包括多晶硅冶炼，太阳能光伏组件生产、运输，太阳能光伏发电厂建设安装，运行维护，设备回收报废阶段。对不同电力能源生命周期消耗的钢铁、水泥、铝、硅等原材料，只计算生产过程的直接排放。 生命周期评价是一种系统性较强，过程较复杂的计算方法。对任何一种发电技术的温室气体排放进行生命周期评价和详细核算都需要投入大量时间和精力。本文重点在于遵循生命周期评价方法，分析不同新能源发电技术替代火电的温室气体减排潜力，为此大量引用了国内外专家学者已公开发表的研究成果作为确定排放系数的基础。同时，为减少不确定性，尽量综合选取边界一致、结果较为适中、争议较小的排放系数。

１　　主要发电技术生命周期温室气体排放核算方法

生命周期评价，是评价某种产品、工艺过程或活动，从原材料采集到产品的生产、运输、销售、使用、回收、养护、循环利用和最终处理整个生命周期系统有关的环境负荷的过程[10]。对于消费过程中不排放温室气体的电力能源，以及消费过程排放以外的温室气体排放，都可以采用生命周期评价方法，核算其整个生命周期的温室气体排放。 随着生命周期评价在各行业中的应用日趋广泛，其方法体系也在不断发展[11]。生命周期评价系统边界的确定对温室气体排放系数的估算影响极大，为使研究结果具有可比性，应尽量采用一致的系统边界。本文中各电力能源生命周期评价系统边界如下：(1) 火电，包括煤炭开采、洗选、运输、自燃过程，火电厂建设所用钢材、水泥等主要建材生产过程及设施建设安装过程，燃料燃烧过程，电站退役过程；(2) 水电，包括水库中CH4等温室气体排放，大坝建设所用钢材、水泥等建材生产过程，施工机械，水力发电不能运行期间所需外来电力能源，电站退役

２　　主要发电技术生命周期温室气体排放系数

分析

本文以2008年为基准年，计算各类电力能源温室气体排放系数。对于引用参考文献中计算年份不是2008年的数据，本文考虑技术进步和能耗降低随时间变化的影响，将各类发电技术温室气体排放系数折算为2008年水平，使结果具有可比性。２．１　　火电

[12] 采用《2006年IPCC国家温室气体清单指南》

给定的各类燃料缺省排放系数，以及《中国能源统

[13]

计年鉴2009》中火电消耗的各类能源实物量，计

算得出火力发电温室气体排放总量，再根据火力发电量总量，计算得出中国火电行业运行（燃烧）过

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程温室气体①综合排放系数为1036.8 g/(kW?h)，变化区间为931.6～1189.8 g/(kW?h)。

综合马忠海[5]、狄向华等[14]、Spadaro等[6]、郑楚光[15]、特伦布莱等[16]的研究成果，估算中国火电生命周期的温室气体排放系数为1188.8 g/(kW?h)，变化区间为1083.7～1341.9 g/(kW?h)。２．２　　水电

水库中温室气体的来源有多种途径，排放量受多种因素的影响，主要包括土壤质地、水库库龄、水深、水位等水库特征，以及气候、水体pH值、植被生长状况、库区清理程度等。目前国际上对水库温室气体排放的争议很大，观测排放差异也极大，还有一些学者认为，水库在一段时间内作为“源”和“汇”可以达到平衡，即净排放为零[17]。

本研究采用CDM核算方法[18]给定的排放系数，对水电温室气体排放进行核算，并只考虑水电站建设增加的水面所带来的温室气体排放。参考中国典型水电站的功率密度以及发电量[5]，结合Gagnon等[17]对北半球水库温室气体排放的研究结果，确定水库温室气体排放系数变化区间为15.0～23.6 g/(kW?h)。

根据Spadaro等[6]、郑楚光[15]、马忠海[5]、邹治平等[19]、特伦布莱等[16]的研究成果，估算水电工程生命周期温室气体排放系数为3.5～8.0 g/(kW?h)。 综合以上分析，估算中国水电生命周期温室气体排放系数变化区间为18.5～31.6 g/(kW?h)。２．３　　核电

根据马忠海[5]、Spadaro等[6]、郑楚光[15]、特伦布莱等[16]的研究成果，确定核电生命周期温室气体排

放系数变化区间为7.0～13.0 g/(kW?h)。２．４　　风电

一般认为风电生产运行过程中不会排放任何温室气体。根据邹治平等[7]、Schleisner[20]、Spadaro等[6]的研究成果，采用内陆风电的排放系数，，确定风电生命周期温室气体排放系数变化区间为6.0～9.0 g/(kW?h)。

２．５　　生物质能发电

采用生命周期评价对秸秆直燃发电温室气体排放进行分析，参考林琳等[21]、冯超等[22]、刘俊伟等[8]的研究，估算生物质直燃发电系统的生命周期温室气体排放系数变化区间为210.0～260.0 g/(kW?h)。２．６　　太阳能光伏发电

目前太阳能光伏发电在国内尚未大规模商业应用，针对太阳能的生命周期评价研究也较少，国内只有少量对光伏电池组件的生命周期评价研究，尚未发现针对太阳能发电生命周期的研究，因此本文根据Asakura等[23]、Jungbluth等[9]的国外相关研究成果，估算太阳能光伏发电生命周期温室气体排放系数变化区间为20.0～40.0 g/(kW?h)。２．７　　对比分析

根据以上分析，将不同发电技术生命周期温室气体排放系数进行汇总，结果见表1。可以看出，考虑生命周期排放以后，所有发电技术都有不同程度的温室气体排放，大致可以分为3个级别：火电由于以燃煤为主，排放系数最大，且与其他电力能源有着数量级的差距；生物质能排放居中，低于火电

表1 不同发电技术生命周期温室气体排放系数对比

Table 1 Life cycle GHG emission coefficients for different power generation technologies

①本文排放系数和减排量单位中温室气体均换算成CO2当量。

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但远高于其他类型新能源；水电、核电、风电、太阳能光伏发电排放都较小。可以看出，相对于化石燃料燃烧排放来说，新能源发电生命周期排放系数要小得多，即使不是“零排放”，也属于绝对的“低排放”电力类型。

到3.8亿kW，核电装机达到8600 kW，风电装机达到1.5亿kW，生物质能发电装机达到3000万kW，太阳能光伏发电装机达到2000万kW。然而，受日本福岛核电站放射性物质泄漏事故影响，核电发展规划目标可能会有较大调整，但目前尚无定论，因此本研究仍以8600 kW作为2020年核电发展目标进行计算。

以2008年为基准年，如果只考虑各类发电技术运行过程的温室气体排放，则简单认为各类新能源发电是“零排放”，而火电的温室气体排放也只考虑发电运行过程，采用发电过程运行燃烧排放系数，计算当实现2020年规划目标后的减排潜力为14.84～18.95亿t/a（表2）。

仍以2008年为基准年，采用生命周期温室气体排放系数，计算当实现2020年规划目标后，以新能源新增装机发电等量替代火电时，对温室气体减排的贡献约为16.90～20.84亿t/a（表2）。可见，考虑生命周期排放后，所估算的新能源发电技术替代传统火电的减排总量将上升10%～14%。

由表2可以看出，与发展传统火电相比，大力发展新能源发电可以获得巨大的温室气体减排量，其中核电和水电新增发电量最大，减排贡献量也最大，是未来一段时间我国电力行业结构性温室气体减排的根本；风电、生物质能发电和太阳能光伏发电也

３　　主要发电技术生命周期温室气体减排潜力分析

在分析不同发电技术生命周期温室气体排放的基础上，计算各类新能源发电技术替代传统火力发电的减排潜力更具科学性和准确性。

根据国家发展和改革委员会《可再生能源中长

[24]

期发展规划》（2007年），到2020年，我国水电、

风电、生物质能发电、太阳能光伏发电的装机规模将分别达到3亿kW、3000万kW、3000万kW、180

[25]万kW。根据《国家核电中长期发展规划》（2007年），

我国2020年核电发展目标运行装机容量争取达到4000万kW。

但是，近几年我国新能源发展迅速，原有的规划目标已经落后于各类新能源实际发展速度，目前我国《新兴能源产业发展规划》已经通过审批，各类新能源规划目标已经基本确定，初步计划各类新能源发电发展目标如下[26]：到2020年，水电装机达

表2 新能源发电替代传统火电对温室气体减排的贡献

Table 2 Contribution to GHG emissions reduction of new energy power generation substituting for traditional coal-fired power generation

注：各类发电技术新增发电量根据新增装机规模与年有效运行时间相乘得出，年有效运行时间根据2008年装机容量和发电量计算得出；水电、核电、风电2008年数据来自文献[27]；生物质能发电与太阳能光伏发电2008年数据来源于文献[28]。

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可以获得相当数量的温室气体减排量，是实现电力行业温室气体减排的重要补充。

除生物质能发电以外，考虑生命周期排放会使新能源发电的温室气体减排效果更为显著，原因是煤炭开采以及自燃过程会排放较多的CH4和CO2，而其他新能源生命周期过程中基本不存在此类排放，导致火电除了运行过程温室气体排放量大以外，整个生命周期过程其余环节的温室气体排放也比新能源发电要高。由于生物质能发电生命周期温室气体排放比其他新能源发电都高，因此考虑生命周期排放以后其减排比例相对降低。核电和风电减排比例略微提高，水电和太阳能光伏发电减排贡献比例基本无变化。

水平随时间提高，温室气体排放系数会不断下降，也会导致不确定性。

(4) 数据二次引用。本研究大量引用了已有研究成果。不同研究人员的研究水平、时间、范围、目的不同，研究成果也存在一定的差异。虽然本研究根据不同专家研究成果对各类电力能源温室气体排放系数进行了校准与核查，但仍不可避免地存在误差。

５　　结　论

从生命周期的角度分析，尽管相对于传统火电来说，水电、核电、风电、生物质能发电、太阳能光伏发电等新能源发电技术温室气体排放系数比传统火电要小得多，但并不是绝对的“零排放”，而是“低排放”电力类型。各类新能源发电技术中，核电和风电生命周期温室气体排放最小，水电和太阳能光伏发电居中，生物质能发电相对较大。

由于煤炭开采以及自燃过程温室气体排放较多，考虑生命周期排放以后，新能源发电替代火电的温室气体减排效果更为显著。调整电力结构，提高新能源发电比重，对温室气体减排贡献巨大，减排潜力主要取决于各类电力温室气体排放系数和规划发展目标。

生命周期分析方法除了用于核算新能源发电技术的温室气体排放以外，还可以评价新能源发电的环境影响，例如水电对生态和移民的影响、核电发生核泄漏的风险、风电对鸟类飞行的影响、太阳能电池原料多晶硅生产过程中排放的四氯化硅对人类健康的危害等[29]。未来电力行业温室气体减排政策及新能源发展规划制订过程中，也应遵循生命周期分析方法，综合考察新能源发电技术的成本、温室气体减排潜力和环境影响等。

参考文献

[1]搜狐新闻网. 2020年单位GDP二氧化碳排放降40%至45% [EB/OL].

2009 [2011-03-08]. [2]吴晓蔚, 朱法华, 杨金田, 等. 火力发电行业温室气体排放因子测算

[J]. 环境科学研究, 2010, 23 (2): 170-176

[3]师华定, 齐永青, 梁海超, 等. 电力行业温室气体排放核算方法体系

研究[J]. 气候变化研究进展, 2010, 6 (1): 40-46

４　　不确定性分析

本研究的不确定性主要来自于统计和核算过程中的方法选择、排放系数选择、数据收集、数据引用等方面。

(1) 方法选择。《2006年IPCC国家温室气体清单指南》提供的方法2和方法3精确度相对较高，但受我国统计数据和研究水平的限制，本文只采用了方法1进行核算。关于水库建设是否增加温室气体排放问题，目前在学术界还存在较大的争议，本研究所采用的CDM排放参数也一直在不断修订过程中，其准确性和精度还有待时间的验证。生命周期评价系统研究边界（生命周期范畴）的确定也会产生较大的不确定性。

(2) 排放系数和发热值选择。矿物燃料燃烧的温室气体排放系数取决于燃料的含碳量，同时也取决于燃烧过程是否完全，不完全燃烧会导致部分碳残留在烟尘和灰烬中。一般来说油和气的缺省排放系数普遍被认为比较精确，而煤炭氧化程度取决于燃烧条件，可能有几个百分点的变化。此外，燃料发热值的变化也会带来不确定性。

(3) 活动水平数据选择。本研究采用的统计数据可能存在系统误差和偶然误差，逐级上报过程中对数据的校正和处理也会增加结果的不确定性。此外，钢铁、水泥等原材料生产、采掘、运输等过程能效

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