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朱廣巖1，2，3，4，田亞峻1，2，3，李俊杰1，2，3，謝克昌1，2，3
（1.中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所泛能源大數(shù)據(jù)與戰(zhàn)略研究中心，山東青島266101；2.山東能源研究院，山東青島266101；3.青島新能源山東省實驗室，山東青島266101；4.青島科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266042）
摘要：基于生命周期評價方法，建立了硬木直燃發(fā)電的清單數(shù)據(jù)，運用ILCD Midpoint+方法針對6種環(huán)境影響類型進行評價，并分析了造成各類環(huán)境影響的主要污染物，同時，在6種環(huán)境影響類型方面對多種發(fā)電方式進行了對比。結(jié)果表明：硬木直燃發(fā)電過程的環(huán)境影響主要來源于種植過程和發(fā)電過程，其中全球變暖主要來自發(fā)電過程，其余5種環(huán)境影響類型主要來自種植過程；氮氧化物、硫氧化物、氨、溫室氣體是造成各單元過程環(huán)境影響的主要因素；在環(huán)境影響方面，與水力、風(fēng)力、光伏發(fā)電方式相比，硬木直燃發(fā)電具有一定劣勢，但其產(chǎn)生的環(huán)境影響遠低于傳統(tǒng)化石能源發(fā)電方式。
目前，我國能源面臨著巨大挑戰(zhàn)，如能源供不應(yīng)求、能源結(jié)構(gòu)不合理、對外依存度高、環(huán)境壓力較大以及難以實現(xiàn)碳減排等[1]。生物質(zhì)作為可再生能源，不僅具有零碳能源屬性[2]，還可作為負碳能源在應(yīng)對氣候變化方面發(fā)揮積極作用[3]。2020年，我國生物質(zhì)資源年產(chǎn)量約為34.94億t，雖然當前能源化利用率較低，但在當前形勢下，大力開發(fā)生物質(zhì)能源是全球鼓勵的低碳轉(zhuǎn)型路徑[4]。
然而，秸稈、林業(yè)剩余物等生物質(zhì)資源在用于發(fā)電時產(chǎn)生的環(huán)境影響不容忽視。雖然生物質(zhì)資源中N、S元素含量較低[5]，但在生物質(zhì)直燃發(fā)電過程中，其產(chǎn)生的各類污染物會嚴重危害身體健康，加劇霧霾天氣[6]。此外，生物質(zhì)原料獲取難度較大，在生物質(zhì)收集、運輸和發(fā)電等過程中也會產(chǎn)生較高的碳排放量。因此，評估生物質(zhì)發(fā)電在生命周期中產(chǎn)生的碳排放量以及全面認識生物質(zhì)發(fā)電對環(huán)境的影響，對于推動生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。
生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）是一種用于評估與某一產(chǎn)品或服務(wù)相關(guān)的環(huán)境因素和潛在影響的工具，即對原材料從獲取、生產(chǎn)、使用到廢棄全過程進行評估[7]。生命周期評價強調(diào)全面認識物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中的環(huán)境影響，可以防止環(huán)境問題從生命周期的某個階段轉(zhuǎn)移到另一個階段或污染物從一個介質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一個介質(zhì)，有利于通過全過程控制來實現(xiàn)污染預(yù)防。近年來，多位學(xué)者對生物質(zhì)發(fā)電進行了環(huán)境影響研究。馮超等[8]分析了秸稈發(fā)電的環(huán)境影響。林琳等[9]對玉米秸發(fā)電進行了生命周期評價。卜壽珍等[10]對玉米秸發(fā)電進行了生命周期評價，研究表明光化學(xué)污染對環(huán)境的影響最大。以往的研究主要有以下兩方面不足：種植過程數(shù)據(jù)收集不全面，對生命周期全過程造成環(huán)境影響的各類污染物不明確；其評價結(jié)果的科學(xué)合理性存在局限性。
常見的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)有直燃發(fā)電、甲醇發(fā)電、生物質(zhì)燃氣發(fā)電技術(shù)等。目前，我國的生物質(zhì)發(fā)電以直燃發(fā)電為主，評估直燃發(fā)電技術(shù)能夠較好地反映我國生物質(zhì)發(fā)電對環(huán)境的影響。筆者利用LCA精確核算硬木直燃發(fā)電廠的環(huán)境足跡，充分考慮生物質(zhì)發(fā)電在全鏈條上對環(huán)境造成的影響及資源消耗，進而考慮如何在全生命周期內(nèi)節(jié)約資源和減少環(huán)境污染，以期為我國生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)的發(fā)展提供有效建議。
1研究對象與研究方法
1.1研究對象
基于陜西省富縣某生物質(zhì)發(fā)電廠的運行情況，選取裝機容量為30MW的生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)為評價對象，采用直接燃燒的發(fā)電工藝。年運行時間為7000h、年發(fā)電量約2.10×108kW·h，發(fā)電效率為29.72%[11]。
1.2研究方法
本研究采用生命周期評價方法，其詳細框架如圖1所示。運用此方法量化分析生物質(zhì)從種植、獲取、運輸?shù)桨l(fā)電全過程對環(huán)境造成的影響。
2生命周期評價模型
2.1目標與范圍的定義
2.1.1系統(tǒng)邊界與功能單位
將研究系統(tǒng)邊界定義為硬木種植、收集和預(yù)處理、運輸和發(fā)電過程。在硬木直燃發(fā)電系統(tǒng)邊界中，實線單元過程表示需要收集前臺數(shù)據(jù)的單元過程，稱為前臺單元過程，虛線框表示引用后臺數(shù)據(jù)的單元過程，稱為后臺單元過程，如圖2所示。其中，虛線箭頭連接上游單元過程，點虛線箭頭連接生物質(zhì)發(fā)電的清單數(shù)據(jù)庫，實線箭頭表示生物質(zhì)的流向。功能單位是對產(chǎn)品系統(tǒng)功能的量化描述，主要作用是對產(chǎn)品系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)進行標準化。筆者根據(jù)研究目標選擇系統(tǒng)功能為輸出電力，功能單位設(shè)為輸出104kW·h的電力產(chǎn)品。
2.1.2環(huán)境影響評價方法
根據(jù)環(huán)境影響類型確定的原則，結(jié)合我國農(nóng)林作物直燃發(fā)電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和污染排放特點，重點關(guān)注全球變暖（GWP）、陸地酸化（AP）、光化學(xué)臭氧形成（POFP）、陸地富營養(yǎng)化（TEP）、海洋富營養(yǎng)化（MEP）、化石和可再生資源消耗（FM&RDP）方面的影響。選擇國際參考生命周期數(shù)據(jù)系統(tǒng)（ILCD）Midpoint+方法作為硬木直燃發(fā)電的生命周期評價工具。ILCD由歐盟委員會發(fā)布，其對不同方法的特征化模型進行比較，為不同的影響類型推薦最好的特征化模型[1]。
2.1.3研究假設(shè)
在實際研究過程中，對于未知或非常復(fù)雜的因素，通過必要的假設(shè)來減小結(jié)果的不確定度。提出如下假設(shè)：（1）生物質(zhì)在收集和預(yù)處理時，由于采取的收集和預(yù)處理方式不同，假設(shè)統(tǒng)一采用樹枝粉碎收集車，動力來源主要為電力；（2）忽略各單元過程的原料運輸環(huán)節(jié)；（3）忽略各單元過程的機器設(shè)備生產(chǎn)、廠房建設(shè)、運輸和報廢環(huán)節(jié)；（4）電廠運行階段所消耗的電由本系統(tǒng)自發(fā)電提供，除此之外所耗電均來自燃煤發(fā)電。
2.1.4數(shù)據(jù)來源
本文數(shù)據(jù)來源主要有環(huán)評報告、文獻資料、Eco-invent3.7.1數(shù)據(jù)庫、USLCI數(shù)據(jù)庫4種方式。瑞士的Ecoinvent數(shù)據(jù)庫、美國的USLCI數(shù)據(jù)庫是世界上較為成熟的數(shù)據(jù)庫，包含上百種工業(yè)原料的生態(tài)指標、能源、電力、運輸?shù)葦?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)較為完整、準確。此外，SimaPro9.2.0.2軟件中嵌有ILCD、ReCiPe2016、CML2001、IMPACT2002+等評價方法，環(huán)境影響當量因子齊全。生物質(zhì)發(fā)電過程的前景數(shù)據(jù)來自相關(guān)環(huán)境影響報告書。種植階段、收集和預(yù)處理階段數(shù)據(jù)源于Ecoinvent3.7.1數(shù)據(jù)庫，其中使用的電力采用我國燃煤發(fā)電的相關(guān)數(shù)據(jù)，運輸階段數(shù)據(jù)來源于USLCI數(shù)據(jù)庫。
2.2清單分析
在生物種植階段，采用SimaPro9.2.0.2軟件Ecoinvent3.7.1數(shù)據(jù)庫中硬木的清單數(shù)據(jù)，如表1所示。種植過程、收集和預(yù)處理過程、運輸過程、發(fā)電過程數(shù)據(jù)將在SimaPro9.2.0.2軟件中進行計算。
在生物質(zhì)收集和預(yù)處理階段，主要采用樹枝粉碎收集車進行收集和預(yù)處理，主要動力來源為電力，相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。生物質(zhì)的主要運輸工具為柴油貨車，主要消耗柴油。
本項目周邊50km范圍內(nèi)生物質(zhì)燃料可供應(yīng)量達94.55萬t，而本工程用量僅為17萬t。因此，假設(shè)平均運輸距離為10km，運輸方式為公路運輸，所收集硬木約為18.91萬t，可以滿足需求[14]，相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。
在生物質(zhì)發(fā)電過程中，所用實景數(shù)據(jù)均來自生物質(zhì)發(fā)電廠，背景數(shù)據(jù)來自SimaPro9.2.0.2軟件Ecoinvent3.7.1數(shù)據(jù)庫。表4給出了生物質(zhì)發(fā)電單元過程中需要的所有輸入和輸出數(shù)據(jù)。
2.3影響評價
特征化是指在特定的影響類型中，對每個基本流賦予一個定量特征因子，用于表達該基本流對此環(huán)境影響潛力的貢獻，通過所有基本流與各自特征因子乘積的加和來量化此環(huán)境的影響潛力，計算公式如下：
3結(jié)果與分析
結(jié)合清單數(shù)據(jù)，通過SimaPro9.2.0.2軟件計算得到生物質(zhì)發(fā)電生命周期的環(huán)境影響特征化結(jié)果，如表5所示。特征化結(jié)果表明，種植過程和發(fā)電過程對以上環(huán)境影響貢獻較大。在發(fā)電過程中，GWP的貢獻最大，占比98%；在種植過程，F(xiàn)M&RDP、POFP的貢獻較大，占比分別超過90%、60%。在GWP方面，生物質(zhì)在種植階段具有較強的碳匯能力，使生物質(zhì)發(fā)電在生命周期內(nèi)的溫室氣體排放量僅為259g/（kW·h）。GWP主要來自發(fā)電過程；剩余5種環(huán)境影響類型主要來自種植過程，其次是運輸過程。
此外，針對各個單元過程進行清單物質(zhì)分析，選取影響環(huán)境影響類型最大的2種污染物，結(jié)果如圖3所示。在生命周期各單元過程中氮氧化物、硫氧化物、溫室氣體、氨是影響6種環(huán)境影響類型的主要因素。氮氧化物對各環(huán)境影響類型均有較大的影響，其貢獻大部分超過40%；其次，氨對酸化、陸地富營養(yǎng)化的環(huán)境影響也較大，尤其是在種植過程中，其貢獻度超過30%。收集和預(yù)處理過程產(chǎn)生的污染物主要是由燃煤發(fā)電造成的，運輸過程產(chǎn)生的污染物主要是由柴油燃燒造成的，發(fā)電過程中各類污染物的產(chǎn)生主要是由生物質(zhì)燃料燃燒造成的。
采用低氮、低硫燃料是控制氮氧化物、硫氧化物污染的根本性措施，但天然低氮、低硫燃料有限，合成高效率的脫硝、脫硫催化劑是控制其污染的最有效技術(shù)手段。此外，在經(jīng)濟成本可控、技術(shù)成熟的條件下，在碳排放較高的環(huán)節(jié)采用捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)可緩解燃煤發(fā)電存在的碳排放量較大的問題。
不同發(fā)電方式下各類環(huán)境影響類型的比較如圖4所示。燃煤發(fā)電生產(chǎn)1kW·h對全球變暖（用溫室氣體排放量來表征）、陸地富營養(yǎng)化（用N排放量來表征）、海洋富營養(yǎng)化（用N（海洋）排放量來表征）方面產(chǎn)生的影響最大，溫室氣體排放量、N排放量和N（海洋）排放量分別為1189g/（kW·h）、71.4g/（kW·h）、1.44g/（kW·h），其次對其影響較大的依次是燃油發(fā)電、天然氣發(fā)電。燃油發(fā)電產(chǎn)生1kW·h對酸化（用H+排放量來表征）、光化學(xué)臭氧形成（用NMVOC排放量來表征）方面產(chǎn)生的影響最大，H+排放量、NMVOC排放量分別為10.20g/（kW·h）、4.31g/（kW·h），其次對其影響較大的依次為燃煤發(fā)電、天然氣發(fā)電。在傳統(tǒng)化石能源發(fā)電方面，天然氣發(fā)電產(chǎn)生的環(huán)境影響最小。除化石和可再生資源消耗外，在各類環(huán)境影響類型中，水力發(fā)電產(chǎn)生的環(huán)境影響最小，其次為風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電。在全生命周期內(nèi)溫室氣體排放、海洋富營養(yǎng)化方面，與其他發(fā)電方式相比，硬木直燃發(fā)電產(chǎn)生的環(huán)境影響較大，但遠低于傳統(tǒng)化石能源發(fā)電；在光化學(xué)臭氧形成、酸化、陸地富營養(yǎng)化方面，硬木直燃發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電產(chǎn)生的環(huán)境影響相差不大。光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電與其他發(fā)電方式相比，化石和可再生資源消耗較高，主要原因為電廠建設(shè)過程中消耗的銀元素、硒元素較多，且可再生資源包含了電廠運行過程中利用的風(fēng)能、太陽能。
因此，在生物質(zhì)資源量大、易獲取的情況下，要積極推動生物質(zhì)資源規(guī)模化和高效清潔利用，這是實現(xiàn)我國“雙碳”戰(zhàn)略目標的有效途徑。
對各種環(huán)境影響潛力進行標準化計算，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，GWP的環(huán)境影響潛值最高，在生物質(zhì)發(fā)電生命周期過程中，涉及的6種環(huán)境影響大小依次為：全球變暖、化石和可再生資源消耗、陸地富營養(yǎng)化、光化學(xué)臭氧形成、酸化、海洋富營養(yǎng)化。
根據(jù)ILCD Midpoint+評價方法，利用蒙特卡洛模擬得出評價結(jié)果的不確定度，如圖6所示。在6種環(huán)境影響潛力中，F(xiàn)M&RDP的不確定度最高，為35.35%；GWP的不確定度最低，為2.62%。對于某種環(huán)境影響潛力，硬木發(fā)電過程的貢獻越高，其不確定度越低。這是由于與其他單元過程相比，硬木發(fā)電單元過程清單數(shù)據(jù)的質(zhì)量相對較高。
如果要改善評價結(jié)果的質(zhì)量，可以從以下兩方面入手：（1）改善硬木發(fā)電單元過程上下游的清單數(shù)據(jù)質(zhì)量；（2）使不確定度的權(quán)重變低。
4結(jié)論
（1）總體上，硬木直燃發(fā)電對各個單元過程造成環(huán)境影響的主要污染物有氮氧化物、硫氧化物、溫室氣體和氨。其中，硬木種植和發(fā)電過程對環(huán)境的影響最大。GWP主要來自發(fā)電過程，剩余5種環(huán)境影響類型主要來自種植過程。在硬木種植階段主要是各類肥料及農(nóng)藥對土壤、水體、大氣產(chǎn)生環(huán)境影響。
（2）不同能源發(fā)電下生命周期內(nèi)溫室氣體排放差異顯著。在生物質(zhì)發(fā)電全生命周期過程中，溫室氣體排放量為259g/（kW·h），遠低于傳統(tǒng)化石能源發(fā)電方式，僅為燃煤發(fā)電方式下的1/5。與其他發(fā)電方式相比，在剩余環(huán)境影響類型中，硬木直燃發(fā)電的影響較小，具有較大潛力。
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