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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.中國科學院青島生物能源與過程研究所泛能源大數據與戰略研究中心，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.青島科技大學材料科學與工程學院，山東青島266042）
摘要：基于生命周期評價方法，建立了硬木直燃發電的清單數據，運用ILCD Midpoint+方法針對6種環境影響類型進行評價，并分析了造成各類環境影響的主要污染物，同時，在6種環境影響類型方面對多種發電方式進行了對比。結果表明：硬木直燃發電過程的環境影響主要來源于種植過程和發電過程，其中全球變暖主要來自發電過程，其余5種環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境影響的主要因素；在環境影響方面，與水力、風力、光伏發電方式相比，硬木直燃發電具有一定劣勢，但其產生的環境影響遠低于傳統化石能源發電方式。
目前，我國能源面臨著巨大挑戰，如能源供不應求、能源結構不合理、對外依存度高、環境壓力較大以及難以實現碳減排等[1]。生物質作為可再生能源，不僅具有零碳能源屬性[2]，還可作為負碳能源在應對氣候變化方面發揮積極作用[3]。2020年，我國生物質資源年產量約為34.94億t，雖然當前能源化利用率較低，但在當前形勢下，大力開發生物質能源是全球鼓勵的低碳轉型路徑[4]。
然而，秸稈、林業剩余物等生物質資源在用于發電時產生的環境影響不容忽視。雖然生物質資源中N、S元素含量較低[5]，但在生物質直燃發電過程中，其產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，生物質原料獲取難度較大，在生物質收集、運輸和發電等過程中也會產生較高的碳排放量。因此，評估生物質發電在生命周期中產生的碳排放量以及全面認識生物質發電對環境的影響，對于推動生物質發電行業高質量發展具有重要意義。
生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）是一種用于評估與某一產品或服務相關的環境因素和潛在影響的工具，即對原材料從獲取、生產、使用到廢棄全過程進行評估[7]。生命周期評價強調全面認識物質轉化過程中的環境影響，可以防止環境問題從生命周期的某個階段轉移到另一個階段或污染物從一個介質轉移到另一個介質，有利于通過全過程控制來實現污染預防。近年來，多位學者對生物質發電進行了環境影響研究。馮超等[8]分析了秸稈發電的環境影響。林琳等[9]對玉米秸發電進行了生命周期評價。卜壽珍等[10]對玉米秸發電進行了生命周期評價，研究表明光化學污染對環境的影響最大。以往的研究主要有以下兩方面不足：種植過程數據收集不全面，對生命周期全過程造成環境影響的各類污染物不明確；其評價結果的科學合理性存在局限性。
常見的生物質發電技術有直燃發電、甲醇發電、生物質燃氣發電技術等。目前，我國的生物質發電以直燃發電為主，評估直燃發電技術能夠較好地反映我國生物質發電對環境的影響。筆者利用LCA精確核算硬木直燃發電廠的環境足跡，充分考慮生物質發電在全鏈條上對環境造成的影響及資源消耗，進而考慮如何在全生命周期內節約資源和減少環境污染，以期為我國生物質發電行業的發展提供有效建議。
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發電廠的運行情況，選取裝機容量為30MW的生物質直燃發電系統為評價對象，采用直接燃燒的發電工藝。年運行時間為7000h、年發電量約2.10×108kW·h，發電效率為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從種植、獲取、運輸到發電全過程對環境造成的影響。
2生命周期評價模型
2.1目標與范圍的定義
2.1.1系統邊界與功能單位
將研究系統邊界定義為硬木種植、收集和預處理、運輸和發電過程。在硬木直燃發電系統邊界中，實線單元過程表示需要收集前臺數據的單元過程，稱為前臺單元過程，虛線框表示引用后臺數據的單元過程，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發電的清單數據庫，實線箭頭表示生物質的流向。功能單位是對產品系統功能的量化描述，主要作用是對產品系統的輸入和輸出數據進行標準化。筆者根據研究目標選擇系統功能為輸出電力，功能單位設為輸出104kW·h的電力產品。
2.1.2環境影響評價方法
根據環境影響類型確定的原則，結合我國農林作物直燃發電產業現狀和污染排放特點，重點關注全球變暖（GWP）、陸地酸化（AP）、光化學臭氧形成（POFP）、陸地富營養化（TEP）、海洋富營養化（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據系統（ILCD）Midpoint+方法作為硬木直燃發電的生命周期評價工具。ILCD由歐盟委員會發布，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
在實際研究過程中，對于未知或非常復雜的因素，通過必要的假設來減小結果的不確定度。提出如下假設：（1）生物質在收集和預處理時，由于采取的收集和預處理方式不同，假設統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節；（3）忽略各單元過程的機器設備生產、廠房建設、運輸和報廢環節；（4）電廠運行階段所消耗的電由本系統自發電提供，除此之外所耗電均來自燃煤發電。
2.1.4數據來源
本文數據來源主要有環評報告、文獻資料、Eco-invent3.7.1數據庫、USLCI數據庫4種方式。瑞士的Ecoinvent數據庫、美國的USLCI數據庫是世界上較為成熟的數據庫，包含上百種工業原料的生態指標、能源、電力、運輸等數據，數據較為完整、準確。此外，SimaPro9.2.0.2軟件中嵌有ILCD、ReCiPe2016、CML2001、IMPACT2002+等評價方法，環境影響當量因子齊全。生物質發電過程的前景數據來自相關環境影響報告書。種植階段、收集和預處理階段數據源于Ecoinvent3.7.1數據庫，其中使用的電力采用我國燃煤發電的相關數據，運輸階段數據來源于USLCI數據庫。
2.2清單分析
在生物種植階段，采用SimaPro9.2.0.2軟件Ecoinvent3.7.1數據庫中硬木的清單數據，如表1所示。種植過程、收集和預處理過程、運輸過程、發電過程數據將在SimaPro9.2.0.2軟件中進行計算。
在生物質收集和預處理階段，主要采用樹枝粉碎收集車進行收集和預處理，主要動力來源為電力，相關數據如表2所示。生物質的主要運輸工具為柴油貨車，主要消耗柴油。
本項目周邊50km范圍內生物質燃料可供應量達94.55萬t，而本工程用量僅為17萬t。因此，假設平均運輸距離為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]，相關數據如表3所示。
在生物質發電過程中，所用實景數據均來自生物質發電廠，背景數據來自SimaPro9.2.0.2軟件Ecoinvent3.7.1數據庫。表4給出了生物質發電單元過程中需要的所有輸入和輸出數據。
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境的影響潛力，計算公式如下：
3結果與分析
結合清單數據，通過SimaPro9.2.0.2軟件計算得到生物質發電生命周期的環境影響特征化結果，如表5所示。特征化結果表明，種植過程和發電過程對以上環境影響貢獻較大。在發電過程中，GWP的貢獻最大，占比98%；在種植過程，FM&RDP、POFP的貢獻較大，占比分別超過90%、60%。在GWP方面，生物質在種植階段具有較強的碳匯能力，使生物質發電在生命周期內的溫室氣體排放量僅為259g/（kW·h）。GWP主要來自發電過程；剩余5種環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分析，選取影響環境影響類型最大的2種污染物，結果如圖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種環境影響類型的主要因素。氮氧化物對各環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、陸地富營養化的環境影響也較大，尤其是在種植過程中，其貢獻度超過30%。收集和預處理過程產生的污染物主要是由燃煤發電造成的，運輸過程產生的污染物主要是由柴油燃燒造成的，發電過程中各類污染物的產生主要是由生物質燃料燃燒造成的。
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手段。此外，在經濟成本可控、技術成熟的條件下，在碳排放較高的環節采用捕集、利用與封存（CCUS）技術可緩解燃煤發電存在的碳排放量較大的問題。
不同發電方式下各類環境影響類型的比較如圖4所示。燃煤發電生產1kW·h對全球變暖（用溫室氣體排放量來表征）、陸地富營養化（用N排放量來表征）、海洋富營養化（用N（海洋）排放量來表征）方面產生的影響最大，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電、天然氣發電。燃油發電產生1kW·h對酸化（用H+排放量來表征）、光化學臭氧形成（用NMVOC排放量來表征）方面產生的影響最大，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電、天然氣發電。在傳統化石能源發電方面，天然氣發電產生的環境影響最小。除化石和可再生資源消耗外，在各類環境影響類型中，水力發電產生的環境影響最小，其次為風力發電、光伏發電。在全生命周期內溫室氣體排放、海洋富營養化方面，與其他發電方式相比，硬木直燃發電產生的環境影響較大，但遠低于傳統化石能源發電；在光化學臭氧形成、酸化、陸地富營養化方面，硬木直燃發電與風力發電、光伏發電產生的環境影響相差不大。光伏發電、風力發電與其他發電方式相比，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能、太陽能。
因此，在生物質資源量大、易獲取的情況下，要積極推動生物質資源規模化和高效清潔利用，這是實現我國“雙碳”戰略目標的有效途徑。
對各種環境影響潛力進行標準化計算，結果如圖5所示。由圖5可知，GWP的環境影響潛值最高，在生物質發電生命周期過程中，涉及的6種環境影響大小依次為：全球變暖、化石和可再生資源消耗、陸地富營養化、光化學臭氧形成、酸化、海洋富營養化。
根據ILCD Midpoint+評價方法，利用蒙特卡洛模擬得出評價結果的不確定度，如圖6所示。在6種環境影響潛力中，FM&RDP的不確定度最高，為35.35%；GWP的不確定度最低，為2.62%。對于某種環境影響潛力，硬木發電過程的貢獻越高，其不確定度越低。這是由于與其他單元過程相比，硬木發電單元過程清單數據的質量相對較高。
如果要改善評價結果的質量，可以從以下兩方面入手：（1）改善硬木發電單元過程上下游的清單數據質量；（2）使不確定度的權重變低。
4結論
（1）總體上，硬木直燃發電對各個單元過程造成環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，硬木種植和發電過程對環境的影響最大。GWP主要來自發電過程，剩余5種環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藥對土壤、水體、大氣產生環境影響。
（2）不同能源發電下生命周期內溫室氣體排放差異顯著。在生物質發電全生命周期過程中，溫室氣體排放量為259g/（kW·h），遠低于傳統化石能源發電方式，僅為燃煤發電方式下的1/5。與其他發電方式相比，在剩余環境影響類型中，硬木直燃發電的影響較小，具有較大潛力。
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