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(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)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(shí)驗(yàn)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(píng)價(jià)方法，建立了硬木直燃發(fā)電的清單數(shù)據(jù)，運(yùn)用ILCD Midpoint+方法針對(duì)6種環(huán)境影響類(lèi)型進(jìn)行評(píng)價(jià)，并分析了造成各類(lèi)環(huán)境影響的主要污染物，同時(shí)，在6種環(huán)境影響類(lèi)型方面對(duì)多種發(fā)電方式進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：硬木直燃發(fā)電過(guò)程的環(huán)境影響主要來(lái)源于種植過(guò)程和發(fā)電過(guò)程，其中全球變暖主要來(lái)自發(fā)電過(guò)程，其余5種環(huán)境影響類(lèi)型主要來(lái)自種植過(guò)程；氮氧化物、硫氧化物、氨、溫室氣體是造成各單元過(guò)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(shì)，但其產(chǎn)生的環(huán)境影響遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)化石能源發(fā)電方式。

　　目前，我國(guó)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(duì)外依存度高、環(huán)境壓力較大以及難以實(shí)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(fù)碳能源在應(yīng)對(duì)氣候變化方面發(fā)揮積極作用[3]。2020年，我國(guó)生物質(zhì)資源年產(chǎn)量約為34.94億t，雖然當(dāng)前能源化利用率較低，但在當(dāng)前形勢(shì)下，大力開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能源是全球鼓勵(lì)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(shí)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(guò)程中，其產(chǎn)生的各類(lèi)污染物會(huì)嚴(yán)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(yùn)輸和發(fā)電等過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生較高的碳排放量。因此，評(píng)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(rèn)識(shí)生物質(zhì)發(fā)電對(duì)環(huán)境的影響，對(duì)于推動(dòng)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(píng)價(jià)（Life Cycle Assessment，LCA）是一種用于評(píng)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(duì)原材料從獲取、生產(chǎn)、使用到廢棄全過(guò)程進(jìn)行評(píng)估[7]。生命周期評(píng)價(jià)強(qiáng)調(diào)全面認(rèn)識(shí)物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程中的環(huán)境影響，可以防止環(huán)境問(wèn)題從生命周期的某個(gè)階段轉(zhuǎn)移到另一個(gè)階段或污染物從一個(gè)介質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)介質(zhì)，有利于通過(guò)全過(guò)程控制來(lái)實(shí)現(xiàn)污染預(yù)防。近年來(lái)，多位學(xué)者對(duì)生物質(zhì)發(fā)電進(jìn)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(duì)玉米秸發(fā)電進(jìn)行了生命周期評(píng)價(jià)。卜壽珍等[10]對(duì)玉米秸發(fā)電進(jìn)行了生命周期評(píng)價(jià)，研究表明光化學(xué)污染對(duì)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(guò)程數(shù)據(jù)收集不全面，對(duì)生命周期全過(guò)程造成環(huán)境影響的各類(lèi)污染物不明確；其評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)合理性存在局限性。

　　常見(jiàn)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?xì)獍l(fā)電技術(shù)等。目前，我國(guó)的生物質(zhì)發(fā)電以直燃發(fā)電為主，評(píng)估直燃發(fā)電技術(shù)能夠較好地反映我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電對(duì)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(duì)環(huán)境造成的影響及資源消耗，進(jìn)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(guó)生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)的發(fā)展提供有效建議。

　　1研究對(duì)象與研究方法

　　1.1研究對(duì)象

　　基于陜西省富縣某生物質(zhì)發(fā)電廠的運(yùn)行情況，選取裝機(jī)容量為30MW的生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)為評(píng)價(jià)對(duì)象，采用直接燃燒的發(fā)電工藝。年運(yùn)行時(shí)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(píng)價(jià)方法，其詳細(xì)框架如圖1所示。運(yùn)用此方法量化分析生物質(zhì)從種植、獲取、運(yùn)輸?shù)桨l(fā)電全過(guò)程對(duì)環(huán)境造成的影響。

　　2生命周期評(píng)價(jià)模型

　　2.1目標(biāo)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(yùn)輸和發(fā)電過(guò)程。在硬木直燃發(fā)電系統(tǒng)邊界中，實(shí)線單元過(guò)程表示需要收集前臺(tái)數(shù)據(jù)的單元過(guò)程，稱為前臺(tái)單元過(guò)程，虛線框表示引用后臺(tái)數(shù)據(jù)的單元過(guò)程，稱為后臺(tái)單元過(guò)程，如圖2所示。其中，虛線箭頭連接上游單元過(guò)程，點(diǎn)虛線箭頭連接生物質(zhì)發(fā)電的清單數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)線箭頭表示生物質(zhì)的流向。功能單位是對(duì)產(chǎn)品系統(tǒng)功能的量化描述，主要作用是對(duì)產(chǎn)品系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。筆者根據(jù)研究目標(biāo)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(píng)價(jià)方法

　　根據(jù)環(huán)境影響類(lèi)型確定的原則，結(jié)合我國(guó)農(nóng)林作物直燃發(fā)電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和污染排放特點(diǎn)，重點(diǎn)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(yíng)養(yǎng)化（TEP）、海洋富營(yíng)養(yǎng)化（MEP）、化石和可再生資源消耗（FM&RDP）方面的影響。選擇國(guó)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(píng)價(jià)工具。ILCD由歐盟委員會(huì)發(fā)布，其對(duì)不同方法的特征化模型進(jìn)行比較，為不同的影響類(lèi)型推薦最好的特征化模型[1]。

　　2.1.3研究假設(shè)

　　在實(shí)際研究過(guò)程中，對(duì)于未知或非常復(fù)雜的因素，通過(guò)必要的假設(shè)來(lái)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(shí)，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(shù)枝粉碎收集車(chē)，動(dòng)力來(lái)源主要為電力；（2）忽略各單元過(guò)程的原料運(yùn)輸環(huán)節(jié)；（3）忽略各單元過(guò)程的機(jī)器設(shè)備生產(chǎn)、廠房建設(shè)、運(yùn)輸和報(bào)廢環(huán)節(jié)；（4）電廠運(yùn)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(lái)自燃煤發(fā)電。

　　2.1.4數(shù)據(jù)來(lái)源

　　本文數(shù)據(jù)來(lái)源主要有環(huán)評(píng)報(bào)告、文獻(xiàn)資料、Eco-invent3.7.1數(shù)據(jù)庫(kù)、USLCI數(shù)據(jù)庫(kù)4種方式。瑞士的Ecoinvent數(shù)據(jù)庫(kù)、美國(guó)的USLCI數(shù)據(jù)庫(kù)是世界上較為成熟的數(shù)據(jù)庫(kù)，包含上百種工業(yè)原料的生態(tài)指標(biāo)、能源、電力、運(yùn)輸?shù)葦?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)較為完整、準(zhǔn)確。此外，SimaPro9.2.0.2軟件中嵌有ILCD、ReCiPe2016、CML2001、IMPACT2002+等評(píng)價(jià)方法，環(huán)境影響當(dāng)量因子齊全。生物質(zhì)發(fā)電過(guò)程的前景數(shù)據(jù)來(lái)自相關(guān)環(huán)境影響報(bào)告書(shū)。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(kù)，其中使用的電力采用我國(guó)燃煤發(fā)電的相關(guān)數(shù)據(jù)，運(yùn)輸階段數(shù)據(jù)來(lái)源于USLCI數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　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(kù)中硬木的清單數(shù)據(jù)，如表1所示。種植過(guò)程、收集和預(yù)處理過(guò)程、運(yùn)輸過(guò)程、發(fā)電過(guò)程數(shù)據(jù)將在SimaPro9.2.0.2軟件中進(jìn)行計(jì)算。

　　在生物質(zhì)收集和預(yù)處理階段，主要采用樹(shù)枝粉碎收集車(chē)進(jìn)行收集和預(yù)處理，主要?jiǎng)恿?lái)源為電力，相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。生物質(zhì)的主要運(yùn)輸工具為柴油貨車(chē)，主要消耗柴油。

　　本項(xiàng)目周邊50km范圍內(nèi)生物質(zhì)燃料可供應(yīng)量達(dá)94.55萬(wàn)t，而本工程用量?jī)H為17萬(wàn)t。因此，假設(shè)平均運(yùn)輸距離為10km，運(yùn)輸方式為公路運(yùn)輸，所收集硬木約為18.91萬(wàn)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(guò)程中，所用實(shí)景數(shù)據(jù)均來(lái)自生物質(zhì)發(fā)電廠，背景數(shù)據(jù)來(lái)自SimaPro9.2.0.2軟件Ecoinvent3.7.1數(shù)據(jù)庫(kù)。表4給出了生物質(zhì)發(fā)電單元過(guò)程中需要的所有輸入和輸出數(shù)據(jù)。

　　2.3影響評(píng)價(jià)

　　特征化是指在特定的影響類(lèi)型中，對(duì)每個(gè)基本流賦予一個(gè)定量特征因子，用于表達(dá)該基本流對(duì)此環(huán)境影響潛力的貢獻(xiàn)，通過(guò)所有基本流與各自特征因子乘積的加和來(lái)量化此環(huán)境的影響潛力，計(jì)算公式如下：

　　3結(jié)果與分析

　　結(jié)合清單數(shù)據(jù)，通過(guò)SimaPro9.2.0.2軟件計(jì)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(guò)程和發(fā)電過(guò)程對(duì)以上環(huán)境影響貢獻(xiàn)較大。在發(fā)電過(guò)程中，GWP的貢獻(xiàn)最大，占比98%；在種植過(guò)程，F(xiàn)M&RDP、POFP的貢獻(xiàn)較大，占比分別超過(guò)90%、60%。在GWP方面，生物質(zhì)在種植階段具有較強(qiáng)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?jī)H為259g/（kW·h）。GWP主要來(lái)自發(fā)電過(guò)程；剩余5種環(huán)境影響類(lèi)型主要來(lái)自種植過(guò)程，其次是運(yùn)輸過(guò)程。

　　此外，針對(duì)各個(gè)單元過(guò)程進(jìn)行清單物質(zhì)分析，選取影響環(huán)境影響類(lèi)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(guò)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(lèi)型的主要因素。氮氧化物對(duì)各環(huán)境影響類(lèi)型均有較大的影響，其貢獻(xiàn)大部分超過(guò)40%；其次，氨對(duì)酸化、陸地富營(yíng)養(yǎng)化的環(huán)境影響也較大，尤其是在種植過(guò)程中，其貢獻(xiàn)度超過(guò)30%。收集和預(yù)處理過(guò)程產(chǎn)生的污染物主要是由燃煤發(fā)電造成的，運(yùn)輸過(guò)程產(chǎn)生的污染物主要是由柴油燃燒造成的，發(fā)電過(guò)程中各類(lèi)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(jì)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(wèn)題。

　　不同發(fā)電方式下各類(lèi)環(huán)境影響類(lèi)型的比較如圖4所示。燃煤發(fā)電生產(chǎn)1kW·h對(duì)全球變暖（用溫室氣體排放量來(lái)表征）、陸地富營(yíng)養(yǎng)化（用N排放量來(lái)表征）、海洋富營(yíng)養(yǎng)化（用N（海洋）排放量來(lái)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(duì)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(duì)酸化（用H+排放量來(lái)表征）、光化學(xué)臭氧形成（用NMVOC排放量來(lái)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(duì)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(lèi)環(huán)境影響類(lèi)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(yíng)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(yuǎn)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(yíng)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?yàn)殡姀S建設(shè)過(guò)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(yùn)行過(guò)程中利用的風(fēng)能、太陽(yáng)能。

　　因此，在生物質(zhì)資源量大、易獲取的情況下，要積極推動(dòng)生物質(zhì)資源規(guī)模化和高效清潔利用，這是實(shí)現(xiàn)我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的有效途徑。

　　對(duì)各種環(huán)境影響潛力進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)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(guò)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(yíng)養(yǎng)化、光化學(xué)臭氧形成、酸化、海洋富營(yíng)養(yǎng)化。

　　根據(jù)ILCD Midpoint+評(píng)價(jià)方法，利用蒙特卡洛模擬得出評(píng)價(jià)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(duì)于某種環(huán)境影響潛力，硬木發(fā)電過(guò)程的貢獻(xiàn)越高，其不確定度越低。這是由于與其他單元過(guò)程相比，硬木發(fā)電單元過(guò)程清單數(shù)據(jù)的質(zhì)量相對(duì)較高。

　　如果要改善評(píng)價(jià)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(guò)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(duì)各個(gè)單元過(guò)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(guò)程對(duì)環(huán)境的影響最大。GWP主要來(lái)自發(fā)電過(guò)程，剩余5種環(huán)境影響類(lèi)型主要來(lái)自種植過(guò)程。在硬木種植階段主要是各類(lèi)肥料及農(nóng)藥對(duì)土壤、水體、大氣產(chǎn)生環(huán)境影響。

　?。?）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(guò)程中，溫室氣體排放量為259g/（kW·h），遠(yuǎn)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(lèi)型中，硬木直燃發(fā)電的影響較小，具有較大潛力。