硬木类生物质直燃发电厂环境足迹研究

朱广岩^{1，2，3，4}，田亚峻^1，2，3，李俊杰^1，2，3，谢克昌^1，2，3

（1.中国科学院青岛生物能源与过程研究所泛能源大数据与战略研究中心，山东青岛266101；2.山东能源研究院，山东青岛266101；3.青岛新能源山东省实验室，山东青岛266101；4.青岛科技大学材料科学与工程学院，山东青岛266042）

　　摘要：基于生命周期评价方法，建立了硬木直燃发电的清单数据，运用ILCD Midpoint+方法针对6种环境影响类型进行评价，并分析了造成各类环境影响的主要污染物，同时，在6种环境影响类型方面对多种发电方式进行了对比。结果表明：硬木直燃发电过程的环境影响主要来源于种植过程和发电过程，其中全球变暖主要来自发电过程，其余5种环境影响类型主要来自种植过程；氮氧化物、硫氧化物、氨、温室气体是造成各单元过程环境影响的主要因素；在环境影响方面，与水力、风力、光伏发电方式相比，硬木直燃发电具有一定劣势，但其产生的环境影响远低于传统化石能源发电方式。

　　目前，我国能源面临着巨大挑战，如能源供不应求、能源结构不合理、对外依存度高、环境压力较大以及难以实现碳减排等[1]。生物质作为可再生能源，不仅具有零碳能源属性[2]，还可作为负碳能源在应对气候变化方面发挥积极作用[3]。2020年，我国生物质资源年产量约为34.94亿t，虽然当前能源化利用率较低，但在当前形势下，大力开发生物质能源是全球鼓励的低碳转型路径[4]。

　　然而，秸秆、林业剩余物等生物质资源在用于发电时产生的环境影响不容忽视。虽然生物质资源中N、S元素含量较低[5]，但在生物质直燃发电过程中，其产生的各类污染物会严重危害身体健康，加剧雾霾天气[6]。此外，生物质原料获取难度较大，在生物质收集、运输和发电等过程中也会产生较高的碳排放量。因此，评估生物质发电在生命周期中产生的碳排放量以及全面认识生物质发电对环境的影响，对于推动生物质发电行业高质量发展具有重要意义。

　　生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）是一种用于评估与某一产品或服务相关的环境因素和潜在影响的工具，即对原材料从获取、生产、使用到废弃全过程进行评估[7]。生命周期评价强调全面认识物质转化过程中的环境影响，可以防止环境问题从生命周期的某个阶段转移到另一个阶段或污染物从一个介质转移到另一个介质，有利于通过全过程控制来实现污染预防。近年来，多位学者对生物质发电进行了环境影响研究。冯超等[8]分析了秸秆发电的环境影响。林琳等[9]对玉米秸发电进行了生命周期评价。卜寿珍等[10]对玉米秸发电进行了生命周期评价，研究表明光化学污染对环境的影响最大。以往的研究主要有以下两方面不足：种植过程数据收集不全面，对生命周期全过程造成环境影响的各类污染物不明确；其评价结果的科学合理性存在局限性。

　　常见的生物质发电技术有直燃发电、甲醇发电、生物质燃气发电技术等。目前，我国的生物质发电以直燃发电为主，评估直燃发电技术能够较好地反映我国生物质发电对环境的影响。笔者利用LCA精确核算硬木直燃发电厂的环境足迹，充分考虑生物质发电在全链条上对环境造成的影响及资源消耗，进而考虑如何在全生命周期内节约资源和减少环境污染，以期为我国生物质发电行业的发展提供有效建议。

　　1研究对象与研究方法

　　1.1研究对象

　　基于陕西省富县某生物质发电厂的运行情况，选取装机容量为30MW的生物质直燃发电系统为评价对象，采用直接燃烧的发电工艺。年运行时间为7000h、年发电量约2.10×108kW·h，发电效率为29.72%[11]。

　　1.2研究方法

　　本研究采用生命周期评价方法，其详细框架如图1所示。运用此方法量化分析生物质从种植、获取、运输到发电全过程对环境造成的影响。

　　2生命周期评价模型

　　2.1目标与范围的定义

　　2.1.1系统边界与功能单位

　　将研究系统边界定义为硬木种植、收集和预处理、运输和发电过程。在硬木直燃发电系统边界中，实线单元过程表示需要收集前台数据的单元过程，称为前台单元过程，虚线框表示引用后台数据的单元过程，称为后台单元过程，如图2所示。其中，虚线箭头连接上游单元过程，点虚线箭头连接生物质发电的清单数据库，实线箭头表示生物质的流向。功能单位是对产品系统功能的量化描述，主要作用是对产品系统的输入和输出数据进行标准化。笔者根据研究目标选择系统功能为输出电力，功能单位设为输出104kW·h的电力产品。

　　2.1.2环境影响评价方法

　　根据环境影响类型确定的原则，结合我国农林作物直燃发电产业现状和污染排放特点，重点关注全球变暖（GWP）、陆地酸化（AP）、光化学臭氧形成（POFP）、陆地富营养化（TEP）、海洋富营养化（MEP）、化石和可再生资源消耗（FM&RDP）方面的影响。选择国际参考生命周期数据系统（ILCD）Midpoint+方法作为硬木直燃发电的生命周期评价工具。ILCD由欧盟委员会发布，其对不同方法的特征化模型进行比较，为不同的影响类型推荐最好的特征化模型[1]。

　　2.1.3研究假设

　　在实际研究过程中，对于未知或非常复杂的因素，通过必要的假设来减小结果的不确定度。提出如下假设：（1）生物质在收集和预处理时，由于采取的收集和预处理方式不同，假设统一采用树枝粉碎收集车，动力来源主要为电力；（2）忽略各单元过程的原料运输环节；（3）忽略各单元过程的机器设备生产、厂房建设、运输和报废环节；（4）电厂运行阶段所消耗的电由本系统自发电提供，除此之外所耗电均来自燃煤发电。

　　2.1.4数据来源

　　本文数据来源主要有环评报告、文献资料、Eco-invent3.7.1数据库、USLCI数据库4种方式。瑞士的Ecoinvent数据库、美国的USLCI数据库是世界上较为成熟的数据库，包含上百种工业原料的生态指标、能源、电力、运输等数据，数据较为完整、准确。此外，SimaPro9.2.0.2软件中嵌有ILCD、ReCiPe2016、CML2001、IMPACT2002+等评价方法，环境影响当量因子齐全。生物质发电过程的前景数据来自相关环境影响报告书。种植阶段、收集和预处理阶段数据源于Ecoinvent3.7.1数据库，其中使用的电力采用我国燃煤发电的相关数据，运输阶段数据来源于USLCI数据库。

　　2.2清单分析

　　在生物种植阶段，采用SimaPro9.2.0.2软件Ecoinvent3.7.1数据库中硬木的清单数据，如表1所示。种植过程、收集和预处理过程、运输过程、发电过程数据将在SimaPro9.2.0.2软件中进行计算。

　　在生物质收集和预处理阶段，主要采用树枝粉碎收集车进行收集和预处理，主要动力来源为电力，相关数据如表2所示。生物质的主要运输工具为柴油货车，主要消耗柴油。

　　本项目周边50km范围内生物质燃料可供应量达94.55万t，而本工程用量仅为17万t。因此，假设平均运输距离为10km，运输方式为公路运输，所收集硬木约为18.91万t，可以满足需求[14]，相关数据如表3所示。

　　在生物质发电过程中，所用实景数据均来自生物质发电厂，背景数据来自SimaPro9.2.0.2软件Ecoinvent3.7.1数据库。表4给出了生物质发电单元过程中需要的所有输入和输出数据。

　　2.3影响评价

　　特征化是指在特定的影响类型中，对每个基本流赋予一个定量特征因子，用于表达该基本流对此环境影响潜力的贡献，通过所有基本流与各自特征因子乘积的加和来量化此环境的影响潜力，计算公式如下：

　　3结果与分析

　　结合清单数据，通过SimaPro9.2.0.2软件计算得到生物质发电生命周期的环境影响特征化结果，如表5所示。特征化结果表明，种植过程和发电过程对以上环境影响贡献较大。在发电过程中，GWP的贡献最大，占比98%；在种植过程，FM&RDP、POFP的贡献较大，占比分别超过90%、60%。在GWP方面，生物质在种植阶段具有较强的碳汇能力，使生物质发电在生命周期内的温室气体排放量仅为259g/（kW·h）。GWP主要来自发电过程；剩余5种环境影响类型主要来自种植过程，其次是运输过程。

　　此外，针对各个单元过程进行清单物质分析，选取影响环境影响类型最大的2种污染物，结果如图3所示。在生命周期各单元过程中氮氧化物、硫氧化物、温室气体、氨是影响6种环境影响类型的主要因素。氮氧化物对各环境影响类型均有较大的影响，其贡献大部分超过40%；其次，氨对酸化、陆地富营养化的环境影响也较大，尤其是在种植过程中，其贡献度超过30%。收集和预处理过程产生的污染物主要是由燃煤发电造成的，运输过程产生的污染物主要是由柴油燃烧造成的，发电过程中各类污染物的产生主要是由生物质燃料燃烧造成的。

　　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，合成高效率的脱硝、脱硫催化剂是控制其污染的最有效技术手段。此外，在经济成本可控、技术成熟的条件下，在碳排放较高的环节采用捕集、利用与封存（CCUS）技术可缓解燃煤发电存在的碳排放量较大的问题。

　　不同发电方式下各类环境影响类型的比较如图4所示。燃煤发电生产1kW·h对全球变暖（用温室气体排放量来表征）、陆地富营养化（用N排放量来表征）、海洋富营养化（用N（海洋）排放量来表征）方面产生的影响最大，温室气体排放量、N排放量和N（海洋）排放量分别为1189g/（kW·h）、71.4g/（kW·h）、1.44g/（kW·h），其次对其影响较大的依次是燃油发电、天然气发电。燃油发电产生1kW·h对酸化（用H+排放量来表征）、光化学臭氧形成（用NMVOC排放量来表征）方面产生的影响最大，H+排放量、NMVOC排放量分别为10.20g/（kW·h）、4.31g/（kW·h），其次对其影响较大的依次为燃煤发电、天然气发电。在传统化石能源发电方面，天然气发电产生的环境影响最小。除化石和可再生资源消耗外，在各类环境影响类型中，水力发电产生的环境影响最小，其次为风力发电、光伏发电。在全生命周期内温室气体排放、海洋富营养化方面，与其他发电方式相比，硬木直燃发电产生的环境影响较大，但远低于传统化石能源发电；在光化学臭氧形成、酸化、陆地富营养化方面，硬木直燃发电与风力发电、光伏发电产生的环境影响相差不大。光伏发电、风力发电与其他发电方式相比，化石和可再生资源消耗较高，主要原因为电厂建设过程中消耗的银元素、硒元素较多，且可再生资源包含了电厂运行过程中利用的风能、太阳能。

　　因此，在生物质资源量大、易获取的情况下，要积极推动生物质资源规模化和高效清洁利用，这是实现我国“双碳”战略目标的有效途径。

　　对各种环境影响潜力进行标准化计算，结果如图5所示。由图5可知，GWP的环境影响潜值最高，在生物质发电生命周期过程中，涉及的6种环境影响大小依次为：全球变暖、化石和可再生资源消耗、陆地富营养化、光化学臭氧形成、酸化、海洋富营养化。

　　根据ILCD Midpoint+评价方法，利用蒙特卡洛模拟得出评价结果的不确定度，如图6所示。在6种环境影响潜力中，FM&RDP的不确定度最高，为35.35%；GWP的不确定度最低，为2.62%。对于某种环境影响潜力，硬木发电过程的贡献越高，其不确定度越低。这是由于与其他单元过程相比，硬木发电单元过程清单数据的质量相对较高。

　　如果要改善评价结果的质量，可以从以下两方面入手：（1）改善硬木发电单元过程上下游的清单数据质量；（2）使不确定度的权重变低。

　　4结论

　　（1）总体上，硬木直燃发电对各个单元过程造成环境影响的主要污染物有氮氧化物、硫氧化物、温室气体和氨。其中，硬木种植和发电过程对环境的影响最大。GWP主要来自发电过程，剩余5种环境影响类型主要来自种植过程。在硬木种植阶段主要是各类肥料及农药对土壤、水体、大气产生环境影响。

　　（2）不同能源发电下生命周期内温室气体排放差异显著。在生物质发电全生命周期过程中，温室气体排放量为259g/（kW·h），远低于传统化石能源发电方式，仅为燃煤发电方式下的1/5。与其他发电方式相比，在剩余环境影响类型中，硬木直燃发电的影响较小，具有较大潜力。