風能電轉氣全生命周期對環境的影響分析

薛 崟， 段鈺鋒

(東南大學 能源與環境學院， 南京 210096)

中國是資源消耗大國，傳統化石能源在能源結構中占據相當大的比例[1]，其使用造成了嚴重的環境污染，其中溫室效應的影響最為突出。大力開發可再生能源是緩解環境污染問題的良策。中國可再生能源的儲備量十分豐富，其中風能因具有儲量豐富、轉化效率高的優點得到了廣泛的開發和利用。風能的主要利用形式為風能發電，而風能的波動性、季節性[2]等特征造成了風電的不穩定性。為維護電力系統持續穩定地運行，風能棄能率一直居高不下，造成風能資源的嚴重浪費。

電轉氣技術是一種以電解水的方式生成可燃氣體的化學儲能技術。將電轉氣技術與風能協同利用，構成綜合能源系統，不僅可以降低電轉氣技術的購電成本，而且能夠有效緩解棄風現象，提高能源利用率。

目前，電轉氣技術已經引起國內外的廣泛關注。沈海平等[3]通過研究組合線性模型下電轉氣技術對系統運行的影響，指出電轉氣技術可加強綜合能源系統的耦合程度并有效提升系統經濟性。劉繼春等[4]提出了電轉氣技術在運行過程中環境成本和能量損失的經濟優化模型，分析了氫氣-天然氣混合儲能系統的運行特性，指出綜合能源系統具備經濟環保的優點。BLANCO H等[5]指出在可再生能源并網的情況下，電轉氣技術能提高系統運行效率和儲能性能。陳沼宇等[6]在微網型能源集線器模型的基礎上，發現了電轉氣技術可明顯改善棄風現象。GUANDALINI G等[7]提出通過電轉氣技術與燃氣輪機相結合的方式能減少棄風量。WULF C等[8]闡述了采用多種可再生能源協同發電的方式為電轉氣技術提供電能，并論述了電轉氣產物的多種利用方式。杜琳等[9]分析了電轉氣技術對改善風能過剩率的影響，驗證了電轉氣技術能夠有效減少棄風量。黃國日等[10]運用能源集線器模型，系統分析了電轉氣技術對消納過剩風能的作用。

上述研究成果為深入探索風能電轉氣技術各方面性能奠定了堅實的理論基礎。然而，上述研究大多考慮綜合能源系統的經濟效益，卻沒有深入研究風能電轉氣系統運行對環境的影響，無法直觀地展現該技術各階段對環境的影響程度。因此，有必要對風能電轉氣技術進行生命周期評價，以判斷該技術的投資價值及其帶來的環境影響。

筆者基于現有研究成果，對風能電轉氣技術的工藝流程進行描述，通過分析工藝流程各階段的資源輸入與輸出情況，獲得各階段污染物排放清單，在此基礎上對風能電轉氣技術進行生命周期評價；同時，基于環境影響評價得出的結果，對比分析風能電轉氣技術和普通電轉氣技術對環境的影響，說明風能電轉氣技術的優勢。

1 風能電轉氣技術

電轉氣分為電轉氫氣(水電解過程)和電轉甲烷(甲烷化過程)[11]。電轉氫氣分為堿性電解(AWE)、質子交換膜電解(PEME)與固體氧化物電解(SOEC)等電解方式；電轉甲烷主要有化學甲烷化(CM)和生物甲烷化(BM)2種轉化方式。電轉氣技術的主要類型及其特性見表1[12]。

表1 電轉氣技術的主要類型及其特性

雖然電轉氣技術總體轉化效率較高，但是高昂的投入成本是電轉氣快速發展的障礙，其投入成本主要由購電成本與碳捕集成本構成。因此，利用可再生能源發電與加快碳捕集系統的技術革新，是降低電轉氣技術投入成本、實現電轉氣技術商業化應用的重要舉措。

水電解生成氧氣和氫氣是電轉氣的基本途徑。在此基礎上，通過薩巴蒂埃反應[13]將生成的氫氣(H2)與二氧化碳(CO2)在金屬催化劑的作用下進一步反應生成甲烷(CH4)和水(H2O)，其原理見圖1。

圖1 風能電轉氣技術的原理

電轉氣系統包含的設備有水電解裝置、甲烷化裝置及加壓裝置。水電解產生的氫氣可以先儲藏在儲氫罐中，當風電較為富余，甲烷化反應器無法及時消納氫氣時，可將儲氫罐中的氫氣作為燃氣輪機的燃料，系統運行產生的電能作為水電解的能量供應端，實現能源的回收利用，或將氫氣用作燃料電池、氫燃料電池車的燃料，實現氫能的多向利用和靈活配給。系統在進行甲烷化反應時需要將通過碳捕集系統收集到的CO2輸送到反應裝置中。系統生成的合成甲烷經加壓裝置壓縮后可存儲于儲氣罐中，運輸到用戶端。該技術以較低成本實現甲烷的大量儲存，彌補了電能無法經濟存儲的弊端。采用電轉氣這一儲能技術來消納過剩的風電，不僅實現了風能的高效利用，而且顯著減少了電轉氣技術的購電成本。

電轉氫氣與電轉甲烷的比較見表2[4,14]，氫氣與甲烷特性的比較見表3[15-18]。

表2 電轉氫氣與電轉甲烷的比較

表3 氫氣與甲烷特性的對比

由于氫氣的安全隱患較大且不易存儲，而甲烷存儲方便且運輸成本較低，相比而言，電轉甲烷在經濟性、安全性和實用性等方面具備綜合優勢，更適合大規模推廣使用。因此，主要研究風能電轉甲烷的過程，利用生命周期評價對其進行環境影響評價，在了解環境效益的基礎上確定其可行性。

2 生命周期評價

生命周期評價是指對產品系統從原材料的采集、加工、包裝、運輸、使用及最終處理等生命周期有關過程，進行資源和環境影響的分析與評價的方法[19-21]。生命周期評價框架由目標與范圍確定、清單分析、環境影響評價和結果解釋構成，具體見圖2。

圖2 生命周期評價框架

風能電轉氣技術在設備制造、設備運輸和搭建、甲烷和氫氣的生產、甲烷運輸與利用這一完整生命周期過程中會產生一定的污染物排放和資源消耗，因此有必要對其進行環境影響、資源消耗分析，從而確定該技術商業化應用的可行性。目前，有關風能電轉氣環境影響、資源消耗的文獻較少，并且理論體系較為匱乏。因此，開展風能電轉氣技術的生命周期分析，對評估可再生能源電轉氣技術的大規模開發利用價值具有深遠意義。

2.1 目標與范圍確定

風能電轉氣技術生命周期評價的目標是獲得風能電轉氣技術全生命周期內的環境影響和資源消耗，以生產1 kg CH4為評價標準，分析其經濟效益和環境效益。風能電轉氣系統邊界指設備制造、設備運輸和搭建、甲烷和氫氣的生產、甲烷運輸與利用等主要工藝步驟。風能電轉氣技術的生命周期評價框架見圖3。

圖3 風能電轉氣技術的生命周期評價框架

風能電轉氣技術生命周期評價的影響因素較多，對風能電轉氣技術的系統邊界進行以下假設：

(1) 產品CH4都作為燃料使用且完全燃燒，產物只有CO2與H2O。

(2) 不考慮風電場建設階段占用土地等資源引起的環境影響。

(3) 不考慮碳捕集系統及加壓裝置的運行能耗。

2.2 清單分析

風能電轉氣技術生命周期的環境影響清單由各階段直接排放和間接排放的污染物構成，例如CO2、CH4、N2O、NOx、SO2、CO、PM10等。資源消耗需要考慮全生命周期過程中能源和礦物質的投入，如鋁、鐵、鋼、煤炭、柴油、水泥等。

2.2.1 設備制造

所研究的風電場由33臺1.5 MW的風力發電機、變電站、電纜及配套設施所構成，相關數據由文獻[22]獲得，包含風力發電機各組成部分的原材料種類及消耗量。根據風力發電機和電轉氣設備各部件的材料組成和各種主要原材料每噸生產能耗[23]和污染物排放量[24]，可以計算出風力發電機與電轉氣裝置在設備制造階段的能耗和污染物排放量，結果分別見表4和表5。

表4 設備制造階段的能耗

表5 設備制造階段的污染物排放量

2.2.2 設備運輸和搭建

設備運輸途中只考慮運輸工具排放的有害污染物，原材料運輸及配件組裝運輸階段運輸里程取2018年全國公路貨物運輸平均里程(180 km[25])，交通工具選擇載重量8 t的重型貨車。每臺風力發電機的所有部件需要由8輛重型貨車進行運輸，甲烷化反應器的質量約8 t[26]，需要用一輛重型貨車進行運輸，電解水裝置與加壓裝置總質量在8 t以內，可采用同一輛貨車運輸。貨車的油耗為1 L/km，柴油密度取0.9 kg/L，假定柴油完全燃燒，運輸過程中的污染物排放(如CO、NOx、PM10)參照國家標準[27]。N2O和CH4的排放因子依據歐洲Ⅲ號排放標準(歐盟組織制定的汽車廢氣排放標準)中規定的柴油重型貨車主要排放物排放因子獲得[28]。由于缺乏設備搭建時的有效數據，并且搭建階段的能源輸入和資源消耗與運輸階段比相對較小，所以忽略搭建階段的排放與能耗。設備運輸階段的能耗和污染物排放量分別見表6和表7。

表6 設備運輸階段的能量消耗

表7 設備運輸階段的污染物排放量

2.2.3 甲烷和氫氣的生產

電轉氣系統的運行原理是先由風力發電機將風能轉化為電能，將這部分電能輸送到電轉氣裝置，進入電解水裝置促使反應的發生并生成H2，H2在甲烷化裝置中與CO2反應生成CH4。在運行階段，主要的能耗包含組合部件的更換、運輸等。因為運行階段的污染物排放及能耗的計算難度較大，可假定1臺風力發電機在其全生命周期內平均更換1個葉片和15%的零部件[21]，于是可以假設風電場運行階段的污染物排放與能耗為初始階段的15%。電解水的耗能為風電，采用堿性水電解技術，1 m3H2平均消耗5.2 kW·h[29]的電能，電轉氣過程的排放物只有O2和H2O，生態效益良好。假設H2與CO2反應時所需的高溫環境由甲烷化過程產生的余熱來提供，并且不考慮金屬催化劑生產所需的能源、設備及催化劑材料的處理。

通過Aspen Plus軟件對電轉氣系統進行模擬，系統仿真圖見圖4，反應器初始參數設置見表8。

圖4 電轉氣系統仿真圖FEED—給水裝置；ELECTRIC—電解水裝置；METHANE—甲烷化裝置；COOLER—冷凝器；SEP、SEP1、SEP2—分離器；MIX1、MIX2、MIX3、MIX4—物流。

表8 反應器初始參數設置

初始進口物流為H2O，溫度為15 ℃，壓力為101 325 Pa，質量流量為400 kg/h。CO2的物流數據為：溫度為22 ℃，壓力為101 325 Pa，質量流量為300 kg/h。H2O進入水電解裝置進行反應，反應生成的H2、O2與未參與反應的H2O組成物流，進入分離器進行氣液分離；分離出的H2和O2組成物流，進入分離器再次分離，將分離出的H2連同CO2送入甲烷化裝置進行反應；反應生成的CH4、水蒸氣與未參與反應的CO2組成物流，進入冷凝器中冷凝；最后通過分離器分離出H2O(液態)及CH4和CO2組成的混合氣體。水電解與甲烷化過程采用的反應器為RStoic反應器。計算得出1 h耗電量為1 432.48 kW·h(由風電場提供)，生成71.24 kg CH4，所以生產1 kg CH4所需的電量為20.11 kW·h，并且根據模擬結果得出生產1 kg CH4需要消耗4.492 kg H2O和2.743 kg CO2。

2.2.4 甲烷運輸與利用

甲烷的運輸與利用主要考慮甲烷從生產源到用戶使用端的運輸過程和甲烷燃燒過程。通過電轉氣技術生成的合成甲烷經加壓裝置壓縮后形成液化天然氣，液化天然氣可存放在儲存罐中輸送到用戶端，生產源到用戶使用端的運輸距離取200 km，運輸全程所用的交通工具為載重量8 t的重型貨車，燃料是柴油。

以生產1 kg CH4為評價標準的風能電轉氣技術全生命周期內的環境排放和資源消耗匯總于表9，其中：階段1、2、3、4、5分別為設備制造階段、設備運輸和搭建階段、生產中水電解階段、生產中甲烷化階段、甲烷運輸與利用階段。全生命周期內的能耗合計80 425.02 kJ。

表9 全生命周期內的環境排放和資源消耗清單

2.3 環境影響評價

環境影響類型及其對應的影響物質見表10。

表10 環境影響類型及其對應的影響物質

采用SimaPro軟件對風能電轉氣技術全生命周期進行環境影響評價，設備制造階段、設備運輸和搭建階段的資源消耗及污染物排放數據來自Ecoinvent 3.5和ELCD數據庫，有關風電輸入與輸出的相關數據來自文獻，其他數據根據Aspen Plus軟件模擬所得結果而定，分析方法選擇CML-IA baseline 3.05，以生產1 kg CH4為評價標準，得到結果見表11。由表11可得：全球暖化、人體毒性、海洋水生毒性的影響程度較為突出。以生產1 kg CH4為評價標準，影響全球暖化的CO2當量質量為2.96 kg，影響人體毒性的1,4-DB當量質量為18.70 kg，影響海洋水生毒性的1,4-DB當量質量為3 557.00 kg。

表11 風能電轉氣技術的環境影響評價結果

2.3.1 各階段污染物排放比較

圖5為風能電轉氣技術生命周期各階段對環境影響類型的貢獻程度。

圖5 風能電轉氣技術全生命周期內各階段對環境影響類型的貢獻程度

在全生命周期中，甲烷化階段對環境影響類型的貢獻程度始終為負值。這是因為甲烷化反應時吸收了大量CO2，并且生成物中只有甲烷和水，對溫室效應、臭氧層空洞等環境問題有著顯著的緩解作用。

圖6為全生命周期內各階段對全球暖化的影響。由圖6可得：在設備制造階段、設備運輸和搭建階段、甲烷和氫氣的生產階段的CO2當量質量呈遞減趨勢，甲烷運輸與利用階段對全球暖化的貢獻程度最大，其CO2當量質量占比為58.6%，這是因為甲烷燃燒會生成大量CO2。

圖6 全生命周期內各階段對全球暖化的影響

圖7為全生命周期內各階段對海洋水生毒性影響的占比。設備制造階段對海洋水生毒性的影響較大，占69.22%。這是因為設備制造階段會投入大量金屬耗材，耗材的獲取、加工制作過程中會對水體造成嚴重污染。人體毒性對環境的影響程度較大，僅次于海洋水生毒性，主要影響階段為設備制造階段與水電解階段。全生命周期內對酸化、光化學污染、富營養化的影響較小，其中水電解階段和設備制造階段占了主要部分。

圖7 全生命周期內各階段對海洋水生毒性影響的占比

圖8為生命周期各階段對非生物耗竭、酸化、富營養化的影響。

由圖8可得：水電解階段對環境的影響始終處于較高水平，這是因為在獲取風電的過程中會排放大量的SO2、磷酸鹽等有害物質。

圖8 全生命周期內各階段對非生物耗竭、酸化、富營養化的影響

2.3.2 風能電轉氣與普通電轉氣的對比

采用SimaPro軟件對普通電轉氣技術(即燃煤電廠為電轉氣技術的電能供應端)全生命周期進行環境影響評價，燃煤電廠的資源消耗及污染物排放數據來自Ecoinvent 3.5和ELCD數據庫，其他數據根據Aspen Plus軟件模擬所得結果而定，分析方法選擇CML-IA baseline 3.05，結果見表12和圖9。

表12 普通電轉氣技術的環境影響評價結果

圖9 普通電轉氣技術全生命周期內各階段對環境影響類型的貢獻程度

全球暖化、人體毒性、海洋水生毒性和淡水水生毒性對環境的影響尤為突出，關于這4種環境影響類型，普通電轉氣技術與風能電轉氣技術的對比見表13。

表13 風能電轉氣技術與普通電轉氣技術的對比

由表13可得：

(1) 風能電轉氣技術的CO2當量質量為普通電轉氣技術的8.24%。這是因為燃煤電廠主要以燃燒煤炭的方式產生電能，CO2的大量產生加劇了溫室效應，說明風能電轉氣技術的環境效益明顯優于普通電轉氣技術。

(2) 風能電轉氣技術的1,4-DB(海洋水生毒性)和1,4-DB(淡水水生毒性)的當量質量分別為普通電轉氣技術的12.40%和28.63%。這是因為燃煤電廠排放的污水在淡水區域短暫停留后，最終匯入海洋，海洋成了微塑料的聚集地。微塑料可在水體中穩定持久地存在，它能作為微生物的載體，促進生物膜的形成并為病原體的繁殖提供溫床，使海洋水生毒性增強。微塑料能夠吸附污水中的重金屬，形成復合毒性的物質會對生物造成巨大傷害，如抑制海洋水生植物的生長、影響貝類的正常發育等。大顆粒微塑料的不斷分解，會進一步增加海洋生物對微塑料的攝入量，進而對海洋生物造成嚴重危害，破壞海洋生態系統的平衡。

(3) 風能電轉氣技術的1，4-DB(人體毒性)高于普通電轉氣技術，主要原因是風電場在初期建設階段消耗了大量原材料，如原材料獲取、加工制作等階段會排放大量重金屬、SO2、PM10等污染物，這些污染物是造成人體毒性的主要物質。

3 結語

在論述風能電轉氣技術原理和工藝流程的基礎上，利用生命周期評價模型全面評價風能電轉氣技術全生命周期內的過程及對環境的影響，通過SimaPro軟件對風能電轉氣技術、普通電轉氣技術進行生命周期評價分析，得到電轉氣技術全生命周期內各階段對環境的影響值。

通過比較不同供電方式下電轉氣技術的污染物排放情況，得出采用風能作為電轉氣技術的電能供應端，可大大緩解溫室效應、人體毒性、水體毒性等環境問題。風能電轉氣技術具有顯著的環境效益，大規模開發風能電轉氣技術，可以為CO2和水體污染物的減排作出巨大貢獻。風能電轉氣技術是一種具有可行性的新型可再生能源高效利用方式，具有較大的商業開發價值。