中國儲能網(wǎng)訊：在碳中和目標(biāo)下，風(fēng)能作為可再生、污染小、安全的清潔能源具有重要的發(fā)展價值。面對我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)海外市場繼續(xù)擴(kuò)大、國際減排政策工具逐步推廣的發(fā)展現(xiàn)狀，廣泛開展以風(fēng)電為重點的可再生能源碳足跡研究，及時開展與具有產(chǎn)業(yè)競爭性及可比性的歐美地區(qū)的對比研究，具有迫切性。
中國工程院賀克斌院士研究團(tuán)隊在中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》2024年第4期發(fā)表《陸上風(fēng)電碳足跡動態(tài)變化的國際比較研究》一文。文章以中國、歐洲、美國等風(fēng)電產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢國家和地區(qū)作為研究對象，構(gòu)建陸上風(fēng)電系統(tǒng)生命周期評價過程、生命周期清單，完成相關(guān)地區(qū)陸上風(fēng)電碳足跡的參數(shù)比較并總結(jié)變化趨勢，進(jìn)一步分析趨勢成因并闡明影響因素。結(jié)果表明，在風(fēng)力機大型化加速、發(fā)電效率提高、工業(yè)生產(chǎn)清潔化的態(tài)勢下，2011—2022 年世界優(yōu)勢地區(qū)的陸上風(fēng)電碳足跡均呈下降趨勢，中國、歐洲、美國的平均降幅分別為49.2%、46.2%、20.8%，相應(yīng)下降量均集中在設(shè)備生產(chǎn)階段；中國已將碳足跡下降至與歐洲接近的水平，與美國的差距縮減到3.63 g/kW·h，其中工業(yè)生產(chǎn)清潔化水平不高、風(fēng)機容量因子偏低分別是中國陸上風(fēng)電碳足跡高于歐洲、美國的主要原因。中國在推進(jìn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中，需著重提高風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電效率、加快改善產(chǎn)業(yè)清潔化生產(chǎn)水平、支持風(fēng)電系統(tǒng)退役回收產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以穩(wěn)步降低陸上風(fēng)電系統(tǒng)生命周期內(nèi)的碳足跡。
一、前言
在未來實現(xiàn)碳中和逐漸成為國際社會普遍共識的背景下，風(fēng)能作為可再生、污染小、安全的清潔能源具有重要的發(fā)展價值。近年來，全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)保持快速增長態(tài)勢，未來增長潛力仍較為可觀：全球風(fēng)電累計裝機量從2000年的24 GW增長至2022年的906 GW，年均增長率為18%；聯(lián)合國氣候變化大會提出，2030年全球可再生能源裝機量將增長至2022年年底的3倍。在世界范圍內(nèi)，中國、歐洲、美國3個國家和地區(qū)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)最為發(fā)達(dá)。2022年，亞太、歐洲、北美等地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電量占全球總量的92.47%，其中亞太、北美地區(qū)分別以中國、美國的貢獻(xiàn)為主。
縱觀國際風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程，歐洲、美國起步較早，在20世紀(jì)90年代即成為風(fēng)電建設(shè)的主導(dǎo)力量。2010年之后為全球風(fēng)電裝機的擴(kuò)張期，中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)保持著高速發(fā)展，2022年的陸上風(fēng)力機累計裝機量位居世界第一（占比為40%）；形成了完整的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈，風(fēng)電裝備制造規(guī)模居世界首位，風(fēng)電機組及關(guān)鍵大部件產(chǎn)量的全球占比超過60%。在國內(nèi)市場以外，風(fēng)電機組出口量逐年增加，海外市場的發(fā)展空間廣闊。當(dāng)前，我國風(fēng)力機出口集中在東南亞地區(qū)，而面向歐美市場推廣存在歐美本土制造商占有率高、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求高等阻礙。在全球碳減排的背景下，碳關(guān)稅、碳市場等氣候減排政策工具逐步完善并得到推廣應(yīng)用，在發(fā)揮全球減碳積極作用的同時也可能導(dǎo)致綠色壁壘等問題，未來可能基于碳足跡成本內(nèi)化而對可再生能源的成本競爭力、全球合作等產(chǎn)生一定的影響。
風(fēng)電碳足跡的高低受多種因素影響而顯復(fù)雜，與所處地區(qū)的背景條件密切關(guān)聯(lián)而具有明顯的地區(qū)差異性，主要表現(xiàn)在3個方面：地區(qū)工業(yè)生產(chǎn)背景，風(fēng)電碳足跡涉及原材料的生產(chǎn)加工，受上游供應(yīng)鏈與產(chǎn)業(yè)鏈的影響明顯；風(fēng)力機大型化程度，增大風(fēng)力機尺寸可使單位兆瓦風(fēng)力機制造消耗物質(zhì)減少，也帶來更大的掃風(fēng)面積、更優(yōu)的（局部）風(fēng)能資源條件，有利于提高風(fēng)力機容量因子；地區(qū)風(fēng)能資源條件，全球不同地區(qū)的風(fēng)能資源豐富度有差異，地區(qū)整體風(fēng)速狀況可直接影響地區(qū)風(fēng)力機發(fā)電量，從而影響單位發(fā)電的碳足跡。
生命周期評價（LCA）是一種通用的環(huán)境評估方法，通過明確研究對象生命周期內(nèi)能源、材料輸入 / 輸出的廢棄物和排放物，提供有關(guān)環(huán)境影響的量化結(jié)果。例如，當(dāng)關(guān)注溫室效應(yīng)時，LCA可采用全球增溫勢能（GWP）這一環(huán)境影響指標(biāo)，量化與產(chǎn)品、服務(wù)、活動相關(guān)的溫室氣體排放情況，以獲得研究對象對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)度。當(dāng)前，已有較多研究采用LCA方法對風(fēng)電系統(tǒng)碳足跡進(jìn)行評估，建立了關(guān)于風(fēng)電環(huán)境影響構(gòu)成的成熟認(rèn)識，如分析了某特定風(fēng)場中風(fēng)力機產(chǎn)生的環(huán)境影響，評估了不同尺寸、技術(shù)方案、先進(jìn)概念的風(fēng)力機并探究對應(yīng)環(huán)境影響的差異性。也要注意到，已有研究主要面向風(fēng)力機產(chǎn)業(yè)鏈，屬于對特定風(fēng)力機與風(fēng)電場產(chǎn)生環(huán)境影響的靜態(tài)研究，選擇的系統(tǒng)邊界、方法框架不盡相同，存在結(jié)果波動范圍較大、可比性不佳的問題；也未合理體現(xiàn)地區(qū)工業(yè)生產(chǎn)水平、機型大型化、風(fēng)能資源不同帶來的碳足跡差異性，對風(fēng)電產(chǎn)業(yè)宏觀態(tài)勢研判及發(fā)展研究的支撐價值不明。
面對我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)海外市場繼續(xù)擴(kuò)大、國際減排政策工具逐步推廣的發(fā)展現(xiàn)狀，廣泛開展以風(fēng)電為重點的可再生能源碳足跡研究，及時開展與具有產(chǎn)業(yè)競爭性及可比性的歐美地區(qū)的對比研究，具有迫切性?？紤]到海上風(fēng)電場、陸上風(fēng)電場的LCA具有顯著的差異，且海上風(fēng)力機發(fā)展更晚、當(dāng)前的裝機規(guī)模也遠(yuǎn)小于陸上風(fēng)力機，本研究選取發(fā)展較早、應(yīng)用規(guī)模更大的陸上風(fēng)力機進(jìn)行研究（下文的風(fēng)力機均指陸上風(fēng)力機）。本文以中國、歐洲、美國等風(fēng)電產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢國家和地區(qū)作為研究對象，結(jié)合風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈實際構(gòu)建風(fēng)電系統(tǒng)LCA模型，對風(fēng)力機的尺寸、容量因子、工業(yè)生產(chǎn)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行動態(tài)表征和區(qū)域差分，揭示并比較2011—2022年相關(guān)地區(qū)的風(fēng)電系統(tǒng)生命周期內(nèi)碳足跡變化趨勢；總結(jié)碳足跡下降的國際經(jīng)驗，提出我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步降低碳足跡的發(fā)展建議，支持提高國際市場產(chǎn)業(yè)競爭力和可持續(xù)發(fā)展能力。
二、研究方法與數(shù)據(jù)來源
（一） 風(fēng)電系統(tǒng)生命周期評價目標(biāo)與范圍
本研究考慮風(fēng)電技術(shù)隨時間發(fā)展而變化、各地區(qū)生產(chǎn)運行條件存在差別等時空差異因素，采用LCA方法研究風(fēng)電系統(tǒng)在不同地區(qū)與時間的碳足跡，以風(fēng)電系統(tǒng)產(chǎn)生單位電力輸送到電網(wǎng)為功能單元，相應(yīng)風(fēng)電場的運行周期設(shè)為20年。
根據(jù)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈實際情況，本研究構(gòu)建了風(fēng)電系統(tǒng)的LCA系統(tǒng)邊界（見圖1），涵蓋風(fēng)電系統(tǒng)生命周期內(nèi)的主要產(chǎn)業(yè)活動。① 風(fēng)電場的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，包含風(fēng)力機的葉片、發(fā)電機、塔筒、齒輪箱等組成部件，變壓站、輸電電纜所需的材料；該環(huán)節(jié)是材料的主要輸入環(huán)節(jié)，較多耗費鋼、鐵、樹脂、玻璃纖維等材料以及能源。② 風(fēng)電場的建設(shè)與安裝環(huán)節(jié)，主要包括基底建設(shè)、部件組裝施工：前者主要消耗混凝土、鋼等材料，后者耗費電能和水。③ 風(fēng)電場的運行維護(hù)過程，輸出風(fēng)力機產(chǎn)生的電力，是主要的環(huán)境效益來源；還需對風(fēng)電場進(jìn)行維護(hù)，如例行檢修和零部件更換，需耗費潤滑油、冷卻劑等材料。④ 回收處置環(huán)節(jié)，對壽命結(jié)束的風(fēng)電場進(jìn)行拆卸處理，對金屬材料進(jìn)行回收、填埋或焚燒等處理；其中的回收材料將產(chǎn)生負(fù)的碳排放，可對生產(chǎn)環(huán)節(jié)的碳足跡起到一定的抵消作用。⑤ 運輸環(huán)節(jié)貫穿在風(fēng)電系統(tǒng)生命周期中，如風(fēng)力機組成部件、風(fēng)電場建設(shè)材料通過運輸?shù)竭_(dá)建設(shè)場地，運行維護(hù)階段中專業(yè)人員通勤、回收處置階段的材料處理也涉及運輸過程。
圖1 風(fēng)電系統(tǒng)的LCA系統(tǒng)邊界
本研究的時間范圍選取為2011—2022年，這是因為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已越過起步探索期并進(jìn)入成熟發(fā)展期。具體地，2007年全球風(fēng)電累計裝機量小于100 GW，2010年相應(yīng)規(guī)模達(dá)到200 GW（接近2022年的1/5），因而研究時間范圍起點選取為產(chǎn)業(yè)具一定規(guī)模的2010年。2010年以來，隨著風(fēng)力機技術(shù)快速發(fā)展、風(fēng)電成本穩(wěn)步降低，風(fēng)力機的容量因子、平均尺寸等技術(shù)參數(shù)表現(xiàn)出明顯的變化趨勢，契合研究需求。
（二） 生命周期清單構(gòu)建
本研究根據(jù)公開文獻(xiàn)、國外風(fēng)力機整機制造商發(fā)布的風(fēng)力機LCA報告、中國風(fēng)能協(xié)會和國內(nèi)風(fēng)力機整機制造商提供數(shù)據(jù)，構(gòu)建風(fēng)電系統(tǒng)生命周期清單數(shù)據(jù)。相關(guān)清單涵蓋單臺風(fēng)力機制造所需的材料，整個風(fēng)電場建造、后續(xù)運行維護(hù)等環(huán)節(jié)耗費的材料。不同尺寸（即不同額定功率）的風(fēng)力機，在制造和后續(xù)建設(shè)過程中投入的物質(zhì)與能量有差別，生命周期內(nèi)的發(fā)電量也存在差異。為此，按照額定功率對風(fēng)力機進(jìn)行劃分，構(gòu)建不同尺寸風(fēng)電系統(tǒng)生命周期清單數(shù)據(jù)。
設(shè)備生產(chǎn)階段作為生命周期的上游環(huán)節(jié)，涉及風(fēng)力發(fā)電機、變壓器、電纜等設(shè)備的制造。風(fēng)力發(fā)電機整體由葉片、齒輪箱、發(fā)電機、鑄件、變流器、軸承、主軸、機艙罩等零部件組成。風(fēng)電場具有變換電壓的需求，假定每個風(fēng)電場建有1臺主變壓器，每臺風(fēng)力機配有1臺箱式變壓器。風(fēng)力發(fā)電機與箱式變壓站、箱式變壓站與變電站之間均通過電纜相連。
建設(shè)安裝階段指設(shè)備與材料運送到場地后，開展主體工程建設(shè)、風(fēng)力機設(shè)備吊裝 / 安裝的階段，需要大量使用混凝土、鋼筋等材料，也會消耗電能和水資源。清單數(shù)據(jù)為單臺風(fēng)力機對應(yīng)的風(fēng)電場建設(shè)所需投入。
風(fēng)電場需要進(jìn)行定期檢查與維護(hù)，運行維護(hù)階段包含在20年的生命周期中，主要消耗潤滑油、液壓油、冷卻液、風(fēng)力機備件等材料，維修檢查人員的通勤也會產(chǎn)生一定的碳排放。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，合理假設(shè)風(fēng)力機相關(guān)零部件替換率（見表1）。
表1 風(fēng)力機零部件的故障率與替換率設(shè)定
回收處置階段主要對風(fēng)力機構(gòu)成材料進(jìn)行拆卸、回收和處置，回收材料視為從風(fēng)電系統(tǒng)中輸出材料，在清單中用負(fù)值表示，起到減少碳足跡的作用。本研究假設(shè)：風(fēng)力機構(gòu)成（包含塔筒）中的鋼、鐵、鋁、銅等金屬材料具有90%的回收率，但回收帶來的減排效益產(chǎn)生于下次使用，故此次采用減碳效益的50%；樹脂、硅、玻璃纖維等采取焚燒方式處理；建設(shè)階段耗費材料采用填埋方式處理。
已有風(fēng)電系統(tǒng)LCA研究表明，運輸環(huán)節(jié)在生命周期內(nèi)碳排放中的占比通常不高，對時空差異的影響也有限。本研究同樣不細(xì)致刻畫運輸環(huán)節(jié)的影響，對同一地區(qū)采用合理數(shù)據(jù)進(jìn)行衡量即可：① 對于中國，根據(jù)風(fēng)力機整機制造商、中國風(fēng)能協(xié)會提供的風(fēng)電設(shè)備生產(chǎn)基地與風(fēng)電場位置，采用最短距離法估算各省份的平均運輸距離，再結(jié)合各省份累計裝機量進(jìn)行加權(quán)平均，得到的平均運輸距離為476.91 km；② 對于歐洲，文獻(xiàn)調(diào)研而得的設(shè)備運輸距離為125 km；③ 對于美國，考慮到區(qū)域整體面積與中國相當(dāng)，直接采用中國數(shù)據(jù)進(jìn)行對應(yīng)計算。建設(shè)安裝階段的混凝土、鋼等材料從風(fēng)電場附近就近運輸，3個地區(qū)的運輸距離均設(shè)為50 km。對于回收處置階段，假設(shè)金屬等回收材料的運輸距離為100 km，環(huán)氧樹脂、玻璃纖維等材料運送到焚燒場的距離為10 km。用于風(fēng)電場基地建設(shè)的混凝土等材料，就地填埋。運輸方式為公路貨車運輸，消耗燃料為柴油。
根據(jù)以上生命周期階段劃分，本研究分別針對1.5 MW以下、1.5~2 MW、2~3 MW、3~4 MW、4~5 MW、5~7 MW等6類尺寸的風(fēng)力機進(jìn)行生命周期清單構(gòu)建（見表2~5）。建立生命周期清單后，還需結(jié)合物質(zhì)和能量的特征化因子來計算碳足跡。通過中國產(chǎn)品生命周期溫室氣體排放系數(shù)庫、Gabi professional數(shù)據(jù)庫、文獻(xiàn)調(diào)研獲得中國、歐洲、美國3個國家和地區(qū)清單中主要物質(zhì)與處理方式的碳排放因子。對于冷卻液、液壓油等用量小且影響低的物質(zhì)，歐洲、美國均沿用中國數(shù)據(jù)。對于填埋、焚燒處理等缺乏地區(qū)差異性的環(huán)節(jié)排放因子，均采用Gabi professional數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)。
表2 不同尺寸風(fēng)力機對應(yīng)的風(fēng)電系統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)階段清單
表3 不同尺寸風(fēng)力機對應(yīng)的風(fēng)電系統(tǒng)建設(shè)安裝階段清單
表4 不同尺寸風(fēng)力機對應(yīng)的風(fēng)電系統(tǒng)運行維護(hù)階段清單
表5 不同尺寸風(fēng)力機對應(yīng)的風(fēng)電系統(tǒng)回收處置階段清單
值得說明的是，由于鋼、鐵等原材料生產(chǎn)過程中電力投入產(chǎn)生的碳足跡包含在此處物質(zhì)的整體碳排放因子中，故生命周期清單中的電力僅為建設(shè)組裝過程中單獨的電力消耗，不包括鋼、鐵等原材料生產(chǎn)過程中的電力投入量；實際物質(zhì)生產(chǎn)與處理方式的碳排放因子存在時間動態(tài)變化，本研究因著重關(guān)注地區(qū)差異而假定不存在時空動態(tài)變化，這與實際情況是存在一定偏差的。
碳足跡計算方法為風(fēng)力機生命周期產(chǎn)生的總碳足跡除以風(fēng)力機在20年運行時間內(nèi)的總發(fā)電量。1個地區(qū)的風(fēng)力機生命周期內(nèi)總碳排放量，通過該地區(qū)對應(yīng)年份的風(fēng)力機平均尺寸下生命周期各環(huán)節(jié)投入的物質(zhì)及能量與對應(yīng)排放因子相乘并加總獲得?？偘l(fā)電量通過風(fēng)力機額定功率與對應(yīng)的容量因子和總發(fā)電小時數(shù)連續(xù)相乘獲得。
三、主要地區(qū)風(fēng)電碳足跡的參數(shù)比較及變化趨勢
1個地區(qū)風(fēng)電碳足跡的高低，受風(fēng)力機大型化程度、風(fēng)能資源優(yōu)劣、地區(qū)工業(yè)生產(chǎn)清潔程度等背景因素的直接影響。本研究選取中國、歐洲、美國作為研究對象，分析2011—2022年的風(fēng)力機平均尺寸、風(fēng)力機容量因子、一次能源中化石能源占比、電網(wǎng)碳排放因子4個參數(shù)，剖析相應(yīng)參數(shù)表現(xiàn)優(yōu)越的原因，直觀體現(xiàn)不同地區(qū)背景因素的差異性，總結(jié)形成國際發(fā)展經(jīng)驗。
（一） 各國風(fēng)力機平均尺寸均逐年提升
本研究涉及的風(fēng)力機歷年新增裝機平均尺寸數(shù)據(jù)，來源于中國風(fēng)能委員會發(fā)布的《2022年中國風(fēng)電吊裝容量統(tǒng)計簡報》、美國能源部發(fā)布的風(fēng)力機技術(shù)市場報告、歐洲風(fēng)能協(xié)會發(fā)布的歐洲（含英國）風(fēng)電數(shù)據(jù)報告（見圖2（a））。近年來，在制造技術(shù)和工藝進(jìn)步、行業(yè)補貼水平下降、市場競爭增強的背景下，持續(xù)提升單臺風(fēng)力機的發(fā)電額定功率成為世界風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的重要趨勢。增大風(fēng)力機尺寸，有利于降低單位兆瓦風(fēng)力機制造需消耗的材料數(shù)量，帶來更大的掃風(fēng)面積、高處更優(yōu)的風(fēng)能資源條件，直接提高風(fēng)力機容量因子，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，全球風(fēng)電容量因子從2011年的27%增長至2021年的39%。
圖2 不同地區(qū)風(fēng)力機平均尺寸、容量因子、電網(wǎng)排放因子變化趨勢
2011—2022年，中國、歐洲、美國的風(fēng)力機均呈現(xiàn)大型化趨勢，平均尺寸（對應(yīng)的發(fā)電額定功率，下同）從2011年的1.82 MW提升至2022年的3.87 MW。在2020年前，一直維持著歐洲的尺寸最大、美國其次、中國最小的格局。歐洲的風(fēng)力機大型化程度更加迅速，2021年平均尺寸率先達(dá)到4 MW，美國自2019年以來的年均尺寸增長率約為4%。在中國，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)起步較晚、相關(guān)技術(shù)不夠成熟導(dǎo)致風(fēng)力機平均尺寸較小，2011年的平均尺寸（1.5 MW）明顯小于歐洲和美國；通過積極引進(jìn)國際先進(jìn)的產(chǎn)品與技術(shù)、加快研發(fā)并構(gòu)建自主技術(shù)體系，風(fēng)力機大型化逐步加快：2021年的平均尺寸為3.1 MW，已與美國相當(dāng)；2022年的平均尺寸增長至4.3 MW，已超過歐洲。
（二） 美國風(fēng)力機容量因子顯著占優(yōu)
容量因子是風(fēng)力機實際發(fā)電量與額定發(fā)電量的比值，用于衡量風(fēng)力機運行穩(wěn)定性和發(fā)電效率，與風(fēng)電場選址、場地風(fēng)能資源質(zhì)量、風(fēng)力機尺寸、風(fēng)力機設(shè)計性能等因素有關(guān)。本研究涉及的風(fēng)力機容量因子，中國數(shù)據(jù)來源于《中國能源大數(shù)據(jù)報告（2022）》公布的全國整體風(fēng)電利用小時數(shù)，2017年以來的歐洲、美國數(shù)據(jù)來源于歐洲風(fēng)能協(xié)會和美國能源部發(fā)布的相關(guān)報告，2017年之前的歐洲數(shù)據(jù)根據(jù)陸上風(fēng)力機發(fā)電量與裝機量估算而得（見圖2（b））。中國、歐洲、美國的風(fēng)力機容量因子變化趨勢存在較大差異：2011年，3個地區(qū)的容量因子均為20%~27%；隨后，中國、歐洲的風(fēng)力機容量因子變化緩慢，而美國在2011—2014年快速提高并率先達(dá)到40%。
中國的風(fēng)力機容量因子經(jīng)歷了先增長、后降低、再增長的變化過程。其中，2013—2015年由于新能源裝機與負(fù)荷分布不匹配、電網(wǎng)跨區(qū)外送能力不高、靈活性電源裝機占比較低，產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的棄風(fēng)問題，使風(fēng)力機容量因子從23%下滑至20%左右。為此，國家不斷優(yōu)化風(fēng)電產(chǎn)業(yè)布局、出臺措施促進(jìn)風(fēng)電消納，使棄風(fēng)問題有所改善。2017年、2018年的容量因子較2016年明顯提高，2018—2020年基本保持平穩(wěn)，2021年、2022年因風(fēng)力機平均尺寸的快速增長而使容量因子增長到25%。
歐洲的風(fēng)力機容量因子在20%~25%內(nèi)小幅波動，未見明顯變化。這是因為，歐洲風(fēng)電場選址的風(fēng)力資源質(zhì)量普遍不高，舊的風(fēng)力機數(shù)量較多且升級改造力度不足，稀釋了新建風(fēng)力機對容量因子的提升作用。
美國風(fēng)力機容量因子的快速提高，主要源于風(fēng)力機平均比功率急劇下降（即風(fēng)力機具有更高的能量利用效率）、新建風(fēng)電場選址的風(fēng)能資源質(zhì)量顯著改善、風(fēng)力機大型化帶來更好的風(fēng)能資源利用能力。美國針對風(fēng)電市場份額增長可能帶來更高的棄風(fēng)率問題采取了有效應(yīng)對措施，如得克薩斯州新建輸電系統(tǒng)，使2014年的電力市場棄風(fēng)率僅為0.5%，較2009年的17%大幅下降。2018年以來，美國風(fēng)力機平均比功率略有上升、風(fēng)電場選址被動轉(zhuǎn)向風(fēng)力資源質(zhì)量偏低的地區(qū)，導(dǎo)致風(fēng)力機容量因子小幅下降，但整體上維持在約40%的高位。
（三） 各國電網(wǎng)碳排放因子均降低
本研究涉及的2011—2022年中國電網(wǎng)碳排放因子，根據(jù)國際能源機構(gòu)（IEA）統(tǒng)計的中國電力生產(chǎn)產(chǎn)生的CO2排放總量、中國電力企業(yè)聯(lián)合會發(fā)布的中國每年發(fā)電量、生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的相關(guān)數(shù)據(jù)等計算而得。歐洲電網(wǎng)的碳排放因子直接采用歐洲環(huán)境署公布的歐盟電力生產(chǎn)溫室氣體排放強度。美國的部分?jǐn)?shù)據(jù)直接來源于美國國家環(huán)境保護(hù)局發(fā)布的溫室氣體排放因子中的電力部分?jǐn)?shù)據(jù)，缺失年份的數(shù)據(jù)同樣利用IEA數(shù)據(jù)、美國對應(yīng)年份的總發(fā)電量等進(jìn)行計算。（見圖2（c））
2011—2022年，中國、美國、歐洲的電網(wǎng)碳排放因子均呈顯著下降趨勢，2022年較2011年分別下降32%、37%、27%。從電網(wǎng)碳排放因子水平看，歐洲具有最清潔的電力生產(chǎn)條件，2022年為251 g/kW·h，美國為373 g/kW·h，中國為570 g/kW·h。2011—2022年，中國電網(wǎng)碳排放因子的平均水平分別比歐洲、美國高442 g/kW·h、243 g/kW·h。
電力碳排放因子的高低與一次能源結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，中國、美國、歐洲碳排放因子下降與能源結(jié)構(gòu)中碳排放強度更低的能源占比提高有關(guān)，相關(guān)數(shù)據(jù)源自《中國能源大數(shù)據(jù)報告（2022）》、Eurostat Statistics Explained、美國能源信息管理局（見圖2（d））。歐洲電力生產(chǎn)最為清潔，主要原因是一次能源結(jié)構(gòu)中化石燃料占比一直顯著低于中國和美國，也從2011年的42.6%顯著下降至2021年的25.4%，碳排放強度較低的風(fēng)電、光伏發(fā)電、核能發(fā)電等被大量使用。中國、美國的一次能源中化石燃料占比相當(dāng)：前者在80%~85%的范圍內(nèi)波動；后者從2011年的90.4%下降至2022年的78.9%，從2018年開始低于前者。然而，中國化石燃料構(gòu)成中以碳排放強度最高的煤炭為主體，煤炭的相應(yīng)占比盡管保持下降趨勢，但2022年仍高于65%，更為清潔的天然氣占比低于7%。美國化石燃料構(gòu)成中以碳排放強度最低的天然氣為主，且在一次能源中的占比從2011年的33.8%提升至2022年的46.1%；碳排放強度介于天然氣和煤炭之間的石油占比呈增加態(tài)勢，從2011年的16%提升至2022年的25.1%。
四、主要地區(qū)風(fēng)電碳足跡結(jié)果及影響因素分析
（一） 主要地區(qū)風(fēng)電碳足跡的變化趨勢與成因
2011—2022年，中國、歐洲、美國各年度風(fēng)電系統(tǒng)產(chǎn)生單位電力的碳足跡變化情況如圖3所示。風(fēng)電碳足跡整體上均呈下降趨勢，2022年較2011年的降幅分別為49.2%、20.8%、46.2%；2022年，3個地區(qū)的風(fēng)電碳足跡平均值分別為13.96 g/kW·h、11.15 g/kW·h、7.69 g/kW·h。中國、歐洲、美國的風(fēng)電系統(tǒng)生命周期內(nèi)各環(huán)節(jié)的碳足跡分布差異不大（見圖4），主要來自設(shè)備生產(chǎn)階段；該階段也是碳足跡下降貢獻(xiàn)最多的環(huán)節(jié)，貢獻(xiàn)度約占75%。設(shè)備生產(chǎn)環(huán)節(jié)碳足跡下降的部分原因為，隨著風(fēng)力機尺寸的增大，單位兆瓦風(fēng)力機制造需消耗材料的數(shù)量整體呈（波動）下降趨勢（見圖5）。
圖3 不同國家和地區(qū)風(fēng)電系統(tǒng)碳足跡（2011—2021年）
圖4 不同國家和地區(qū)風(fēng)電系統(tǒng)生命周期內(nèi)各環(huán)節(jié)的碳足跡分布
圖5 不同尺寸風(fēng)力機單位兆瓦所耗物質(zhì)
2011—2022年，中國碳排放強度表現(xiàn)出先下降、后增長、再穩(wěn)定下降的變化過程，相應(yīng)原因分別為：風(fēng)力機容量因子上升、風(fēng)力機平均尺寸（小幅）增長；較嚴(yán)重的棄風(fēng)問題導(dǎo)致風(fēng)力機容量因子下滑；受國家相關(guān)政策驅(qū)動，風(fēng)力機容量因子有所提高并趨穩(wěn)，同時在風(fēng)力機快速大型化的推動下風(fēng)電系統(tǒng)碳足跡穩(wěn)定下降。
歐洲的風(fēng)電碳足跡整體上呈小幅波動變化，近年來緩慢下降。2011—2016年，風(fēng)力機容量因子保持下降態(tài)勢，風(fēng)電系統(tǒng)利用的不充分與大型化帶來的減碳效益互相抵消，使得風(fēng)電碳足跡處于平穩(wěn)波動狀。2016年以來，新裝風(fēng)力機尺寸快速增大，推動容量因子從20%逐漸上升到24%的水平，使風(fēng)電碳足跡平穩(wěn)下降。
美國的風(fēng)電碳足跡以平穩(wěn)態(tài)勢持續(xù)下降。2011—2015年，美國風(fēng)力機尺寸變化不明顯，但因容量因子從26.7%快速提升至38.7%，碳足跡以較高的平均速度下降；此后，美國的風(fēng)力機容量因子維持在40%的較高水平，碳足跡主要由風(fēng)力機大型化驅(qū)動，容量因子的下降速度趨于平緩。2020年的風(fēng)電碳足跡出現(xiàn)微小幅上升，這是因為風(fēng)力機平均尺寸從2019年的2.77 MW下降為2020年的2.75 MW，容量因子從2019年的40%下降至2020年的38%。
比較3個國家和地區(qū)的風(fēng)電碳足跡可見，中國因風(fēng)力機容量因子偏低、早期風(fēng)力機大型化程度滯后，碳排放一直處于最高水平；隨著中國風(fēng)力機大型化加速、有效處理棄風(fēng)問題，2022年的碳足跡僅為2011年的49.3%，已接近歐洲水平，也顯著縮小了與美國的差距（從7.85 g/kW·h縮減至3.63 g/kW·h）。
值得指出的是，本研究獲得的風(fēng)電系統(tǒng)生命周期內(nèi)碳足跡為6.16~19.32 g/kW·h，而文獻(xiàn)結(jié)果為6.57~51.6 g/kW·h，也表明本研究結(jié)果處于合理范圍。
（二） 主要地區(qū)風(fēng)電碳足跡影響因素分析
以2022年的風(fēng)電系統(tǒng)為對象，對中國、歐洲、美國的風(fēng)電碳足跡進(jìn)行影響因素分析，討論風(fēng)電系統(tǒng)生命周期清單各組分的影響占比、其他因素的影響程度，以識別影響風(fēng)電碳足跡的主要因素，中國與歐洲、美國風(fēng)電碳足跡存在差距的關(guān)鍵因素。
1. 清單組分敏感性分析
中國、歐洲、美國的風(fēng)力機技術(shù)組成差異不大，各自風(fēng)電系統(tǒng)生命周期清單中的物質(zhì)與能量分布相近。以平均尺寸3 MW風(fēng)力機對應(yīng)的風(fēng)電系統(tǒng)為例，分析各類組分對風(fēng)電碳足跡的貢獻(xiàn)度（見圖6）。鋼、樹脂材料、鋁、混凝土為主要的碳排放來源，合計占比達(dá)到82%。其中，僅鋼就貢獻(xiàn)了45%的風(fēng)電碳足跡，即鋼用量變化10%會導(dǎo)致風(fēng)電碳足跡結(jié)果變化4.5%；樹脂材料具有較高的碳排放因子，對風(fēng)電碳足跡的貢獻(xiàn)度為18%；鋁貢獻(xiàn)的風(fēng)電碳足跡占比為10%；混凝土用量雖大，但碳排放因子較低，在風(fēng)電碳足跡中的貢獻(xiàn)度僅為9%。
圖6 3 MW風(fēng)力機對應(yīng)風(fēng)電系統(tǒng)的各組分碳足跡
2. 其他影響因素分析
除了清單組分的碳排放強度，地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、風(fēng)力機容量因子、零部件替換率、回收處理階段金屬材料回收率4個因素也會影響風(fēng)電碳足跡?？紤]到清單中的電力不包含鋼、鐵等原材料生產(chǎn)過程的電耗，本研究基于中國、歐洲、美國近年來鋼、鐵、鋁、混凝土、樹脂材料單位產(chǎn)量的電耗水平，并結(jié)合電網(wǎng)碳排放因子，對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)影響缺失的部分進(jìn)行補充。
分析結(jié)果表明，風(fēng)力機容量因子的影響程度最高并顯著強于其他因素；除了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，另外3個因素的影響程度不存在明顯的地區(qū)差異（見圖7）。風(fēng)力機容量因子每提高10%，中國、歐洲、美國的功能單元碳足跡均下降約9%，即分別下降0.93 g/kW·h、0.87 g/kW·h、0.59 g/kW·h。金屬材料的回收率提高10%（接近完全回收水平），中國、歐洲、美國的碳足跡分別下降2.55%、2.28%、2.37%。電網(wǎng)清潔化程度每提高10%，中國、歐洲、美國的碳足跡分別下降1.15%、0.53%、0.67%；電網(wǎng)清潔化程度越高，對功能單元碳足跡的影響程度越低。零部件替換率的影響程度最低，每提高10%則碳足跡分別下降0.28%、0.29%、0.27%；若不發(fā)生部件替換，則功能單元碳足跡的下降程度為替換條件下影響程度的2%。
圖7 不同地區(qū)風(fēng)電系統(tǒng)敏感性分析結(jié)果（2022年）
3. 不同地區(qū)碳足跡差異的主要成因
中國與歐洲碳足跡的差異，主要是后者的工業(yè)生產(chǎn)清潔化程度更高。從清單組分的碳排放因子可見，中國鋼、鋁材料的生產(chǎn)制造以及電網(wǎng)的碳排放因子較歐洲、美國更高，而樹脂、混凝土略低于歐洲、美國。若采用歐洲、美國清單組成的碳排放因子對中國的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行替換，計算的中國風(fēng)電碳足跡可分別下降6.9%、2.1%；相關(guān)數(shù)據(jù)已低于歐洲碳足跡水平，但與美國仍有顯著差距。這表明，電網(wǎng)與工業(yè)生產(chǎn)清潔化水平偏低是中國風(fēng)電系統(tǒng)碳足跡略高于歐洲的主要原因，而不是導(dǎo)致美國功能單元碳足跡顯著低于中國的主要原因。
中國與美國碳足跡差距的主要原因是風(fēng)力機容量因子偏低。2022年，美國風(fēng)力機平均容量因子為40%，顯著高于中國的25%。若采用美國的風(fēng)力機容量因子對中國的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行替換，計算的中國風(fēng)電系統(tǒng)運行周期中發(fā)電量可增長57%，功能單元碳足跡則從10.28 g/kW·h下降至6.51 g/kW·h（降幅為36.6%），已低于美國碳足跡水平。這表明，風(fēng)力機容量因子的差距是中國風(fēng)電系統(tǒng)碳足跡顯著高于美國的主要原因。
五、研究結(jié)論與發(fā)展建議
（一） 研究結(jié)論
近年來，國際風(fēng)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，優(yōu)勢地區(qū)的風(fēng)電碳足跡背景參數(shù)既有相似的變化趨勢，也有一定的差異性。在風(fēng)力機尺寸上，中國、歐洲、美國均表現(xiàn)出大型化趨勢，平均尺寸從2011年的1.82 MW提升至2022年的3.87 MW；中國因風(fēng)電產(chǎn)業(yè)起步偏晚而使早期風(fēng)力機尺寸低于歐洲和美國水平，但大型化速度更快，2022年成為大型化程度最高的地區(qū)。風(fēng)力機容量因子整體呈波動上升趨勢，如美國通過風(fēng)力機技術(shù)提升、風(fēng)能資源改善、有效控制棄風(fēng)問題等措施，在2011—2014年持續(xù)提升容量因子并顯著優(yōu)于中國、歐洲；近年來，中國、歐洲也呈現(xiàn)風(fēng)力機大型化趨勢，使容量因子有所提升。在工業(yè)清潔化生產(chǎn)程度方面，中國、歐洲、美國的電網(wǎng)碳排放因子均持續(xù)下降；歐洲由于化石燃料在一次能源中占比最低，清潔化程度最高，美國次之，中國仍存在一定差距。
在上述風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景下，2011—2022年世界優(yōu)勢地區(qū)的風(fēng)電系統(tǒng)碳足跡均呈下降趨勢，中國、歐洲、美國的降幅分別為49.2%、20.8%、46.2%，相應(yīng)下降量均集中在設(shè)備生產(chǎn)階段。中國通過改善棄風(fēng)問題、加速風(fēng)力機大型化等措施，將風(fēng)電碳足跡下降至與歐洲接近的水平，與美國的差距從7.85 g/kW·h縮減到3.63 g/kW·h。在風(fēng)電系統(tǒng)生命周期內(nèi)，鋼、樹脂、鋁、混凝土等材料的工業(yè)生產(chǎn)清潔化程度以及發(fā)電效率對整體碳足跡影響顯著；當(dāng)前，中國在風(fēng)力機大型化程度最高的情況下，與歐洲、美國的碳足跡仍存在差距，主要原因是工業(yè)生產(chǎn)整體清潔化程度不高、風(fēng)力機容量因子顯著低于美國水平。
上述結(jié)論直觀體現(xiàn)出風(fēng)力機大型化直接帶來減碳效益、提高容量因子對降低風(fēng)電碳足跡較為重要，可為國內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供直接啟示。然而，綠色低碳成為當(dāng)前及未來國際產(chǎn)業(yè)競爭的關(guān)鍵因素，歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機制、美國碳關(guān)稅等國際氣候機制對工業(yè)產(chǎn)品碳足跡提出了檢測、認(rèn)證、征稅要求，現(xiàn)有研究無法指導(dǎo)風(fēng)電零部件出口型企業(yè)應(yīng)對國際單邊綠色貿(mào)易機制。隨著中國風(fēng)電功能單元碳足跡與發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體的差距逐步縮小甚至抹平，未來研究需關(guān)注將中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的比較優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為國際貿(mào)易和標(biāo)準(zhǔn)制定中的競爭優(yōu)勢。
（二） 發(fā)展建議
中國是風(fēng)電系統(tǒng)出口大國，在世界風(fēng)電市場中的占比較高，如世界60%~70%的相關(guān)零部件產(chǎn)自中國；與此同時，中國風(fēng)電碳足跡與歐洲、美國相比仍具有進(jìn)一步提升空間。面對未來的碳中和目標(biāo)、基本明確的碳市場和碳關(guān)稅挑戰(zhàn)，中國在推進(jìn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，需著重關(guān)注風(fēng)電系統(tǒng)生命周期內(nèi)碳足跡降低事項。
一是著重提高風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電效率。風(fēng)力機大型化有利于獲得更好的風(fēng)力資源，在風(fēng)電應(yīng)用端合理布局風(fēng)電系統(tǒng)，根據(jù)風(fēng)能資源分布情況科學(xué)規(guī)劃風(fēng)力機部署，優(yōu)先在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)進(jìn)行裝機，增加風(fēng)力機生命周期的發(fā)電量，整體性提高風(fēng)力機容量因子。加強風(fēng)力機技術(shù)研發(fā)，優(yōu)化風(fēng)力機性能，提高風(fēng)能利用效率。在可再生能源滲透率快速提高的背景下，發(fā)布專門政策引導(dǎo)新型電力系統(tǒng)構(gòu)建，將可再生能源發(fā)電維持在較高的消納水平。
二是加快提高風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的清潔化生產(chǎn)水平。合理規(guī)劃風(fēng)力機生產(chǎn)端、應(yīng)用端布局，實施積極的政策引導(dǎo)。在成本可行的基礎(chǔ)上，鼓勵供應(yīng)鏈優(yōu)先采用碳排放影響更低的材料類型。風(fēng)力機整機制造商需加快清潔技術(shù)應(yīng)用、零碳技術(shù)研發(fā)，逐步減少生產(chǎn)過程中的能源消耗與污染物排放。在風(fēng)電產(chǎn)業(yè)布局方面，促成產(chǎn)業(yè)鏈上游與下游就近布局，節(jié)約運輸成本，降低運輸環(huán)節(jié)的碳排放，促進(jìn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈碳足跡的進(jìn)一步降低。
三是支持風(fēng)電系統(tǒng)退役回收產(chǎn)業(yè)發(fā)展。風(fēng)電機組運行時間為15~20年，我國首批規(guī)?；_發(fā)的風(fēng)電機組面臨退役，對風(fēng)力機機組材料進(jìn)行回收再利用與后處理，有助于直接碳減排。在政策維度上，提前引導(dǎo)相關(guān)回收產(chǎn)業(yè)鏈的布局與建設(shè)，保障風(fēng)電機組退役后相關(guān)材料的高回收率，有效實現(xiàn)回收處置階段的減碳效益。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。
