焦在強，崔 垚，閆興國，張要玲，于 奇

（1.中電建新能源集團股份有限公司，北京 100101；2.中節(jié)能咨詢有限公司，北京 100082）

太陽能是一種清潔的可再生能源，“雙碳”戰(zhàn)略背景下，我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2022年新增和累計裝機容量均為全球第一[1]。傳統(tǒng)研究多以末端清潔電力為視角，然而從行業(yè)全鏈條來看，生產(chǎn)、運輸、運行及回收處置等階段實際上都消耗化石能源并排放二氧化碳。全面系統(tǒng)地了解光伏發(fā)電項目碳排放逐漸引起國際關(guān)注。國內(nèi)外學(xué)者已逐步開展相關(guān)研究，主要針對光伏組件，尤其是多晶硅生產(chǎn)。部分學(xué)者針對光伏電站開展探索，但由于光伏行業(yè)技術(shù)更新較快、電站資料可獲得性弱等原因，核算范圍邊界、與時俱進性等方面仍然有待探索。本研究擬采用全生命周期理論，依托案例翔實數(shù)據(jù)，對光伏電站從搖籃到墳?zāi)沟奶寂欧胚M行全面核算，為實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈低碳化管理提供參考。

1 研究方法

1.1 系統(tǒng)邊界

根據(jù)新能源規(guī)劃，我國大型風(fēng)電光伏基地建設(shè)布局是以沙漠、戈壁荒漠地區(qū)為重點，本文以西北某集中式光伏發(fā)電項目為例，開展相關(guān)研究。項目位于西北荒漠地區(qū)，總裝機容量為150 MW，占地面積為257.7 hm2，設(shè)計壽命為25年。研究范圍包括設(shè)備及建筑材料生產(chǎn)、運輸、建設(shè)施工、運行維護與廢棄物處理等方面。為實現(xiàn)全生命周期碳排放追溯，本研究所有原料消耗的碳排放核算都追溯到基礎(chǔ)礦產(chǎn)和一次能源開采環(huán)節(jié)。光伏發(fā)電項目全生命周期評價的系統(tǒng)邊界如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電項目全生命周期評價的系統(tǒng)邊界

1.2 全生命周期清單數(shù)據(jù)

光伏組件生產(chǎn)流程包括硅礦石開采、工業(yè)硅生產(chǎn)、多晶硅生產(chǎn)、單晶硅片生產(chǎn)、光伏電池板生產(chǎn)、光伏組件等六個環(huán)節(jié)。根據(jù)光伏組件及支架生產(chǎn)階段清單，投入硅礦石17 172.83 t、工業(yè)硅5 095.79 t、多晶硅4 109.51 t、硅片1 658.25 萬片、電24 086.66 萬kW·h、天然氣138.25 萬m3、玻璃與背膜757 萬t、鋁合金邊框30 萬套、螺紋鋼管1 706 t，產(chǎn)出為太陽能電池組件（總裝機容量150 MW）。電氣設(shè)備主要包括110 kV 升壓站機電設(shè)施、35 kV 箱式變壓器、逆變器以及電線/電纜和光纜/網(wǎng)線。根據(jù)電氣設(shè)備生產(chǎn)階段清單，110 kV 升壓站需要鋼63 t、硅鋼片63 t、鋁16.6 t、銅55.5 t；35 kV 箱式變壓器需要鋼304 t；逆變器需要鋼30.48 t；電線/電纜需求量為10 000 m，光纜/網(wǎng)線需求量為35 400 m。

建筑材料是指構(gòu)筑物建設(shè)、道路鋪設(shè)以及其他基礎(chǔ)施工中使用的材料。根據(jù)建筑材料使用清單，構(gòu)筑物包括綜合樓、配電室、二次設(shè)備室、集控室和綜合水泵房；基礎(chǔ)施工部分是指光伏支架、35 kV 箱式變壓器以及110 kV 升壓站安裝過程中涉及的水泥鋼筋使用。施工階段主要涉及施工機械、施工營地消耗的各類能源。根據(jù)施工階段能源消費清單，累計使用柴油15.015 t、電力22.93 萬kW·h。

運營維護階段主要包括耗水量與逆變器更新。根據(jù)運行維護階段清單，每年清洗用水量為6 萬t，生活用水量為292 t。逆變器設(shè)計壽命一般為10年，運營期間需要更換逆變器約2 次。廢棄物處理主要針對光伏電池組件，其中電池板是層壓結(jié)構(gòu)，主要由電池片、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、玻璃和鋁邊框組成。鋁邊框可手動拆卸，處理期間可認為無碳排放；而EVA 粘結(jié)電池片和玻璃，需要使用特殊方法將其分離[2]，根據(jù)廢棄物處理階段清單，總用電量為109 萬kW·h[3]。光伏支架是螺紋鋼管，可直接回收利用。根據(jù)現(xiàn)有工業(yè)化回收技術(shù)，晶體硅光伏組件中80%可回收再利用，其中玻璃、鋁邊框和鋼鐵的回收率為100%，其他物質(zhì)如塑料、電路板等視為危險廢物，其綜合利用率為45.4%。其他物質(zhì)使用量較小，不列入核算范圍。

1.3 核算方法

全生命周期的數(shù)據(jù)清單來自供應(yīng)商的產(chǎn)品信息、項目可研報告、驗收報告、施工及運營日志等。碳排放因子主要來自發(fā)布的《建筑碳排放計算標準》（GB/T 51366—2019）和《中國產(chǎn)品全生命周期溫室氣體排放系數(shù)集（2022）》[4-5]。光伏電站全生命周期的碳排放總量采用式（1）核算。

式中：C為光伏電站全生命周期的碳排放總量；P為生產(chǎn)運輸階段的碳排放總量；Q為施工建設(shè)階段的碳排放總量；A為運行維護階段的碳排放總量；W為廢棄物處理階段的碳排放總量；ME,i為各過程能耗量；Ei為各類能源碳排放因子；MR,i為各過程中使用資源i的量；Ri為資源i碳排放因子。

2 全生命周期碳排放評價

光伏電站全生命周期的總排放強度為0.26 kg/（kW·h）。其中，光伏組件及支架的生產(chǎn)階段排放、廢棄物回收利用是光伏發(fā)電碳排放的主要影響因素。光伏電站全生命周期碳排放強度分析如圖2所示。

圖2 光伏電站全生命周期碳排放強度分析

光伏組件及支架生產(chǎn)階段，多晶硅生產(chǎn)的碳排放最多，占整個光伏組件及支架生產(chǎn)階段碳排放總量的57.54%，其次為工業(yè)硅生產(chǎn)與光伏組件生產(chǎn)。光伏組件生產(chǎn)中，主要碳排放環(huán)節(jié)為鋁合金邊框生產(chǎn)階段。光伏組件及支架生產(chǎn)階段碳排放強度分析如圖3所示。

圖3 光伏組件及支架生產(chǎn)階段碳排放強度分析

3 結(jié)論

光伏發(fā)電全生命周期碳排放強度為火力發(fā)電（0.93 kg/kW·h）的27.96%，為生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的2022年度全國電網(wǎng)平均發(fā)電碳排放強度（0.570 3 kg/kW·h）的45.59%，碳減排效益明顯。多晶硅生產(chǎn)的碳排放量最大，改良多晶硅生產(chǎn)工藝、清潔能源替代與精準過程控制是實現(xiàn)降碳的重點。工業(yè)硅冶煉階段，受冶煉工藝的影響，能源消耗與碳排放較大，這是節(jié)能降碳的重點關(guān)注部分。在用料較多的金屬材料方面，如鋁合金邊框與光伏支架，選擇更節(jié)能環(huán)保的材料替代是重要減碳途徑。光伏發(fā)電行業(yè)出現(xiàn)時間較晚，大部分項目未退役，光伏電池回收僅限于理論與試驗階段。因此，未來應(yīng)加強光伏電池回收的應(yīng)用研究，找出更加節(jié)能、環(huán)保、高回收率的處理方式。