如何计算可再生能源的环境影响

伊莎贝拉﹒布兰克 / 巴黎高等矿业学校高级研究员 / 2015-11-25

自本世纪初以来可再生能源得到了快速发展，这种势头在未来几十年必将持续甚至加强，从而显著地改变未来电力结构的同时减少能源消费对环境的危害。因此，非常有必要研究不同可再生能源部门到底将如何影响环境。

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围绕能源转型，更具体地说是未来的电力结构已经存在许多争论，尤其是其对本地和全球环境的影响。2010年，全球仅仅是用于发电、供暖的化石燃料燃烧产生的温室气体排放量就占到总排放量的25%。在确保可持续能源供应的同时，为了应对气候变化，欧盟已经制定了2020年“3×20”的目标：在1990年水平上减少20%的温室气体排放、能源节约20%、可再生能源在能源结构中的比重占20%。最近，欧盟设置了更为雄心勃勃的目标:到2030年，实现减少40%的温室气体排放量、27%的能源节约和可再生能源占27%的份额。

虽然一些可再生能源系统在运作阶段对环境有很少或没有影响，但实际上它们终究还与环境发生作用：在生产链的上游、制造、下游，以及服务周期的末端。为了研究不同生产链的环境影响，我们可以生命周期评价（life-cycle assessment）这样的工具和其他相关指标如能量回收期（energy payback time）来研究不同可再生能源全生产链对环境的影响。

生命周期评价和能量回收期

生命周期评价（LCA）对产品或服务的整个生命周期对环境的影响。它将从组件制造到系统本身的使用寿命结束的每个阶段的环境影响测量值相加。例如，对所有安装在法国的太阳能电池板，评估将考虑多晶电池在亚洲的生产、面板在德国的组装和产品在法国的最终安装整个过程。LCA考察一系列污染物组合和消耗的资源。ISO国际标准化组织和欧洲委员会为此进行了大量的标准化工作（14040和14044标准）。这种“从摇篮到坟墓”的全面做法是非常好的决策和环境优化工具。

这种分析提供的大量指标能够对能源生产对环境的直接和间接影响进行定性和量化。影响评估类别包括是否会导致全球变暖可能性、对人体的毒性、酸化、基本能源消耗，以及是否会造成资源枯竭、矿产和化石资源短缺等。

最后一点不容忽视。例如，风力涡轮机依靠钕和镝两种稀有金属作为发电机永磁体。这是个敏感问题：鉴于目前矿产资源需求的增加，2020年左右镝储备量将严重短缺。另外一些非常有前途的光伏技术如CIGS（铜、铟、镓、硒）也面临着同样的挑战：铟（储备产量）估计只够维持20年。

生命周期分析基于各种指标。其中，“能量回收期”是一个特别合适用来量化可再生能源的环保性。可再生能源行业的特点是制造阶段能量投资巨大，但使用阶段能量消耗较低。能量回收期显示了一种可再生能源系统释放与制造其所需等量能量所花的时间。具体的计算方式是，系统制造所需要能量与一年中该系统所提供能量的比值。分母的计算则依据安装了该可再生能源系统的国家发电所需的一次能源消耗量。因此，这样的计算方法会与所在国家电力结构具体相关。

举例来说，下表格是两张（分别采用单晶硅和多晶硅技术）在欧洲和中国制造的太阳能板的能量回收时间，其安装地点为欧洲，峰值功率为3KW。位置非常关键，因为回收时间取决于安装区域单位电能的含能量。在欧洲，每度电的平均含能量，是11.4 MJ 的一次能源。设施相同条件下，电能含能量较低的国家，可再生能源的回收期就越长。

要计算这些光伏能源的制造包括所有子系统和运输的费用，需要用到生命周期储备。在这个例子中，这些在德国和中国制造的产品的生命周期储备值，是2011年的数据，来源为Ecoinvent v2.2数据库。

欧洲光伏板能源回收期 (来源：Mariska de Wild-Scholten, “Energy payback time and carbon footprint of commercial photovoltaic    systems,” Solar Energy Materials & Solar Cells, 119 (2013)296-305.)

两种技术的能量回收期均短于两年，欧洲负责面板，而中国负责晶硅部分。这种“回报期”方法也能衡量“环保性”。例如，用相同的推理方法来研究可再生能源生命周期的碳足迹：气候回报期。

基于生命周期分析的电力生产渠道比较研究

用生命周期分析和相关的回报期指标的来定性能源系统，能够帮助我们比较不同生产方法，进而找到完善的解决方案。它为当前围绕是否应该增加可再生能源比例的技术和社会争论提供了依据。

为此，政府气候变化专门委员会（IPCC）在2011年对一系列有关碳绩效指标的科学论文进行了编纂和研究。这一指标比较化石能源（煤、煤气和天然气）、核能和可再生能源在整个发电周期内的温室气体排放量。研究揭示，每种能源的影响程度，严重取决于当地条件和能源技术特点。因此，要为每种能源确定独特和绝对的碳绩效值是不现实的。这个过于简单化的解释只会让问题变得片面化。

碳绩效指标的变化范围凸显了可再生能源的优越性。这是一个关键点。但碳只是其中一个指标。其他环境影响如导致自然资源的枯竭和损害人类健康又如何？仅限于碳性能的指标研究，值得被推广到其他指标。

为了促进能源转型的辩论，这些环境评估必须适当地考虑各地的技术具体情况，来比较不同发电方式，瓜德罗普就是很好的例子。

区域性生命周期分析

国立巴黎高等矿业学校的“观察、影响、能源”中心进行了一个区域规模的“EVALGTHDOM”生命周期分析项目，来衡量未来电力结构对瓜德罗普（Guadeloupe.）环境的潜在影响。法国政府计划在2020年达到23％可再生能源发电的目标。其他国家，则将目标定在50%，并最终在2030年将实现100%自给。

选择瓜德罗普岛不是巧合。这里有一个地热能源实验室：布扬特中心，法国第一个地热发电站，装机容量据称有15 MW。

该研究将2013年时该岛的能源结构与三种2030年时的可能情景进行比较，结合了消费控制和可再生能源推广的官方目标，基于13个指标（气候变化、人类毒性、化石能源消耗减少、酸化、富营养化……），来衡量六种能源的发电情况：地热、生物能源（甘蔗渣、甘蔗纤维）、风能、光伏、水电、垃圾回收和沼气：

• 用于比较的参考是2013年瓜德罗普岛的发电结构，83%为化石能源，大部分为进口，可再生能源占17%。未来三种情景与之进行比较，来衡量相关规划决策的影响。
• 顺其自然情景：近年来，能源需求增长，但在发展可再生能源和加强能源需求管理方面，并没有采取特殊的努力。
• PRERURE（该岛管理者最新提出的能源框架）情景：该框架大力加强了消费控制、推广可再生能源产业的发展（到电力结构的75％）的。目的是促进能源结构的多样化。这种情况下，地热能发电到2030年将达到85 MW。
• 中间情景：研究专门设计的一种场景，反映出一种温和的努力，来一方面控制消费，一番面开发新能源。这种情景中，地热发电能力将达到45MW 。

在瓜德罗普岛发电系统的生命周期阶段包括建设、能源生产和运输。电力使用环境的影响并没有包括在内，也不包括电力的存储或再循环过程。在各种技术细节限制之内的能源转化技术的储备也被编纂就绪。

最终，研究给出了四种代表性环境影响情况：

• 全球变暖潜在性，在当前情景和PRERURE情景之间，由于减少化石燃料和煤的使用，每度电的生产所释放的温室气体将显著减少。
• 酸化（由物质制造和释放二氧化硫导致）可以直接和间接影响生态系统（酸雨和土壤浸出）。在所检视的各种情景中，这种类型影响与全球变暖潜在性的趋势相同。
• 生态毒性，用CTUe（比较毒性单位，Comparative Toxic Units）表示，是对每单位化学物质在时间和空间上可能影响的物质种类的估计。在基准情景和顺其自然情景之间，蔗渣的影响减少，但在发电能源结构中所占比例保持不变（分别是2.6%和2.3%）。区别源于农药使用的假设（在三种未来场景中，三敌草隆已被完全禁止在瓜德罗普岛使用）。在后两种情景中，影响要大些，这是大力开发甘蔗和甘蔗纤维产业的直接后果。
• 营养富集（氮元素含量）被用来评价对海洋环境富营养化的可能性。营养富集是营养素积累的过程，并可能导致环境问题（生物多样性的丧失、退化）。研究表明这种影响在三种情况下都会急剧下降。这主要是由于降低氮氧化物（NOx）和氨气（NH4 +）排放的大力举措，包括在火电厂配备能降低烟气中85%当氧化物排放的脱硝系统。

除了这些结果，这项区域能源结构生命周期分析研究构成了能源转型辩论的一部分：它首次提供了各种能源的环境影响评估，根据不同指标而定位出环境影响最大的能源部门。LCA还揭示出这些不同选择在环境影响方面的矛盾趋势，从而为该区域的决策者提供了必要参考。

基于这些LCA研究，可以在区域范围上设计一种可持续的能源发展：本地资源优化（无论可再生与否）以满足能源需求；对化石燃料、生物能或电力的输入流进行控制；当然还有减轻“环境性泄露”，如碳泄漏。（张莹/译）