中國儲能網訊：在碳中和目標下，風能作為可再生、污染小、安全的清潔能源具有重要的發(fā)展價值。面對我國風電產業(yè)海外市場繼續(xù)擴大、國際減排政策工具逐步推廣的發(fā)展現狀，廣泛開展以風電為重點的可再生能源碳足跡研究，及時開展與具有產業(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隊在中國工程院院刊《中國工程科學》2024年第4期發(fā)表《陸上風電碳足跡動態(tài)變化的國際比較研究》一文。文章以中國、歐洲、美國等風電產業(yè)優(yōu)勢國家和地區(qū)作為研究對象，構建陸上風電系統(tǒng)生命周期評價過程、生命周期清單，完成相關地區(qū)陸上風電碳足跡的參數比較并總結變化趨勢，進一步分析趨勢成因并闡明影響因素。結果表明，在風力機大型化加速、發(fā)電效率提高、工業(yè)生產清潔化的態(tài)勢下，2011—2022 年世界優(yōu)勢地區(qū)的陸上風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%，相應下降量均集中在設備生產階段；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)生產清潔化水平不高、風機容量因子偏低分別是中國陸上風電碳足跡高于歐洲、美國的主要原因。中國在推進風電產業(yè)發(fā)展的過程中，需著重提高風電系統(tǒng)發(fā)電效率、加快改善產業(yè)清潔化生產水平、支持風電系統(tǒng)退役回收產業(yè)發(fā)展，以穩(wěn)步降低陸上風電系統(tǒng)生命周期內的碳足跡。
一、前言
在未來實現碳中和逐漸成為國際社會普遍共識的背景下，風能作為可再生、污染小、安全的清潔能源具有重要的發(fā)展價值。近年來，全球風電產業(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，中國、歐洲、美國3個國家和地區(qū)的風電產業(yè)最為發(fā)達。2022年，亞太、歐洲、北美等地區(qū)的風力發(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、美國的貢獻為主。
縱觀國際風電產業(yè)發(fā)展過程，歐洲、美國起步較早，在20世紀90年代即成為風電建設的主導力量。2010年之后為全球風電裝機的擴張期，中國風電產業(yè)保持著高速發(fā)展，2022年的陸上風力機累計裝機量位居世界第一（占比為40%）；形成了完整的風電產業(yè)鏈，風電裝備制造規(guī)模居世界首位，風電機組及關鍵大部件產量的全球占比超過60%。在國內市場以外，風電機組出口量逐年增加，海外市場的發(fā)展空間廣闊。當前，我國風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、技術標準要求高等阻礙。在全球碳減排的背景下，碳關稅、碳市場等氣候減排政策工具逐步完善并得到推廣應用，在發(fā)揮全球減碳積極作用的同時也可能導致綠色壁壘等問題，未來可能基于碳足跡成本內化而對可再生能源的成本競爭力、全球合作等產生一定的影響。
風電碳足跡的高低受多種因素影響而顯復雜，與所處地區(qū)的背景條件密切關聯而具有明顯的地區(qū)差異性，主要表現在3個方面：地區(qū)工業(yè)生產背景，風電碳足跡涉及原材料的生產加工，受上游供應鏈與產業(yè)鏈的影響明顯；風力機大型化程度，增大風力機尺寸可使單位兆瓦風力機制造消耗物質減少，也帶來更大的掃風面積、更優(yōu)的（局部）風能資源條件，有利于提高風力機容量因子；地區(qū)風能資源條件，全球不同地區(qū)的風能資源豐富度有差異，地區(qū)整體風速狀況可直接影響地區(qū)風力機發(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能源、材料輸入 / 輸出的廢棄物和排放物，提供有關環(huán)境影響的量化結果。例如，當關注溫室效應時，LCA可采用全球增溫勢能（GWP）這一環(huán)境影響指標，量化與產品、服務、活動相關的溫室氣體排放情況，以獲得研究對象對溫室效應的貢獻度。當前，已有較多研究采用LCA方法對風電系統(tǒng)碳足跡進行評估，建立了關于風電環(huán)境影響構成的成熟認識，如分析了某特定風場中風力機產生的環(huán)境影響，評估了不同尺寸、技術方案、先進概念的風力機并探究對應環(huán)境影響的差異性。也要注意到，已有研究主要面向風力機產業(yè)鏈，屬于對特定風力機與風電場產生環(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，存在結果波動范圍較大、可比性不佳的問題；也未合理體現地區(qū)工業(yè)生產水平、機型大型化、風能資源不同帶來的碳足跡差異性，對風電產業(yè)宏觀態(tài)勢研判及發(fā)展研究的支撐價值不明。
面對我國風電產業(yè)海外市場繼續(xù)擴大、國際減排政策工具逐步推廣的發(fā)展現狀，廣泛開展以風電為重點的可再生能源碳足跡研究，及時開展與具有產業(yè)競爭性及可比性的歐美地區(qū)的對比研究，具有迫切性。考慮到海上風電場、陸上風電場的LCA具有顯著的差異，且海上風力機發(fā)展更晚、當前的裝機規(guī)模也遠小于陸上風力機，本研究選取發(fā)展較早、應用規(guī)模更大的陸上風力機進行研究（下文的風力機均指陸上風力機）。本文以中國、歐洲、美國等風電產業(yè)優(yōu)勢國家和地區(qū)作為研究對象，結合風電產業(yè)鏈實際構建風電系統(tǒng)LCA模型，對風力機的尺寸、容量因子、工業(yè)生產等相關參數進行動態(tài)表征和區(qū)域差分，揭示并比較2011—2022年相關地區(qū)的風電系統(tǒng)生命周期內碳足跡變化趨勢；總結碳足跡下降的國際經驗，提出我國風電產業(yè)進一步降低碳足跡的發(fā)展建議，支持提高國際市場產業(yè)競爭力和可持續(xù)發(fā)展能力。
二、研究方法與數據來源
（一） 風電系統(tǒng)生命周期評價目標與范圍
本研究考慮風電技術隨時間發(fā)展而變化、各地區(qū)生產運行條件存在差別等時空差異因素，采用LCA方法研究風電系統(tǒng)在不同地區(qū)與時間的碳足跡，以風電系統(tǒng)產生單位電力輸送到電網為功能單元，相應風電場的運行周期設為20年。
根據風電產業(yè)鏈實際情況，本研究構建了風電系統(tǒng)的LCA系統(tǒng)邊界（見圖1），涵蓋風電系統(tǒng)生命周期內的主要產業(yè)活動。① 風電場的生產制造環(huán)節(jié)，包含風力機的葉片、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 風電場的建設與安裝環(huán)節(jié)，主要包括基底建設、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 風電場的運行維護過程，輸出風力機產生的電力，是主要的環(huán)境效益來源；還需對風電場進行維護，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)，對壽命結束的風電場進行拆卸處理，對金屬材料進行回收、填埋或焚燒等處理；其中的回收材料將產生負的碳排放，可對生產環(huán)節(jié)的碳足跡起到一定的抵消作用。⑤ 運輸環(huán)節(jié)貫穿在風電系統(tǒng)生命周期中，如風力機組成部件、風電場建設材料通過運輸到達建設場地，運行維護階段中專業(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，這是因為風電產業(yè)已越過起步探索期并進入成熟發(fā)展期。具體地，2007年全球風電累計裝機量小于100 GW，2010年相應規(guī)模達到200 GW（接近2022年的1/5），因而研究時間范圍起點選取為產業(yè)具一定規(guī)模的2010年。2010年以來，隨著風力機技術快速發(fā)展、風電成本穩(wěn)步降低，風力機的容量因子、平均尺寸等技術參數表現出明顯的變化趨勢，契合研究需求。
（二） 生命周期清單構建
本研究根據公開文獻、國外風力機整機制造商發(fā)布的風力機LCA報告、中國風能協會和國內風力機整機制造商提供數據，構建風電系統(tǒng)生命周期清單數據。相關清單涵蓋單臺風力機制造所需的材料，整個風電場建造、后續(xù)運行維護等環(huán)節(jié)耗費的材料。不同尺寸（即不同額定功率）的風力機，在制造和后續(xù)建設過程中投入的物質與能量有差別，生命周期內的發(fā)電量也存在差異。為此，按照額定功率對風力機進行劃分，構建不同尺寸風電系統(tǒng)生命周期清單數據。
設備生產階段作為生命周期的上游環(huán)節(jié)，涉及風力發(fā)電機、變壓器、電纜等設備的制造。風力發(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。風電場具有變換電壓的需求，假定每個風電場建有1臺主變壓器，每臺風力機配有1臺箱式變壓器。風力發(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。
建設安裝階段指設備與材料運送到場地后，開展主體工程建設、風力機設備吊裝 / 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。清單數據為單臺風力機對應的風電場建設所需投入。
風電場需要進行定期檢查與維護，運行維護階段包含在20年的生命周期中，主要消耗潤滑油、液壓油、冷卻液、風力機備件等材料，維修檢查人員的通勤也會產生一定的碳排放。根據文獻調研結果，合理假設風力機相關零部件替換率（見表1）。
表1 風力機零部件的故障率與替換率設定
回收處置階段主要對風力機構成材料進行拆卸、回收和處置，回收材料視為從風電系統(tǒng)中輸出材料，在清單中用負值表示，起到減少碳足跡的作用。本研究假設：風力機構成（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；建設階段耗費材料采用填埋方式處理。
已有風電系統(tǒng)LCA研究表明，運輸環(huán)節(jié)在生命周期內碳排放中的占比通常不高，對時空差異的影響也有限。本研究同樣不細致刻畫運輸環(huán)節(jié)的影響，對同一地區(qū)采用合理數據進行衡量即可：① 對于中國，根據風力機整機制造商、中國風能協會提供的風電設備生產基地與風電場位置，采用最短距離法估算各省份的平均運輸距離，再結合各省份累計裝機量進行加權平均，得到的平均運輸距離為476.91 km；② 對于歐洲，文獻調研而得的設備運輸距離為125 km；③ 對于美國，考慮到區(qū)域整體面積與中國相當，直接采用中國數據進行對應計算。建設安裝階段的混凝土、鋼等材料從風電場附近就近運輸，3個地區(qū)的運輸距離均設為50 km。對于回收處置階段，假設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。用于風電場基地建設的混凝土等材料，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類尺寸的風力機進行生命周期清單構建（見表2~5）。建立生命周期清單后，還需結合物質和能量的特征化因子來計算碳足跡。通過中國產品生命周期溫室氣體排放系數庫、Gabi professional數據庫、文獻調研獲得中國、歐洲、美國3個國家和地區(qū)清單中主要物質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，歐洲、美國均沿用中國數據。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數據庫提供的數據。
表2 不同尺寸風力機對應的風電系統(tǒng)設備生產階段清單
表3 不同尺寸風力機對應的風電系統(tǒng)建設安裝階段清單
表4 不同尺寸風力機對應的風電系統(tǒng)運行維護階段清單
表5 不同尺寸風力機對應的風電系統(tǒng)回收處置階段清單
值得說明的是，由于鋼、鐵等原材料生產過程中電力投入產生的碳足跡包含在此處物質的整體碳排放因子中，故生命周期清單中的電力僅為建設組裝過程中單獨的電力消耗，不包括鋼、鐵等原材料生產過程中的電力投入量；實際物質生產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力機生命周期產生的總碳足跡除以風力機在20年運行時間內的總發(fā)電量。1個地區(qū)的風力機生命周期內總碳排放量，通過該地區(qū)對應年份的風力機平均尺寸下生命周期各環(huán)節(jié)投入的物質及能量與對應排放因子相乘并加總獲得?？偘l(fā)電量通過風力機額定功率與對應的容量因子和總發(fā)電小時數連續(xù)相乘獲得。
三、主要地區(qū)風電碳足跡的參數比較及變化趨勢
1個地區(qū)風電碳足跡的高低，受風力機大型化程度、風能資源優(yōu)劣、地區(qū)工業(yè)生產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年的風力機平均尺寸、風力機容量因子、一次能源中化石能源占比、電網碳排放因子4個參數，剖析相應參數表現優(yōu)越的原因，直觀體現不同地區(qū)背景因素的差異性，總結形成國際發(fā)展經驗。
（一） 各國風力機平均尺寸均逐年提升
本研究涉及的風力機歷年新增裝機平均尺寸數據，來源于中國風能委員會發(fā)布的《2022年中國風電吊裝容量統(tǒng)計簡報》、美國能源部發(fā)布的風力機技術市場報告、歐洲風能協會發(fā)布的歐洲（含英國）風電數據報告（見圖2（a））。近年來，在制造技術和工藝進步、行業(yè)補貼水平下降、市場競爭增強的背景下，持續(xù)提升單臺風力機的發(fā)電額定功率成為世界風電產業(yè)的重要趨勢。增大風力機尺寸，有利于降低單位兆瓦風力機制造需消耗的材料數量，帶來更大的掃風面積、高處更優(yōu)的風能資源條件，直接提高風力機容量因子，相關數據顯示，全球風電容量因子從2011年的27%增長至2021年的39%。
圖2 不同地區(qū)風力機平均尺寸、容量因子、電網排放因子變化趨勢
2011—2022年，中國、歐洲、美國的風力機均呈現大型化趨勢，平均尺寸（對應的發(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。歐洲的風力機大型化程度更加迅速，2021年平均尺寸率先達到4 MW，美國自2019年以來的年均尺寸增長率約為4%。在中國，風電產業(yè)起步較晚、相關技術不夠成熟導致風力機平均尺寸較小，2011年的平均尺寸（1.5 MW）明顯小于歐洲和美國；通過積極引進國際先進的產品與技術、加快研發(fā)并構建自主技術體系，風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；2022年的平均尺寸增長至4.3 MW，已超過歐洲。
（二） 美國風力機容量因子顯著占優(yōu)
容量因子是風力機實際發(fā)電量與額定發(fā)電量的比值，用于衡量風力機運行穩(wěn)定性和發(fā)電效率，與風電場選址、場地風能資源質量、風力機尺寸、風力機設計性能等因素有關。本研究涉及的風力機容量因子，中國數據來源于《中國能源大數據報告（2022）》公布的全國整體風電利用小時數，2017年以來的歐洲、美國數據來源于歐洲風能協會和美國能源部發(fā)布的相關報告，2017年之前的歐洲數據根據陸上風力機發(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到40%。
中國的風力機容量因子經歷了先增長、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荷分布不匹配、電網跨區(qū)外送能力不高、靈活性電源裝機占比較低，產生了較為嚴重的棄風問題，使風力機容量因子從23%下滑至20%左右。為此，國家不斷優(yōu)化風電產業(yè)布局、出臺措施促進風電消納，使棄風問題有所改善。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%。
歐洲的風力機容量因子在20%~25%內小幅波動，未見明顯變化。這是因為，歐洲風電場選址的風力資源質量普遍不高，舊的風力機數量較多且升級改造力度不足，稀釋了新建風力機對容量因子的提升作用。
美國風力機容量因子的快速提高，主要源于風力機平均比功率急劇下降（即風力機具有更高的能量利用效率）、新建風電場選址的風能資源質量顯著改善、風力機大型化帶來更好的風能資源利用能力。美國針對風電市場份額增長可能帶來更高的棄風率問題采取了有效應對措施，如得克薩斯州新建輸電系統(tǒng)，使2014年的電力市場棄風率僅為0.5%，較2009年的17%大幅下降。2018年以來，美國風力機平均比功率略有上升、風電場選址被動轉向風力資源質量偏低的地區(qū)，導致風力機容量因子小幅下降，但整體上維持在約40%的高位。
（三） 各國電網碳排放因子均降低
本研究涉及的2011—2022年中國電網碳排放因子，根據國際能源機構（IEA）統(tǒng)計的中國電力生產產生的CO2排放總量、中國電力企業(yè)聯合會發(fā)布的中國每年發(fā)電量、生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的相關數據等計算而得。歐洲電網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溫室氣體排放強度。美國的部分數據直接來源于美國國家環(huán)境保護局發(fā)布的溫室氣體排放因子中的電力部分數據，缺失年份的數據同樣利用IEA數據、美國對應年份的總發(fā)電量等進行計算。（見圖2（c））
2011—2022年，中國、美國、歐洲的電網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%。從電網碳排放因子水平看，歐洲具有最清潔的電力生產條件，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構密切相關，中國、美國、歐洲碳排放因子下降與能源結構中碳排放強度更低的能源占比提高有關，相關數據源自《中國能源大數據報告（2022）》、Eurostat Statistics Explained、美國能源信息管理局（見圖2（d））。歐洲電力生產最為清潔，主要原因是一次能源結構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：前者在80%~85%的范圍內波動；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，中國化石燃料構成中以碳排放強度最高的煤炭為主體，煤炭的相應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)風電碳足跡結果及影響因素分析
（一） 主要地區(qū)風電碳足跡的變化趨勢與成因
2011—2022年，中國、歐洲、美國各年度風電系統(tǒng)產生單位電力的碳足跡變化情況如圖3所示。風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、美國的風電系統(tǒng)生命周期內各環(huán)節(jié)的碳足跡分布差異不大（見圖4），主要來自設備生產階段；該階段也是碳足跡下降貢獻最多的環(huán)節(jié)，貢獻度約占75%。設備生產環(huán)節(jié)碳足跡下降的部分原因為，隨著風力機尺寸的增大，單位兆瓦風力機制造需消耗材料的數量整體呈（波動）下降趨勢（見圖5）。
圖3 不同國家和地區(qū)風電系統(tǒng)碳足跡（2011—2021年）
圖4 不同國家和地區(qū)風電系統(tǒng)生命周期內各環(huán)節(jié)的碳足跡分布
圖5 不同尺寸風力機單位兆瓦所耗物質
2011—2022年，中國碳排放強度表現出先下降、后增長、再穩(wěn)定下降的變化過程，相應原因分別為：風力機容量因子上升、風力機平均尺寸（小幅）增長；較嚴重的棄風問題導致風力機容量因子下滑；受國家相關政策驅動，風力機容量因子有所提高并趨穩(wěn)，同時在風力機快速大型化的推動下風電系統(tǒng)碳足跡穩(wěn)定下降。
歐洲的風電碳足跡整體上呈小幅波動變化，近年來緩慢下降。2011—2016年，風力機容量因子保持下降態(tài)勢，風電系統(tǒng)利用的不充分與大型化帶來的減碳效益互相抵消，使得風電碳足跡處于平穩(wěn)波動狀。2016年以來，新裝風力機尺寸快速增大，推動容量因子從20%逐漸上升到24%的水平，使風電碳足跡平穩(wěn)下降。
美國的風電碳足跡以平穩(wěn)態(tài)勢持續(xù)下降。2011—2015年，美國風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，美國的風力機容量因子維持在40%的較高水平，碳足跡主要由風力機大型化驅動，容量因子的下降速度趨于平緩。2020年的風電碳足跡出現微小幅上升，這是因為風力機平均尺寸從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)的風電碳足跡可見，中國因風力機容量因子偏低、早期風力機大型化程度滯后，碳排放一直處于最高水平；隨著中國風力機大型化加速、有效處理棄風問題，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，本研究獲得的風電系統(tǒng)生命周期內碳足跡為6.16~19.32 g/kW·h，而文獻結果為6.57~51.6 g/kW·h，也表明本研究結果處于合理范圍。
（二） 主要地區(qū)風電碳足跡影響因素分析
以2022年的風電系統(tǒng)為對象，對中國、歐洲、美國的風電碳足跡進行影響因素分析，討論風電系統(tǒng)生命周期清單各組分的影響占比、其他因素的影響程度，以識別影響風電碳足跡的主要因素，中國與歐洲、美國風電碳足跡存在差距的關鍵因素。
1. 清單組分敏感性分析
中國、歐洲、美國的風力機技術組成差異不大，各自風電系統(tǒng)生命周期清單中的物質與能量分布相近。以平均尺寸3 MW風力機對應的風電系統(tǒng)為例，分析各類組分對風電碳足跡的貢獻度（見圖6）。鋼、樹脂材料、鋁、混凝土為主要的碳排放來源，合計占比達到82%。其中，僅鋼就貢獻了45%的風電碳足跡，即鋼用量變化10%會導致風電碳足跡結果變化4.5%；樹脂材料具有較高的碳排放因子，對風電碳足跡的貢獻度為18%；鋁貢獻的風電碳足跡占比為10%；混凝土用量雖大，但碳排放因子較低，在風電碳足跡中的貢獻度僅為9%。
圖6 3 MW風力機對應風電系統(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)電網結構、風力機容量因子、零部件替換率、回收處理階段金屬材料回收率4個因素也會影響風電碳足跡?？紤]到清單中的電力不包含鋼、鐵等原材料生產過程的電耗，本研究基于中國、歐洲、美國近年來鋼、鐵、鋁、混凝土、樹脂材料單位產量的電耗水平，并結合電網碳排放因子，對電網結構影響缺失的部分進行補充。
分析結果表明，風力機容量因子的影響程度最高并顯著強于其他因素；除了電網結構，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)風電系統(tǒng)敏感性分析結果（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、鋁材料的生產制造以及電網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參數進行替換，計算的中國風電碳足跡可分別下降6.9%、2.1%；相關數據已低于歐洲碳足跡水平，但與美國仍有顯著差距。這表明，電網與工業(yè)生產清潔化水平偏低是中國風電系統(tǒng)碳足跡略高于歐洲的主要原因，而不是導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力機容量因子偏低。2022年，美國風力機平均容量因子為40%，顯著高于中國的25%。若采用美國的風力機容量因子對中國的相關參數進行替換，計算的中國風電系統(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，風力機容量因子的差距是中國風電系統(tǒng)碳足跡顯著高于美國的主要原因。
五、研究結論與發(fā)展建議
（一） 研究結論
近年來，國際風電產業(yè)快速發(fā)展，優(yōu)勢地區(qū)的風電碳足跡背景參數既有相似的變化趨勢，也有一定的差異性。在風力機尺寸上，中國、歐洲、美國均表現出大型化趨勢，平均尺寸從2011年的1.82 MW提升至2022年的3.87 MW；中國因風電產業(yè)起步偏晚而使早期風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)。風力機容量因子整體呈波動上升趨勢，如美國通過風力機技術提升、風能資源改善、有效控制棄風問題等措施，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、歐洲也呈現風力機大型化趨勢，使容量因子有所提升。在工業(yè)清潔化生產程度方面，中國、歐洲、美國的電網碳排放因子均持續(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。
在上述風電產業(yè)發(fā)展背景下，2011—2022年世界優(yōu)勢地區(qū)的風電系統(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%，相應下降量均集中在設備生產階段。中國通過改善棄風問題、加速風力機大型化等措施，將風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。在風電系統(tǒng)生命周期內，鋼、樹脂、鋁、混凝土等材料的工業(yè)生產清潔化程度以及發(fā)電效率對整體碳足跡影響顯著；當前，中國在風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)生產整體清潔化程度不高、風力機容量因子顯著低于美國水平。
上述結論直觀體現出風力機大型化直接帶來減碳效益、提高容量因子對降低風電碳足跡較為重要，可為國內風電產業(yè)發(fā)展提供直接啟示。然而，綠色低碳成為當前及未來國際產業(yè)競爭的關鍵因素，歐盟碳邊境調節(jié)機制、美國碳關稅等國際氣候機制對工業(yè)產品碳足跡提出了檢測、認證、征稅要求，現有研究無法指導風電零部件出口型企業(yè)應對國際單邊綠色貿易機制。隨著中國風電功能單元碳足跡與發(fā)達經濟體的差距逐步縮小甚至抹平，未來研究需關注將中國風電產業(yè)的比較優(yōu)勢轉化為國際貿易和標準制定中的競爭優(yōu)勢。
（二） 發(fā)展建議
中國是風電系統(tǒng)出口大國，在世界風電市場中的占比較高，如世界60%~70%的相關零部件產自中國；與此同時，中國風電碳足跡與歐洲、美國相比仍具有進一步提升空間。面對未來的碳中和目標、基本明確的碳市場和碳關稅挑戰(zhàn)，中國在推進風電產業(yè)發(fā)展過程中，需著重關注風電系統(tǒng)生命周期內碳足跡降低事項。
一是著重提高風電系統(tǒng)發(fā)電效率。風力機大型化有利于獲得更好的風力資源，在風電應用端合理布局風電系統(tǒng)，根據風能資源分布情況科學規(guī)劃風力機部署，優(yōu)先在風力資源豐富的地區(qū)進行裝機，增加風力機生命周期的發(fā)電量，整體性提高風力機容量因子。加強風力機技術研發(fā)，優(yōu)化風力機性能，提高風能利用效率。在可再生能源滲透率快速提高的背景下，發(fā)布專門政策引導新型電力系統(tǒng)構建，將可再生能源發(fā)電維持在較高的消納水平。
二是加快提高風電產業(yè)的清潔化生產水平。合理規(guī)劃風力機生產端、應用端布局，實施積極的政策引導。在成本可行的基礎上，鼓勵供應鏈優(yōu)先采用碳排放影響更低的材料類型。風力機整機制造商需加快清潔技術應用、零碳技術研發(fā)，逐步減少生產過程中的能源消耗與污染物排放。在風電產業(yè)布局方面，促成產業(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，促進風電產業(yè)鏈碳足跡的進一步降低。
三是支持風電系統(tǒng)退役回收產業(yè)發(fā)展。風電機組運行時間為15~20年，我國首批規(guī)模化開發(fā)的風電機組面臨退役，對風力機機組材料進行回收再利用與后處理，有助于直接碳減排。在政策維度上，提前引導相關回收產業(yè)鏈的布局與建設，保障風電機組退役后相關材料的高回收率，有效實現回收處置階段的減碳效益。
注：本文內容呈現略有調整，若需可查看原文。
