中國儲能網(wǎng)訊：自本世紀(jì)初以來可再生能源得到了快速發(fā)展，這種勢頭在未來幾十年必將持續(xù)甚至加強，從而顯著地改變未來電力結(jié)構(gòu)的同時減少能源消費對環(huán)境的危害。因此，非常有必要研究不同可再生能源部門到底將如何影響環(huán)境。
圍繞能源轉(zhuǎn)型，更具體地說是未來的電力結(jié)構(gòu)已經(jīng)存在許多爭論，尤其是其對本地和全球環(huán)境的影響。2010年，全球僅僅是用于發(fā)電、供暖的化石燃料燃燒產(chǎn)生的溫室氣體排放量就占到總排放量的25%。在確?？沙掷m(xù)能源供應(yīng)的同時，為了應(yīng)對氣候變化，歐盟已經(jīng)制定了2020年“3×20”的目標(biāo)：在1990年水平上減少20%的溫室氣體排放、能源節(jié)約20%、可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比重占20%。最近，歐盟設(shè)置了更為雄心勃勃的目標(biāo):到2030年，實現(xiàn)減少40%的溫室氣體排放量、27%的能源節(jié)約和可再生能源占27%的份額。
雖然一些可再生能源系統(tǒng)在運作階段對環(huán)境有很少或沒有影響，但實際上它們終究還與環(huán)境發(fā)生作用：在生產(chǎn)鏈的上游、制造、下游，以及服務(wù)周期的末端。為了研究不同生產(chǎn)鏈的環(huán)境影響，我們可以生命周期評價（life-cycle assessment）這樣的工具和其他相關(guān)指標(biāo)如能量回收期（energy payback time）來研究不同可再生能源全生產(chǎn)鏈對環(huán)境的影響。
生命周期評價和能量回收期
生命周期評價（LCA）對產(chǎn)品或服務(wù)的整個生命周期對環(huán)境的影響。它將從組件制造到系統(tǒng)本身的使用壽命結(jié)束的每個階段的環(huán)境影響測量值相加。例如，對所有安裝在法國的太陽能電池板，評估將考慮多晶電池在亞洲的生產(chǎn)、面板在德國的組裝和產(chǎn)品在法國的最終安裝整個過程。LCA考察一系列污染物組合和消耗的資源。ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和歐洲委員會為此進行了大量的標(biāo)準(zhǔn)化工作（14040和14044標(biāo)準(zhǔn)）。這種“從搖籃到墳?zāi)埂钡娜孀龇ㄊ欠浅：玫臎Q策和環(huán)境優(yōu)化工具。
這種分析提供的大量指標(biāo)能夠?qū)δ茉瓷a(chǎn)對環(huán)境的直接和間接影響進行定性和量化。影響評估類別包括是否會導(dǎo)致全球變暖可能性、對人體的毒性、酸化、基本能源消耗，以及是否會造成資源枯竭、礦產(chǎn)和化石資源短缺等。
最后一點不容忽視。例如，風(fēng)力渦輪機依靠釹和鏑兩種稀有金屬作為發(fā)電機永磁體。這是個敏感問題：鑒于目前礦產(chǎn)資源需求的增加，2020年左右鏑儲備量將嚴(yán)重短缺。另外一些非常有前途的光伏技術(shù)如CIGS（銅、銦、鎵、硒）也面臨著同樣的挑戰(zhàn)：銦（儲備產(chǎn)量）估計只夠維持20年。
生命周期分析基于各種指標(biāo)。其中，“能量回收期”是一個特別合適用來量化可再生能源的環(huán)保性?？稍偕茉葱袠I(yè)的特點是制造階段能量投資巨大，但使用階段能量消耗較低。能量回收期顯示了一種可再生能源系統(tǒng)釋放與制造其所需等量能量所花的時間。具體的計算方式是，系統(tǒng)制造所需要能量與一年中該系統(tǒng)所提供能量的比值。分母的計算則依據(jù)安裝了該可再生能源系統(tǒng)的國家發(fā)電所需的基本能源消耗量。因此，這樣的計算方法會與所在國家電力結(jié)構(gòu)具體相關(guān)。
舉例來說，下表格是兩張（分別采用單晶硅和多晶硅技術(shù)）在歐洲和中國制造的太陽能板的能量回收時間，其安裝地點為歐洲，峰值功率為3KW。位置非常關(guān)鍵，因為回收時間取決于安裝區(qū)域單位電能的含能量。在歐洲，每度電的平均含能量，是11.4MJ的基礎(chǔ)能源。設(shè)施相同條件下，電能含能量較低的國家，可再生能源的回收期就越長。
要計算這些光伏能源的制造包括所有子系統(tǒng)和運輸?shù)馁M用，需要用到生命周期儲備。在這個例子中，這些在德國和中國制造的產(chǎn)品的生命周期儲備值，是2011年的數(shù)據(jù)，來源為Ecoinvent v2.2數(shù)據(jù)庫。
歐洲光伏板能源回收期 (來源：Mariska de Wild-Scholten, “Energy payback time and carbon footprint of commercial photovoltaic systems,” Solar Energy Materials & Solar Cells, 119 (2013)296-305.)
兩種技術(shù)的能量回收期均短于兩年，歐洲負(fù)責(zé)面板，而中國負(fù)責(zé)晶硅部分。這種“回報期”方法也能衡量“環(huán)保性”。例如，用相同的推理方法來研究可再生能源生命周期的碳足跡：氣候回報期。
基于生命周期分析的電力生產(chǎn)渠道比較研究
用生命周期分析和相關(guān)的回報期指標(biāo)的來定性能源系統(tǒng)，能夠幫助我們比較不同生產(chǎn)方法，進而找到完善的解決方案。它為當(dāng)前圍繞是否應(yīng)該增加可再生能源比例的技術(shù)和社會爭論提供了依據(jù)。
為此，政府氣候變化專門委員會（IPCC）在2011年對一系列有關(guān)碳績效指標(biāo)的科學(xué)論文進行了編纂和研究。這一指標(biāo)比較化石能源（煤、煤氣和天然氣）、核能和可再生能源在整個發(fā)電周期內(nèi)的溫室氣體排放量。研究揭示，每種能源的影響程度，嚴(yán)重取決于當(dāng)?shù)貤l件和能源技術(shù)特點。因此，要為每種能源卻對獨特和絕對的碳績效值是不現(xiàn)實的。這個過于簡單化的解釋只會讓問題變得片面化。
碳績效指標(biāo)的變化范圍凸顯了可再生能源的優(yōu)越性。這是一個關(guān)鍵點。但碳只是其中一個指標(biāo)。其他環(huán)境影響如導(dǎo)致自然資源的枯竭和損害人類健康又如何？僅限于碳性能的指標(biāo)研究，值得被推廣到其他指標(biāo)。
為了促進能源轉(zhuǎn)型的辯論，這些環(huán)境評估必須適當(dāng)?shù)乜紤]各地的技術(shù)具體情況，來比較不同發(fā)電方式，瓜德羅普就是很好的例子。
區(qū)域性生命周期分析
國立巴黎高等礦業(yè)學(xué)校的“觀察、影響、能源”中心進行了一個區(qū)域規(guī)模的“EVALGTHDOM”生命周期分析項目，來衡量未來電力結(jié)構(gòu)對瓜德羅普（Guadeloupe.）環(huán)境的潛在影響。法國政府計劃在2020年達到23％可再生能源發(fā)電的目標(biāo)。其他國家，則將目標(biāo)定在50%，并最終在2030年將實現(xiàn)100%自給。
選擇瓜德羅普島不是巧合。這里有一個地?zé)崮茉磳嶒炇遥翰紦P特中心，法國第一個地?zé)岚l(fā)電站，裝機容量據(jù)稱有15MW。
該研究將2013年時該島的能源結(jié)構(gòu)與三種2030年時的可能情景進行比較，結(jié)合了消費控制和可再生能源推廣的官方目標(biāo)，基于13個指標(biāo)（氣候變化、人類毒性、化石能源消耗減少、酸化、富營養(yǎng)化……），來衡量六種能源的發(fā)電情況：地?zé)帷⑸锬茉矗ǜ收嵩?、甘蔗纖維）、風(fēng)能、光伏、水電、垃圾回收和沼氣：
?用于比較的參考是2013年瓜德羅普島的發(fā)電結(jié)構(gòu)，83%為化石能源，大部分為進口，可再生能源占17%。未來三種情景與之進行比較，來衡量相關(guān)規(guī)劃決策的影響。
?順其自然情景：近年來，能源需求增長，但在發(fā)展可再生能源和加強能源需求管理方面，并沒有采取特殊的努力。
?PRERURE（該島管理者最新提出的能源框架）情景：該框架大力加強了消費控制、推廣可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展（到電力結(jié)構(gòu)的75％）的。目的是促進能源結(jié)構(gòu)的多樣化。這種情況下，地?zé)崮馨l(fā)電到2030年將達到85 MW。
?中間情景：研究專門設(shè)計的一種場景，反映出一種溫和的努力，來一方面控制消費，一番面開發(fā)新能源。這種情景中，地?zé)岚l(fā)電能力將達到45MW 。
在瓜德羅普島發(fā)電系統(tǒng)的生命周期階段包括建設(shè)、能源生產(chǎn)和運輸。電力使用環(huán)境的影響并沒有包括在內(nèi)，也不包括電力的存儲或再循環(huán)過程。在各種技術(shù)細(xì)節(jié)限制之內(nèi)的能源轉(zhuǎn)化技術(shù)的儲備也被編纂就緒。
最終，研究給出了四種代表性環(huán)境影響情況：
?全球變暖潛在性，在當(dāng)前情景和PRERURE情景之間，由于減少化石燃料和煤的使用，每度電的生產(chǎn)所釋放的溫室氣體將顯著減少。
?酸化（由物質(zhì)制造和釋放二氧化硫?qū)е拢┛梢灾苯雍烷g接影響生態(tài)系統(tǒng)（酸雨和土壤浸出）。在所檢視的各種情景中，這種類型影響與全球變暖潛在性的趨勢相同。
?生態(tài)毒性，用CTUe（比較毒性單位，Comparative Toxic Units）表示，是對每單位化學(xué)物質(zhì)在時間和空間上可能影響的物質(zhì)種類的估計。在基準(zhǔn)情景和順其自然情景之間，蔗渣的影響減少，但在發(fā)電能源結(jié)構(gòu)中所占比例保持不變（分別是2.6%和2.3%）。區(qū)別源于農(nóng)藥使用的假設(shè)（在三種未來場景中，三敵草隆已被完全禁止在瓜德羅普島使用）。在后兩種情景中，影響要大些，這是大力開發(fā)甘蔗和甘蔗纖維產(chǎn)業(yè)的直接后果。
?營養(yǎng)富集（氮元素含量）被用來評價對海洋環(huán)境富營養(yǎng)化的可能性。營養(yǎng)富集是營養(yǎng)素積累的過程，并可能導(dǎo)致環(huán)境問題（生物多樣性的喪失、退化）。研究表明這種影響在三種情況下都會急劇下降。這主要是由于降低氮氧化物（NOx）和氨氣（NH4 +）排放的大力舉措，包括在火電廠配備能降低煙氣中85%當(dāng)氧化物排放的脫硝系統(tǒng)。
除了這些結(jié)果，這項區(qū)域能源結(jié)構(gòu)生命周期分析研究構(gòu)成了能源轉(zhuǎn)型辯論的一部分：它首次提供了各種能源的環(huán)境影響評估，根據(jù)不同指標(biāo)而定位出環(huán)境影響最大的能源部門。LCA還揭示出這些不同選擇在環(huán)境影響方面的矛盾趨勢，從而為該區(qū)域的決策者提供了必要參考。
基于這些LCA研究，可以在區(qū)域范圍上設(shè)計一種可持續(xù)的能源發(fā)展：本地資源優(yōu)化（無論可再生與否）以滿足能源需求；對化石燃料、生物能或電力的輸入流進行控制；當(dāng)然還有減輕“環(huán)境性泄露”，如碳泄漏。（張瑩/譯）
原標(biāo)題:如何計算可再生能源的環(huán)境影響
