基于全生命周期评价的企业自备电厂碳足迹研究

基于全生命周期评价的企业自备电厂碳足迹研究

王喜，刘敏

中国轻工业长沙工程有限公司

摘要：随着碳排放及碳交易政策的实行，碳足迹分析作为一种全新的评价碳排放影响的方法，从生命周期的角度揭示不同研究对象的碳排放过程，具体衡量某种产品或活动全生命周期过程中直接和间接相关的碳排放量，为探索合理有效的温室气体减排途径提供科学依据。文章对碳足迹的定义、计算方法和步骤进行了阐述，并以某造纸企业自备电厂为例，研究了其在全生命周期中的碳足迹，计算结果表明火力发电机组降低运营阶段的碳足迹，尤其是降低单位产品能耗是推动企业碳减排的必由之路。

关键词：碳足迹、生命周期评价、自备电厂

随着碳排放政策的实行，造纸企业面临着巨大的节能减排压力，自备电厂是其碳排放和产生的重要环节，本文将以某造纸企业的自备电厂为例，对其进行碳足迹评价，以期为企业制定能源结构和工艺水平优化提供科学基础和定量评价依据，从而降低全厂碳排放量，实现企业的可持续发展。

1、碳足迹及生命周期评价理论

1.1碳足迹的定义

“碳足迹”的概念起源于20世纪 90年代初提出的“生态足迹”[1]，“生态足迹”指在给定人口和经济条件下，维持资源消费和吸收废弃物所需的生物生产性土地面积。碳足迹主要是指一个人或某项活动在生命周期中直接或间接排放的与气候变化相关的气体总量。近年来，随着全球气候变暖加剧，碳足迹已作为碳排放量的一种公认度量依据，逐渐引起各界的广泛关注。

但目前各国学者对于碳足迹的准确定义目前还没有完全统一，争议的焦点主要在于碳足迹的研究对象是CO2的排放量还是所有温室气体的排放量。随着各界对气候变化影响因素研究的深入，大量结果表明甲烷、NOx等温室气体虽然排放量相对较小，但其对于全球气候变暖有着不可忽视的影响。因此，本文采用碳足迹是活动主体（包括个人、组织、部门等）在一项活动(或一种服务)进行的过程中直接或间接产生的CO2或其他温室气体排放量，或是产品的生命周期各阶段累计产生的CO2或其他温室气体排放量用CO2等价表示[2]。

1.2碳足迹的计算方法

目前碳足迹的计算方法主要有两种：投入产出法与生命周期评估法。投入产出法主要通过编制投入-产出表，建立相应的数学平衡方程，来计算在整个产业链中各个部门因生产产品或提供服务而产生的温室气体量，主要反映了在经济系统中，产业间各部门、各生产活动之间投入-产出的依存关系。投入产出法具有综合性，主要应用于宏观分析。

生命周期评估法(LCA)即以过程分析为基本出发点，通过生命周期清单分析得到所研究对象的输入和输出数据清单，进而计算研究对象全生命周期的碳排放，即碳足迹；生命周期法(LCA)是评价一项产品或活动从“摇篮到坟墓”的整个生命周期内，所有阶段的投入与产出的环境影响。LCA主要用于微观分析，目前已被国内外广泛认可并应用。

1.3生命周期评价理论

生命周期评价是以物质流和能量流守恒为基础的理论，是一种用于评价与生产过程相关的对环境影响的技术。通过确定和量化与评估对象相关的物质消耗、能源消耗和废弃物排放，来对某一产品、过程或事件的寿命全过程中各环节的环境影响进行分析，包括原材料的提取与加工、制造、运输和销售、使用、再使用、维持、循环回收，直到最终的废弃。

2、生命周期评价碳足迹计算过程

2.1建立进程图。

将整个生命周期中所涉及的原料、活动和过程尽可能详细的列出，以保证评价过程的完整性。

2.2确定边界和优先项

系统边界的确定可根据碳足迹评价的预期用途的不同而不同。研究范围的确定需保证研究广度、深度和目标要求一致，以确保满足研究目的，一般包括功能单位、系统功能、时间范围、影响评价范围、数据质量要求等的确定。尽管系统边界的确定随目标不同而区别很大，但必须反映出资料收集与影响分析的根本方向，即满足清单分析和影响评价要求。此外，LCA研究是一个反复的过程，在研究过程中，可能须修正预先界定的范围来满足研究的目标，在某些情况下也可能修正研究目标本身。

2.3数据收集及整理

数据收集过程中，可能涉及多家供应商和文献、 报告、 数据库等，通常的做法是根据所确定的研究目标和系统边界，将研究系统拆分成若干个单元过程。然后根据各个单元过程本身的特点从资源、能源消耗等方面进行相关数据收集。

碳足迹计算所需数据分为活动水平数据和排放因子。活动水平数据是指产品生命周期中涉及到的所有材料和能源消耗数量，排放因子是指单位活动水平数据排放的CO2等价物。

产品碳足迹评价宜使用能尽可能降低偏向性和不确定性的具有最高质量的数据。数据的质量应从定量和定性两个方面来衡量，衡量时宜涉及数据的以下方面：时间覆盖面、地理覆盖面、技术覆盖面、准确性、精确性、完整性、一致性、可再现性、数据来源、信息的不确定性。

实际工业生产过程中，基本不可能仅采用单一材料或产出单一产品，因此在研究过程中，必须按照某一分配系数将物耗、能耗和环境排放等合理地分配到各个产品中，尽可能客观地反映系统的环境行为。

2.4碳足迹的计算

在碳足迹的具体计算之前，需对整个系统建立质量平衡方程，确保所有物质和能量的输入、输出及累积达到平衡，再根据质量平衡方程，计算系统生命周期内各阶段的碳排放，计算公式为：

式中：E—碳足迹；

Qi—i物质或活动的活动水平数据；

Ci—单位排放因子；

2.5结果分析

结果分析即对产品生产全生命周期各单元过程的碳足迹进行分析，揭示企业内部不同类产品、不同部门和不同活动的温室气体排放总量，为调整企业产品结构、提高管理水平提供指示和依据，帮助企业制定科学有效的减排策略，并对供货商的选择、原料的使用及产品的设计与制造等环节时做出更加合理的决策，从而达到减排的目的。

3、某造纸企业自备电厂生命周期评价

以某造纸企业自备电厂火力发电机组为研究对象，其生命周期的系统边界包括生产建设、组件运输、发电运营、废弃处置等4个阶段，运用生命周期评价方法同时考虑整个系统上游和下游的污染物排放，计算全生命周期内各个阶段的 CO2 排放量。表1 为火力发电机组的主要参数，其燃料分析如表2所示，该机组生命周期评价中单位产量主要耗材的 CO2 排放数据见表 3[3].。生产建设过程中主要考虑锅炉、汽轮机发电机组等大型设备安装制造过程中CO2排放量，所需耗材数据见表4。在计算过程中，生产建设阶段忽略了煤炭开采、洗选阶段的能源消耗及大气、固体废弃物的排放；组件运输阶段主要考虑钢铁和水泥等基建材料的运输；发电运营阶段主要涉及燃料、水、压缩空气等的消耗，运行阶段主要物料消耗数据详见表5；废弃处置阶段主要考虑钢铁的运输与处理过程中能源的消耗。

表1 火力发电机组的主要参数

表2 设计燃料的元素分析和工业分析

表3 单位产量主要耗材的CO2排放量

表4 电厂建造所需耗材数据

注：数据来源于施工图。

表5 电厂运行阶段物料消耗数据

注：压缩空气单位为Nm3。

4、结果与分析

某造纸企业自备电厂火力发电机组在生命周期各阶段的碳足迹如图1所示。在电厂建设阶段，火力发电机组的碳足迹为3.19g/(kW.h)；在组件运输阶段，由于设备众多，从而单位发电量的碳足迹也不低，为2.25g/(kW.h)。在发电运营阶段，火力发电的碳足迹为128.4g/(kW.h)。在废弃处置阶段，发电机组的碳足迹为0.379g/(kW.h)。由图可知，火力发电的碳足迹主要表现在运营阶段，占比为95.66%，该阶段火力发电烟气中含有大量CO2，从而在生命周期内该阶段碳足迹占比最大。为了改善碳排放的现状，主要需在生产运营阶段降低火力发电的CO2排放量。

图1 火力发电机组生命周期各阶段碳足迹

5、结语

本文基于生命周期评价法，对某造纸企业的自备电厂进行了碳足迹的核算，为达到减排的目的，火力发电厂应着重注意降低运行阶段的碳排放量，从而减小对环境的影响。

碳足迹分析方法从全新视角计算与评价碳排放，对正确而全面的评估温室气体效应具有十分重要的现实意义。国内外学者从不同角度研究了碳足迹的定义、计算方法以及研究案例，使碳足迹研究取得了一定的进展，但我国的碳足迹研究还任重而道远。

参考文献：

[1] Rees W E. Ecological footprints and appropriated carrying capacity: what urban economics leaves out[J].Environment and Urbanization,19922:121-130.

[2]柯水发.北京市碳足迹影响因素、削减潜力及低碳发展策略研究[M]北京:人民日报出版社2015.

[3]电力规划设计总院。火电工程限额设计参考造价指标(2011 年水平) Z.北京:中国电力出版社，2012:136-139.