中国政府世界银行全球环境基金中国可再生能源规模化发展项目“基

基于农林类生物质资源发电技术的全生命周期综合评价——方法学的选择-1-中国政府/世界银行/全球环境基金中国可再生能源规模化发展项目“基于农林类生物质资源发电技术的全生命周期综合评价”的咨询服务项目报告2：评价农林类生物质资源发电技术的方法学选择提交单位:中国科学院广州能源研究所项目负责人:赵黛青联系电话:[phone]Email:[e-mail]二〇〇八年五月基于农林类生物质资源发电技术的全生命周期综合评价——方法学的选择-2-目录1.评价什么......................................................................................31.1问题的提出..............................................................................31.2问题的描述与解决思路.........................................................52.选择评价方法.............................................................................92.1关注问题、解决问题的思路的特点.....................................92.2生命周期评价方法适合解决问题的思路...........................102.3扩展应用生命周期评价方法...............................................10基于农林类生物质资源发电技术的全生命周期综合评价——方法学的选择-3-评价农林类生物质资源发电技术的方法学选择1.评价什么1.1问题的提出在选择评价方法之前，首先明确对农林类生物质资源发电技术评价什么？评价问题的提出如图1所示，阐述如下:1)农林类生物质资源发电的发展驱动力是气候变化和能源供应两大问题，希望生物质发电能实现：减排温室气体，提供绿色电力。因此，评价生物质发电技术的思路为：温室气体的减排效果；是否满足实现发电的必要条件。2)生物质发电的温室气体减排效果，现状是：因为生物质发电存在碳循环，同煤电比，大大减少了CO2排放，但从生命周期角度来看，生物质发电CO2净排放不为零。因此，提出问题：生物质发电CO2净排放为多少？3)实现发电的第一个条件是技术可行。现状是：农林类生物质资源发电技术有直燃、气化、混燃三种，不但技术可行，而且在国内都有商业化的实际应用。因此，评价的问题不是技术是否可行，而是这三种技术路线的比较。4)实现发电的第二个条件是资源有保障。现状是：农林类生物质资源的供应量是充足的，一般来说，同一类技术中发电规模越大，发电效率越高，单位发电量消耗原料越少。可对于生物质发电，发电规模不能因为有足够的生物质资源乐观地扩大，因为，生物质发电规模越大，需要的原料越多，收集半径越大，原料成本越高，发电成本也越高。因此，提出问题：规模化发展生物质发电中，生物质资源、发电规模、发电成本相匹配的问题。5)实现发电的第三个条件是发电盈利而且环境代价小。现状是：生物质发电成本高，和煤电比缺少市场竞争力；从生命周期角度看，生物质发电除了能大大减少CO2排放，还是要消耗资源、能源，还是有环境排放。因此，提出问题：那些地方可以节能降耗、降低成本？发电1kWh付出的代价：消耗了多少资源、能源？存在怎样的环境排放？基于农林类生物质资源发电技术的全生命周期综合评价——方法学的选择-4-图1评价农林类生物质资源发电技术——问题的提出基于农林类生物质资源发电技术的全生命周期综合评价——方法学的选择-5-1.2问题的描述与解决思路1.2.1问题1：评价CO2减排效果评价生物质发电的CO2减排效果，需要与其它发电方式做比较，可以同常规的化石能源发电技术，如煤电；可以同可再生能源发电技术比较，如风电、太阳能热发电；也可以是生物质发电不同的技术路线之间的比较，比较都需要用到指标：CO2排放/kWh。对生物质发电，CO2排放/kWh≠0。评价CO2减排效果指标——CO2净排放/kWh，为相关过程化石燃料产生的CO2排放总和，见图2所示。生物质发电过程燃烧释放的碳是生物质生长过程光合作用吸收的碳，所以生物质发电存在碳循环，和煤电相比可以大量减少CO2的排放。但是，为了实现生物质发电，需要种植、收获、运输生物质、建生物质发电厂、运行电厂，这些过程都需要消耗化石燃料，所释放的CO2是为了实现生物质发电产生的，所以从生命周期角度来看，生物质发电CO2净排放不为零，等于相关过程化石燃料产生的CO2排放总和。图2生物质发电的减排CO2问题描述1.2.2问题2：技术路线的比较解决技术路线的比较问题，主要是确定评价指标，评价指标见表1，表格中各指标的值将在解决其它问题时均可以获得。基于农林类生物质资源发电技术的全生命周期综合评价——方法学的选择-6-表1农林类生物质资源发电技术路线的比较指标考核指标技术路线发电成本化石资源投入回报率温室气体减排其它环境影响酸雨光化学烟雾水体富营养化人体健康毒害占用土地元/kWhkWh/MJkgCO2当量/kWhkgSO2当量/kWhkgC2H4当量/kWhkgNO3－当量/kWhkg人体重/kWhkg固废/kWh直燃发电玉米秆棉花杆小麦杆和水稻杆沙柳气化发电稻壳混燃发电秸秆混合比80%1.2.3问题3：资源、成本、发电规模的匹配实现生物质资源、发电规模、发电成本相匹配，即生物质的收集量要满足发电需求，原料成本又要满足发电成本经济可行的要求。资源、成本、发电规模及相关因素之间的逻辑关系阐述如下：基于农林类生物质资源发电技术的全生命周期综合评价——方法学的选择-7-图3生物质发电的资源收集问题描述1)依据运输成本最小化原则，电厂收购生物质燃料会由近到远向四周扩张，生物质电厂的发电规模决定收集范围，简单表述为：发电规模(MW×h/a)→原料需求量（t/a）→收集范围（πR2）；2)对每吨生物质燃料，原料成本（元/t）＝收购成本（元/t）+装卸成本（元/t）+运输成本（元/t）+存储成本（元/t），只有运输成本是收集半径的函数：()()()2202mt运费2t/RkmtrrdrmtRππ×⋅×××=∫单位面积生物质收集量元单位面积生物质收集量）运输成本（元3)原料成本对发电成本的影响，通过公式转化：原料成本（元/kWh）＝原料成本（元/t）×发电消耗原料（t/kWh）；评价资源、成本、发电规模的匹配问题，就是通过分析以上参数的计算结果实现。1.2.4问题4：那些地方可以节能降耗、降低成本？发电1kWh付出的代价：消耗了多少资源、能源？存在怎样的环境排放？分析节能降耗、降低成本，解决思路为理清生物质发电的能源流、资金流。图4列出了生物质发电能量投入产出的种类，评价的依据就是这些参数的量。图5描述了生物质发电成本构成，同样，各个成本的量是评价的依据。基于农林类生物质资源发电技术的全生命周期综合评价——方法学的选择-8-图4生物质发电能量投入产出问题描述图5生物质发电成本构成描述基于农林类生物质资源发电技术的全生命周期综合评价——方法学的选择-9-评价生物质发电付出的代价，包括对地球资源的消耗和环境影响2个方面。如图6所示，评价依据图6所列参数的量。图6生物质发电的代价问题描述2.选择评价方法2.1关注问题、解决问题的思路的特点评价所关注的问题、解决问题的思路具有以下特点：1）对农林类生物质发电技术，关注问题不仅是技术经济性，还关注它的能源效率、环境效益和环境影响；2）关注问题涉及的范围是农林类生物质发电的全生命周期，从生物质的种植一直到生物质燃烧发电，它的环境影响还包括了相关的上游生产过程和废物处理过程；3）解决问题的依据是量化的数据与评价指标。基础数据可分为三类：能量流、物质流、资金流，针对每个关注的问题，基于这些数据，建立相应的评价指标，作为评价结论的数据支撑。基于农林类生物质资源发电技术的全生命周期综合评价——方法学的选择-10-2.2生命周期评价方法适合解决问题的思路生命周期评价（LifeCycleAssessment，LCA）是一种能科学、系统地涵盖整个生命周期来评价系统的环境影响的研究方法，它首先通过辨识和量化所使用的物质、能量和对环境的排放，然后评价这些使用和排放的影响。评价包括产品或行为的整个生命周期，即包括原材料的采集和加工、产品制造、产品营销、使用、回用、维护、循环利用和最终处理，以及涉及到的所有运输过程。在1997年颁布的ISO14040标准中，LCA的实施步骤分为目标和范围定义、清单分析、影响评价和结果解析4个部分，见图7。图7LCA的实施步骤示意图目标和范围定义就是对生命周期评价研究对象与目的给予明确；清单分析是对产品或过程在生命周期内的能流、物流，水、空气、固体废弃物排放的量化过程；由清单分析得到的量化结果，影响评价再进行环境影响、人类健康影响方面的研究分析；改进评价将提出减轻环境负担的解决办法。因此，生命周期评价方法适用，而且在实际应用中，生命周期评价方法得到了扩展。2.3扩展应用生命周期评价方法LCA最初的应用是对某种产品系统或行为相关的环境负荷进行量化评价的过程。它关注的环境影响包括生态系统健康、人类健康、资源消耗三个领域，不关注经济或社会效应。此处应用生命周期评价方法，将它扩展到也关注经济成本、能源效率问题。对农林类生物质资源发电的代价问题，完全应用生命周期评价方法；对能源效率、经济成本核算问题，应用生命周期清单分析方法，增加了能源效率的分析、资金流的数据收集和分析。具体应用的方法有以下几个方面：基于农林类生物质资源发电技术的全生命周期综合评价——方法学的选择-11-1）目标范围确定方法明确研究目标：明确开展该项研究的理由、应用意图、沟通对象，依据研究结果将做何决定，需要什么信息，达到何种细节水平。确定研究范围：明确描述生物质发电的系统边界、评价指标类型、功能单位、假定的条件、限制条件、原始数据要求等。系统描述：将生物质发电生命周期描述为联系起来的单元过程的集合。包括单元过程、通过系统边界的输入、输出的基本流和产品流以及系统内部的中间产品流。单元过程之间通过中间产品流和（或）待处理的废物相联系，与其他产品系统之间通过产品流相联系，与环境之间通过基本流相联系，系统环境既是产品系统原料与能源的源，又是其产品和排放物的汇。目的与范围的确定为开展研究提供一个初步计划。2）清单分析方法清单分析是关于所研究系统的输入和输出数据清单。清单分析开始于原材料获取，结束于产品的最终消费和处置，它对产品、工艺或活动在其整个生命周期阶段的资源、能源消耗和向环境的排放（包括废气、废水、固体废物及其它环境释放物）进行数据量化分析。通过清单分析，可以识别产品系统中哪些是能量和原材料消耗最多、排放最突出的单元过程。生物质发电系统的单元过程包括农作物的种植、秸秆获取、秸秆运输至电厂、生物质在电厂的预处理、发电，废物回收利用过程，电厂建设过程包括设备、厂房建设过程。单元过程通过能源供应、公路运输、设备提供、物资供应的关系相互关联，所有的过程同环境之间通过能量、资源以及向水、大气、土地排放相联系。因此，数据收集包括：资金流：生物质种植成本构成、收集运输成本构成、电厂经营成本构成；能量流：一次能源消耗，二次能源消耗，电力产出，能源转化效率；物质流：钢、铁、铝、水泥等物资的消耗；向水体、大气、土壤的环境排放。数据收集途径主要有：①从公开文献中直接获取或通过计算得到；②结合数据获取背景借鉴和采用现有生命周期分析数据库和知识库；③从与各单元过程有关的生产现场、制造商、实验室、政府和其它机构自行收集。3）评价分析方法基于农林类生物质资源发电技术的全生命周期综合评价——方法学的选择-12-评价分析是根据清单分析中所提供的物料、能源消耗数据，成本数据以及各种排放数据，对生