简短的研究报告的文章

前面。维持。,05December 2022
秒。定量可持续性评估
卷3 - 2022 | https://doi.org/10.3389/frsus.2022.1060130

温室气体和能源回报时间风力涡轮机安装在巴西东北部

莫妮卡卡瓦略 ^*

可再生能源工程系,可替代和可再生能源中心,联邦大学的帕拉伊巴,若昂佩索阿,巴西

作品简介:更进一步比量化环境影响,建立一个风力涡轮机的环境和能源回报时间可以显著影响风电场的规划。本研究生命周期评估方法适用于风力涡轮机和验证它的环境和能源回报时间。

方法:生命周期评估是SimaPro软件开发的,使用Ecoinvent数据库和IPCC 2013 GWP 100 y和能源需求累积环境影响评价方法。生命周期评估考虑的提取原料,生产的零件和碎片,运输、装配、使用、和退役。除了风力涡轮机的材料组成,气象数据也被用来计算风力发电在巴西东北部。能源生产的环境分析和数据被用来计算所需的时间收回能源和排放相比,由于风力发电排放的电网。

结果:风力发电的排放因子是0.0083公斤有限公司₂情商/千瓦时,与消费相关的排放的电力从巴西电力混合0.227公斤有限公司₂情商/千瓦时。考虑能源消耗的生产风力发电机产生的能源回报0.494年,和温室气体会计导致了0.755年的回报。

讨论:结果表明,投资回收期远远低于风力涡轮机的生命周期,凸显出重要的作用在应对气候变化和能源储蓄。生命周期评估和能源与环境的结合回报可以用来衡量可持续发展和部署位置的风能项目的回报时间可以更短。

介绍

发电供应人类的要求一直是现代社会的一个重点。然而,利用自然资源来满足这些能源需求尚未开展可持续整个年(佩雷拉et al ., 2022)。随着新能源转换和供应技术的发展,更好的利用资源,可以实现更高的发电效率。自然资源的有效利用与可持续发展的概念,针对资源消耗,考虑子孙后代的利益(Uysal et al ., 2022)。

在巴西,与数据公布的年度国家能源平衡是指来自不同来源的消费和发电。根据2020年的报告(能源研究公司,2020年版),增加了1.4%的电量占总与前一年相比,可再生能源的一个重要贡献。可再生能源的贡献增长了2.8%,这导致了46.1%的份额在巴西国家可再生能源电力的矩阵。风能生产时比较2019年和2020年增长15.5% (能源研究公司,2020年版),这有利于环境,因为它可以取代电力的生产从其他来源与更高的环境负荷。

风能可以使用低碳电力供应计划和脱碳,在这个转换环境应该是一个领先的技术由于其高性能、高可用性和快速降低成本(Simon-Martin et al ., 2019)。尽管风力涡轮机在操作过程中不产生污染物,对环境有重大影响在生产阶段(部分)制造,建筑和退役(施赖伯et al ., 2019)。此外,风力涡轮机可能影响当地小气候(Stergiannis et al ., 2021)。

减少温室气体(GHG)的排放是一个重要的因素对于一个国家,想要生成能源减少污染。巴西是一个国家一个重要的比例低碳(“干净”)在其能源矩阵(能源研究公司,2020年版),这有助于目标的实现建立在国际协议,如巴黎在2015年签署的协议。此外,巴西国家计划和公共政策以减少温室气体排放和减缓气候变化——前提成立于巴黎协议后。

减少这些环境影响的方法之一是知道所需的组件的生产和建设风力涡轮机和制定一个行动计划最终处置一旦生命周期结束。这些知识可以帮助在选择材料和方法,降低整体的影响。在这种背景下,生命周期评价(LCA)方法可以使用,量化的环境影响和负债产品、过程或活动(Ciacci Passarini, 2020)。

尽管有研究开发验证风力发电机在不同的位置所造成的环境影响(最近的王Teah, 2017;施赖伯et al ., 2019;李et al ., 2021;Teffera et al ., 2021;Garcia-Teruel et al ., 2022),不同的汽轮机配置和不同的结果。一般的结论是有重大环境影响嵌入在施工(生产)和退役阶段的部分。

Kaldellis和Apostolou (2017)回顾了自2000年以来发表的研究和验证,大部分能量回报时间(EPBT,时间生产所需的能量生产和安装)在陆上和海上风力发电场的1年。虽然年平均能源生产值获得,目前尚不清楚是否所有研究综述采用年平均风速数据。总体而言,离岸设施通常呈现EPBTs较低,主要是由于高风速,使一代(千瓦时/年)。

Marimuthu和Kirubakaran (2013)计算光伏和风力系统的环境和能源回报在印度,考虑年度风速值。1.65 MW汽轮机,EPBT 1.12年和温室气体还债的时候了(GPBT,期间系统必须抵消排放嵌入在其生产经营)是50天。Haapala和Prempreeda (2014)分析两个2兆瓦风力涡轮机使用LCA和EPBT,和获得的环境影响主要集中在制造阶段,占78%的影响。EPBT 5.2和6.4个月,年通过估计每年获得了能源生产能力的因素。Dammeier et al。(2019)使用1979年和2013年之间每小时的风速数据,表明欧洲西北部风力涡轮机的GPBT之间不同的1.8和22.5个月。

估计GBPT陆上风电项目的年度平均风速,从6个月到2年不等,但建设森林泥炭地方法6年,仍低于平均寿命的风系统(汤姆森和哈里森,2015)。然而,当预期减少网格排放被认为是,如上所述汤姆森和哈里森(2015 a,b),预计更长的回报时间但应该实现风电场内的一生。预计苏格兰森林泥炭地的风力发电厂建在2022年之后可能不会获得回报,并需要更多的研究来验证如何减少温室气体排放相关的建筑在这些位置。

避免排放通过风能系统的操作通常是通过比较与化石fuel-generated发电厂(这可能导致高估)或与国家电网电力提供的混合。然而,实际上风取代只有边缘上的发电机的操作。汤姆森et al。(2017)提出了一个方法来隔离的边际排放位移风能从历史经验数据,考虑到对经营效率的影响在英国传统电厂的操作。验证,风力发电几乎是在技术上有效需求减少,减少温室气体排放的发电。

LCA强调了Stavridou et al。(2020)当评估至关重要的实际贡献风能系统环保、最重要的参数是EPBT GPBT。两个陆上风力发电机塔,网格塔和管式塔,被调查,提出EPBTs 4和5个月使用相同的能力因素Haapala和Prempreeda (2014)。温室气体排放可能会进一步减少节省材料的基础和塔,这是风的大多数能源消耗组件结构。

尽管上述研究认为EPBT GPBT,很少有同时考虑两个参数。大多数研究采用年平均风速的计算,迄今为止,没人在巴西进行结合LCA +电力预测每日+ EPBT + GPBT风速数据。

每日风速数据被使用在最近的研究中,如在韩国风能预测(金正日et al ., 2022)、西班牙(Collados-Lara et al ., 2022)和巴西(安德拉德et al ., 2021)。本文提供的研究使用日常风速数据预测风力发电和更进一步方向不同结合LCA的结果,提供环境回报为一个特定的位置。

这是第一个研究采用每日风速而不是年度值计算环境LCA开发后的回报。除了温室气体核算,采用累积能源需求(CED)作为一个额外的环境影响评估在LCA方法,量化嵌入到风力发电机的能量。

本文研究的目的是量化能源和温室气体的回报时间风力涡轮机安装在巴西东北部。通过这些指标,可以量化的潜在好处的安装可再生技术,如风能,在达到特定的环境目标。必须强调,虽然可再生能源被认为是低碳,会议具体减排目标取决于当地电力混合流离失所。此外,能源生产也受到气候参数的影响,这将有助于决定最战略位置安装一个特定的能源项目,实现最大或最优能源生产意味着较低的环境回报时间和更高的环境效益。为此,开发一个LCA考虑相关的温室气体排放和能源需求累积风力涡轮机。历史气象资料和技术参数用于计算它的能源生产。温室气体排放和清洁环境指标,评估可再生能源系统的可持续性和环境绩效却没有同时被认为是在一个雷伯氏先天性黑内障。

材料和方法

合并LCA,验证方法量化与产品相关的潜在环境影响(流程、服务或活动)在整个生命周期(Hauschild et al ., 2018)。LCA可以包含的提取原料、生产、加工、分销、运输、使用、维护和最终处置。国际标准化组织(LCA是标准化的国际标准化组织ISO 14040 -,2006年;国际标准化组织ISO 14044 -。,2006年),由四个主要阶段:目标和范围的定义(定义的功能单位——所有的输入和输出都是相关的,它的生命周期,和系统边界),库存分析(关联的物质和能量流列表功能单元),影响评估(环境影响评估方法的选择量化环境负荷),和解释。行业经常使用LCA改善流程、提高效率和降低成本。

SimaPro的LCA开发本软件9.1.1.1 (SimaPro 2020),Ecoinvent (2019)数据库3.6版。雇佣两个环境影响评估方法:我)2013年IPCC GWP 100 y (IPCC-Intergovernmental气候变化委员会,2014年)组织温室气体排放在一个常见的度量,有限公司₂情商,在100年的地平线,和2)累积能源需求(CED)版本1.11(也称为“主要能源消费”),已解决的关键指标之一,lca (Frischknecht et al ., 2015)。CED涵盖初级能源的总量必要的生产、使用和处置产品,基于高加热值(疱疹),包括不可再生化石、核和生物质燃料和可再生(生物质能、风能、太阳能、地热和水电)能量。表1显示了材料组成的风力涡轮机。

表1

表1。风力涡轮机的库存。

文中分析了风力涡轮机是盖姆陆上风力涡轮,G8X模型,与2-MW额定功率,80转子叶片,5027米²扫描区域(Gamesa、2011)。巴西东北部的帕托,安装地点。环境分析包含每一个组件的生产,运输安装地点、安装、启动、维护、和最终退役,废物处理。

关于运输,为基金会,没有运输被认为是。转子,塔,发动机舱,意味着距离公路运输被认为是:转子的700公里,810公里的塔,发动机舱和2860公里。

最终处置的风力涡轮机,它认为所有钢铁回收10%的损失,铜回收5%的损失,而玻璃纤维、PVC、其他塑料,橡胶是填埋。对金属回收,公路运输的平均距离20公里,同时为82.5公里填埋材料运输。

删除网站的基础会导致使用重型设备和机械,这可能导致更多的土壤污染和温室气体排放。因此,它被认为是基础落后,满30厘米的有机土。

每日帕托位置的风速数据获得的气候站(1975 - 2020)(国家气象研究所——NIMET, 2020)。风速数据获得参考10米的高度,由巴西建立标准丁腈橡胶6123 (巴西技术标准协会,1990)。风速必须重新考虑中心的高度,根据方程1 (Stiebler 2008)。

\begin{array}{l} v_{2} (z_{2}) = v_{1} \frac{l n (z_{2} / z_{0})}{l n (z_{1} / z_{0})} & (1) \end{array}

v₂风速在高度吗z₂,这是中心的高度;v₁是一个特定位置的平均风速;z₁是参考高度,速度v₁测量;和z₀粗糙度的长度,每个站点的特点。在此z₂= 80,z₀= 0.02米(CRESESB 2017),z₁= 10米。

涡轮机产生的功率计算与方程2 (Stiebler 2008)。

\begin{array}{l} P = c_{p} \frac{ρ}{2} 一个 v_{2}^{3} & (2) \end{array}

一个是扫描区域(5027²),ρ是空气的密度(1.2公斤/米³),c_p是功率系数(0.5)。提出的方法安德拉德et al。(2021)采用计算能源生产从日常风速数据。

的能源回报(EPBT)是一个操作系统的时间产生的能量是一样的,在其制造、装配、安装、和最终处置。所需的时间重置这个能量平衡方程计算了3。

\begin{array}{l} E P B T = \frac{E_{u 年代 e d}}{E_{年代 一个 v e d}} & (3) \end{array}

E_使用是能量用于生产系统,E_保存一年多的能量生成。

除了EPBT,可以计算出系统所需的时间从风力涡轮机生产减少温室气体排放,温室气体还债的时候了(GPBT),由方程4。

\begin{array}{l} G P B T = \frac{{E 米 我 年代 年代 我 o n 年代}_{l C 一个}}{{一个 n n u 一个 l E 米 我 年代 年代 我 o n 年代}_{一个 v o 我 d e d}} & (4) \end{array}

\begin{array}{l} {一个 n n u 一个 l E 米 我 年代 年代 我 o n 年代}_{一个 v o 我 d e d} = \frac{T u r b 我 n e P r o d u c t 我 o n}{(E F_{e e} - - - - - - E F_{w 我 n d})} & (5) \end{array}

\begin{array}{l} E F_{w 我 n d} = \frac{{一个 n n u 一个 l E 米 我 年代 年代 我 o n 年代}_{l C 一个}}{T u r b 我 n e P r o d u c t 我 o n} & (6) \end{array}

排放_LCA的温室气体排放总量是制造、安装、操作和处理的风力涡轮机(获得吗通过LCA),AnnualEmissions_避免是一年一度的避免温室气体排放的价值,计算之间的区别这一电力消费所产生的排放,从电网和涡轮机的温室气体排放。涡轮_生产在千瓦时的能量产生。英孚_ee指的是这个国家的排放因子的电力消耗(公斤有限公司₂情商/千瓦时)英孚_风指排放因子发电的风力涡轮机(公斤有限公司₂情商/千瓦时)。AnnualEmissions_LCA的值是排放_LCA除以系统的生命周期,考虑20年(王Teah, 2017)。

卡瓦略的方法(卡瓦略和德尔珈朵,2017年)后与消费相关的温室气体排放计算的1千瓦时的电力电网在巴西(EF)。的数据国家电力系统操作员(2020)。第一、15、30天月被用来计算月度平均值,导致2020年的年平均成分电力混合:水力发电的66.67%,天然气占9.28%,风9.15%,甘蔗蔗渣8.25%,核2.79%,煤炭占1.62%,燃油1.55%,太阳能0.69%。

结果与讨论

表2显示了温室气体排放与风力涡轮机系统的每个组件,使用信息表1每个元素和处理过程考虑。每个阶段的能源消耗也所示表2。

表2

表2。温室气体排放/组件和能源消耗在每个阶段。

关于制造、最高的子组件温室气体排放三个叶片,基础,塔的三个部分。

700 t的基础是构成混凝土和25 t铁。根据戈麦斯et al。(2019),具体是一种矿物组成和化学添加剂,水,水泥和大量的温室气体排放负责。大约4%的全球温室气体排放可以归因于水泥、根据安德鲁(2018)。三个部分的塔,也构成了钢铁,有显著的嵌入式排放,作为报告的巴西钢铁研究所(2010):~ 95%的能量用于生产源于固体燃料(主要是煤)。

虽然短舱运输最长的距离,该组件不存在温室气体排放量最高的国家。

对于退役,正值(叶片、鼻子和封面图)所示表2指的是填埋过程。负值引用子组件的回收流程,避免生产新材料尽管消费能源。

“清洁能源列表2更好的代表在图1。转子提出嵌入式能源中所占比例最高。这个结果是相似的马丁内斯et al . (2009),作者解释说,由于转子最重大影响叶片的制造。Alsaleh (2017)报道,塔最高能量的份额,而转子最低,但这可以解释为作者采用的分离主要部分的风力涡轮机,这是采用不同的分离。

图1

图1。清洁能源的主要部分的风力涡轮机。

重新计算后的纠正值每天风速80高度使用方程1,和计算每日与方程2风力发电机产生的电力,月度和年度能源产生的风力涡轮机。图2显示了一个操作的每月平均风力涡轮机发电。

图2

图2。每月平均风力涡轮机发电。

风力涡轮机的年产量是2576 .81点兆瓦时。考虑能源消耗的风力涡轮机的制造(表2,1272 .17 MWh)和方程3收益率EPBT = 0.494年,相当于~ 180天,或2.47%的风力涡轮机的一生。

关于环境的回报,每年排放_LCA= 21284公斤有限公司₂情商/年。因此,英孚_风= 0.0083公斤有限公司₂情商/千瓦时。以下的方法卡瓦略和德尔珈朵(2017)的排放因子从巴西电网电力消耗0.227公斤有限公司₂情商/千瓦时。因此,方程5提供了年度排放_避免= 563653公斤有限公司₂情商超过1年的操作。最后,GPT = 0.755年,大约相当于276天,。

与现有的研究相比,回报的数量级是相似的。兰金et al。(2006)评估一种叫做迅速的风力涡轮机(1.5 kW,中心高度10 m)。这些作者评估了不同的能量生成的值(1-2-3-4 MW)和获得EPBT = 4.20 -2.10 -1.40 -1.05年,GPBT = 3.28 -1.64 -1.09 -0.82年。这些时间比获得的长。不过,作者认为微型可以达到降低碳排放量取代由小型发电机从电网电力的生产在家里(更少的排放与国家电网的建设和维护)。

比较EPBT和GPBT结果与此提出在科学文献中,大多数都是在1年,研究认为是20年的寿命。价值观的差异可能是由于不同的风速,这个国家的电力矩阵安装涡轮机,方法用于分析和个人特征的涡轮机。必须强调的一点是,还有其他的积极作用与存在和继续使用风力发电,并经常被忽视。主要的好处是,风力发电(就像其他可再生电力)稳步减少依赖主流发电(基于化石燃料)。

当把所获得的结果在一个更广泛的背景下,图3显示了风力发电装机容量(MW),在巴西和巴西东北部,2018年和2019年。可以看出巴西东北部拥有大多数的装机容量,提高渗透,证明这个国家正朝着符合巴黎协议和多样化的电力矩阵,因此减少温室气体排放的水平。

图3

图3。风力发电装机容量(MW)在巴西和东北地区。来源:国家电力系统操作员(2020)。

介绍可再生能源发电的环境效益混合电力已经被证明对巴西关于太阳能光伏电(卡瓦略和德尔珈朵,2017年;舒尔茨和卡瓦略,2022)——和风力发电有潜力实现进一步的好处。2015年联合国气候变化大会期间,巴西自愿承诺减少碳排放到2020年(巴西的环境(我)。,2022年)。国家能源平衡(能源研究公司,2020年版)表明,风力发电的装机容量在2020年比2019年增长了6.9%。可再生能源计划的实现降低排放有很大的影响。这可以证明通过比较产生1兆瓦时所需的碳排放量在2015 - 2020年(根据报告提出的能源研究公司):有一个排放减少34%,从137公斤有限公司₂90公斤/兆瓦有限公司₂/兆瓦时。这是一个从12210年可增加到55986妇女和风力产生的能量来源。此外,还有减少不可再生能源的份额从60.6到53.9%。

根据巴西可持续发展工商理事会(BBCSD 2020),2015年的巴黎协议建立签字国都致力于减少全球变暖,这是直接通过各国政府实施的操作来完成。38参与公司的21个巴西或信息水平的排放在巴西(BBCSD 2020)——这个证据清楚地了解服务的改进和操作有一个直接的对环境的影响,和发电的主要地区之一,有一个重要影响因素。

关于巴黎协议,巴西国家决定建立贡献(NDC) 2016年,一个国家承诺使温室气体排放减少37%的目标,到2025年,相对于2005年的排放水平(AdaptaCLIMA 2017)。此外,减少到2030年将达到50%,也比2005年的排放水平,被正式认为是客观的巴西外交部(MFA) (2021)和国防委员会的官方文档发送到公共注册中心通信的签字国巴黎协议(国家确定的贡献,2016年,2022年)。巴西也将在2050年达到气候中立的“客观”(戈麦斯和罗德里格斯,2020;国家确定的贡献,2022年)。

同时,在官方(2016年国家确定的贡献)出版,巴西打算增加可再生能源在能源的份额矩阵高达45%,到2030年,包括扩大可再生能源(水电)28日到2030年的30%。国内非化石能源的使用也将增加至少23%,采用风能、生物质能和太阳能。

2009年,国家也提出了国家气候变化政策,计划和行动来减轻和适应气候变化,按照2015年的约定。一些措施包括森林砍伐控制、能源扩张,钢铁行业的减排,低排放在农业和制造业,减排温室气体的运输和移动部门,卫生部门和缓解温室气体的(2016年巴西科技部)。

与所有这些计划和协议签署的巴西,这个国家正朝着更好的能源管理减排和实施公共政策,鼓励使用可再生能源来实现这些目标。

关于与热相关的温室气体排放在备用发电机备份,它被认为是这里所有的能源发电技术(如煤炭、天然气、核能、风能、太阳能)必须由其他发电机与类似的备份支持需求。因此,相关的温室气体排放是最小的(国家可再生能源实验室(NREL, 2013年;Broeer et al ., 2018)。

风力发电,其特点是低的嵌入式能源和更高的转换效率,正变得越来越受欢迎。同时,不同选项的能量转换和供应系统正在开发中,激励能源回报和环境性能的进一步研究每种技术。环境评估这类通常经过深入分析的风力资源开发潜力,应调查地区风力发电的短期渗透(如Nedaei et al ., 2018)。绿色标签可以进一步激励减少温室气体排放。这些激励措施在聚光灯下,因为他们加强可再生能源项目的可行性,是优秀的替代品在风能的投资项目,可以出售,物物交换或交易(Nedaei et al ., 2020)。

最后,尽管众所周知,风力发电是低碳选择,考虑风力发电厂的安装应包括电力的生产在整个项目的生命周期。EPBT和GPBT可以影响技术类型、效率、风速、和电混合电力生产中使用的材料(或部分)。G我venthe importance of climate change, A case point is made herein to adopt GPBT to complement viability assessments, emphasizing the time required to recoup the emissions due to wind electricity compared to the emissions of the electricity grid.

虽然传统能源政策采用经济回报协助决策过程,环境回报EPBT和GPBT等可以提供一个生命周期方法,是有价值的促进讨论的改善策略。基于给出的结果在此,可以检测不同位置安装风力农场和排名GPBT的基础上。排名结果显示的地点(新的,改进的)政策可以用来提供环境效益。地点的选择较短EPBT和GPBT将实现更多环境效益相比,直接从电网消耗电力。

结论

风力发电的环境性能通常是由生命周期评估(LCA)。对环境的影响取决于材料和能源的数量和类型用来构建和维护风力涡轮机,在其生命周期中产生的电力,也在当地电力所取代。这是第一个研究报告能源投资的回报时间(EPBT)和温室气体还债的时候了(GPBT)巴西东北部的位置,结合LCA和电力预测每日风速数据。

考虑能源消耗的制造风力涡轮机产生EPBT = 0.494年(~ 180天,或2.47%的风力涡轮机的一生)。风力发电的排放因子是0.0083公斤有限公司₂情商/千瓦时,与消费相关的排放的电力从巴西电力混合0.227公斤有限公司₂情商/千瓦时。GPBT为0.755年(相当于276天)。结果表明,投资回收期远远低于风力涡轮机的生命周期,EPBT的重要作用和GPBT在应对气候变化和能源储蓄。

LCA的结合,EPBT GPBT可以用来衡量可持续发展和部署的风能项目位置和短EPBT GPBT。尽管增加能源和环境方面与风力发电相关的研究在巴西,缺乏研究EPBT GPBT。

扩展研究风能是至关重要的,如数据收集更多的巴西东北部城市扩张。LCA的结合,EPBT和GPBT可以提供针对特定地区的环境影响的预测风力涡轮机。通过这种方式,它实际上可能分析和量化减少温室气体排放的潜力及其风力发电能力。进一步精炼的风速数据,采用每小时的速度,可以测试来验证年度能源生产的潜在改善精度值,导致更精确的回报。

数据可用性声明

最初的贡献都包含在本文的研究中,提出进一步调查可以针对相应的作者。

作者的贡献

所有作者列出了一大笔,直接和知识贡献的工作,批准发布。

资金

作者要感谢的支持国家科学和技术发展委员会(巴西)、生产力格兰特309452/2021-0,和科学启蒙奖学金(PIBIC)在联邦大学的帕拉伊巴(UFPB)。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

引用

AdaptaCLIMA。(2017)。国际协议和公共政策。网上:http://adaptaclima.mma.gov.br/acordos-internacionais-e-politicas-publicas(2022年11月10日通过)。