当下中国经济社会发展对能源利用与生态保护施加极大压力。为解决能源资源和环境挑战，中国已经明确提出低碳能源发展战略和目标，到2020年风电装机容量达到2亿kW，2050年达到10亿kW并满足17%的电力需求^[1]。风电已经开始并将继续成为实现低碳能源战略的主力能源技术之一。尽管风能是取之不尽用之不竭的天然资源，但人类对于风能的开发利用方式存在一定弊端，间接影响着生态环境。

经过近 30 年的发展，生命周期评价已发展成为系统评价产品(材料)或活动(服务)的环境影响和环境管理的重要工具。同时，关于风电场的生命周期分析也已从不同视角广泛开展。王晓天^[2]指出风电场产电过程本身并不排放污染物和温室气体，但风电设备从原材料开采到设备的报废处理整个过程中，需要消耗一定的能量，在评价其对环境的影响时，必须考虑偿还这部分能量所产生的大气污染物的排放。Pehnt等^[3]认为利用风能发电可以减少碳排量，相比传统能源降低发电过程对于自然环境的影响，对于制造建设阶段消耗的能量与污染气体排放，仅需12个月左右的运营时间即可完成偿还。Yang等^[4]考虑风电机组部件、变电站、运输过程、建筑建设工程、运营维护和拆解处置6个部分，对风电场的不可再生能源消耗量及温室气体排放量进行全过程分析，发现67%的温室气体排放来自建筑建设，30%是由于风机制造，而运营维护温室气体排放仅占3%，Ardente等^[5]对意大利风电场的环境影响及效益分析也得出类似结论。而部分研究则认为风电机组的生命周期环境影响占整个风电场生命周期过程最大^[6,7]。郭敏晓^[8]核算得到风机生产阶段耗能和CO₂排放占风电场生命周期总耗能及CO₂排放比例最大，分别为68.23%和67.18%，因此可用风机全过程的排放代表风电场总排放进行建模。对于风机制造这一耗能排碳重要阶段，对叶片、变速器及零件的回收再利用将有效减少其能耗^[9,10]。在风机制造与运输部分，若调整风机制造厂的供电能源，或风电场选址考虑临近风机制造厂或重要配件制造厂，则可有效减少风机制造相关的能耗与碳排放^[11]。

由于系统边界设定、研究阶段的差异，导致当前对风电场的LCA分析中，潜在能源消耗并未全部体现出来^[12]。本研究意在同时向前和向后延伸传统风电LCA研究的系统边界：考虑风电场占用土地为风电场所必须获取的一种原材料，因此系统边界向前延伸至“农田破坏”过程，该过程获得“建设用地”；而建设风电场损坏了原有植被，需要进行后续修复过程，因此系统边界向后延伸至“草地恢复”过程，该过程恢复“建设用地”。由此，将“农田破坏”与“草地恢复”都纳入风电场建设的生命周期过程，综合考虑该风电场建设前后植被破坏及恢复引起的植被碳汇影响，并对安徽某风电场进行案例研究，更加合理地核算风电场的碳排放。

安徽某风电场位于城镇交界处的低山上，装机规模为48 MW，拟安装单机容量2000 kW的风电机组共24台。年理论发电量127.28 GW · h，年上网电量95.97 GW · h。该风电场距城区直线距离约20 km。工程永久征地总面积为0.23 km²，临时征地总面积为0.17 km²。

本文将案例风电场以下3阶段(图1)中各项目涉及的温室气体排放量，并最终转换到碳排放量上进行总碳排放量核算与讨论。

图1 风电场系统边界 Fig.1 System boundary of wind farm

图选项

建设期包含3部分：植被变化、建设工程、运输工程。

植被变化：风电场建设将对原有土地开发，影响当地植被状况与固碳能力。本研究使用相应植被固碳值核算风电场21a生命周期内，由于电场建设造成的农田损失与建后植被恢复固碳量变化引发的碳排放量。

建设工程：建设工程分为两部分，其一为生产阶段，其二为建设阶段。生产阶段指风电场建设过程中需要的设备及建材的生产过程，其中包括风机材料、基础工程建设需要的建筑材料，以及线路安装工程使用的线材等。本项目使用的是2 MW风机，共24台，根据2 MW风机规格，可列出风机制造所需材料种类及总质量(表1)。基础工程建设包括发电设备基础工程、变配电工程及房屋建筑工程，主要是用到较多的混凝土和钢筋。线路安装工程包括电缆敷设、架空线路、配电装置、无功补偿系统、监控系统、直流系统和远动系统的配置安装等，这些工程会用到不同材质的母线、电缆和光缆。

建设工程部分使用的材料及能源在其生产或使用时均会产生温室气体排放，在计算时只考虑CDM中规定的温室气体：CO₂(二氧化碳)、CH₄(甲烷)、N₂O(氧化亚氮)、HFCs(氢氟碳化物)、PFCs(全氟化碳)、SF₆(六氟化硫)，其中与工程相关的有CO₂、CH₄和N₂O。其中排放1t CH₄相当于排放21 t CO₂，排放1t N₂O相当于310 t CO₂^[14]。根据不同能源及材料的使用量及排放因子(表2)，可以计算出建设工程整个过程中的碳排放量。

项目建设期需要运输的主要是各种机械设备及基础工程所需的建设材料，如风机设备、变压器设备、线路材料及建筑材料。将每种材料的质量及距离的乘积加和，就可得到总的运输量。对于大型运输车辆，由于柴油提供的马力大，运输效率较高，所以一般使用柴油。对车辆运输能耗以柴油计算，单位能耗采用0.06 L/tkm。在本研究中，考虑风力涡轮机、变压器、线路材料、混凝土和钢筋的运输，其中前三者以风电场与最近的风力发电机公司之间的距离计算，约449.3 km；而混凝土及钢筋在当地可买到，距离以20.5 km计。

建设期包含3部分：植被变化、建设工程、运输工程。

植被变化 风电场建设将对原有土地开发，影响当地植被状况与固碳能力。本研究使用相应植被固碳值核算风电场21a生命周期内，由于电场建设造成的农田损失与建后植被恢复固碳量变化引发的碳排放量。

运营期 风力发电机发电过程可认为极少排放或不排放温室气体。为维持风电场机械设备的运转及工作人员的日常生活，需要消耗一部分能源。在风电场运行期生产性建筑物的能源主要是电能。本项目所建风电场运行期间主要建筑及电气设备有：风电场照明系统、通风空调系统、一次、二次、通讯设备等负荷；电气设备电能损耗主要产生在集电线路、主变压器、箱式变电站、厂用变压器等。为了便利使用及稳定运行，风电场自身用电由国家电网提供，国家电网主要由火电提供，所以风电场运行期由于电能消耗产生的碳排量由火电决定，即以火电的CO₂排放因子0.81 kg kW^-1 h^-1计算。

报废期 本项目风电场拟运营20a，正好符合风力涡轮机规定使用年限，所以可认为在20a内不更换或废弃各种设备材料。运营期结束后，大量材料废弃并进行处理时仍可能产生温室气体。部分材料可进行回收利用，所以在总的碳排放量中需减去回收的部分。

根据风电场可行性报告，风电场所占地原为农田，由于风电场的建设运营，该地将减少21a的农田水平固碳量。建设期过后，在临时征用土地上进行植被恢复，恢复后为草地。忽略草生长时间，本文按运营期20a计算恢复植被固碳量，并使用农田与草地的全国平均固碳量数值计算植被变化带来的固碳量损失(表3)。

计算可得，由于风电场建设对植被造成改变，在21a运行寿命中，植被碳汇量减少149.20 tC。

建设期建设工程部分的总碳排放量经计算相当于3.86×10⁴ tCO₂，折合为1.05×10⁴ tC。

建设工程部分主要是由于各种资源能源的消耗引起碳排放。资源消耗主要是由于风机材料制造和基础工程建材的使用；能源消耗主要由于基础建设及设备安装中机械工程车的使用。其中，能源消耗引起的碳排放量如表4所示。

项目建设期需要运输的主要是各种机械设备及基础工程所需的建设材料，如风机设备、变压器设备、线路材料及建筑材料。运输工程产生碳排放的主要原因是运输过程的油耗，而油耗与距离及货物重量相关。计算发现，运输工程的总柴油消耗量为2.30×10⁵ L。由此计算得到碳排放量相当于6.30×10² tCO₂，折合为1.72×10² tC。

将建设期的碳排放分为三大部分：植被变化、建设工程和运输工程。经过计算，植被变化、建设工程和运输工程造成的碳排量分别是149.20、1.05×10⁴ tC和1.72×10² tC，其中建设工程占建设期总碳排的97.04%，主导着建设期的碳排放总量(图2)。

图2 风电场建设期各部分碳排放对比 Fig.2 Proportion of carbon emission from each stage of the construction period of wind farm

图选项

本项目风电场拟运营20a，根据风电场运营的能源年消耗量，可计算得到整个运营期将要排放的总碳量，相当于6.27×10⁴ tCO₂，折合成1.71×10⁴ tC。

本项目风电场拟运营20a，正好符合风力涡轮机规定使用年限，所以可认为在20a内不更换或废弃各种设备材料。运营期结束后，大量的材料废弃，废弃处理时仍可能产生温室气体。部分材料可进行回收利用，所以在总的碳排量中需减去回收的部分。各种材料的回收及其它处理情况见表5^[25]。

在废弃材料的处理处置阶段，虽然不锈钢、铜等金属材料有较大的回收量，但在回收时也会造成一定得温室气体排放；除此之外，材料的填埋、焚烧也会产生碳排。最终计算得到，废弃阶段的碳排量相当于6.68×10³ tCO₂，折合成1.83×10³ tC。

综合以上计算，建设期植被变化导致风电场所在地植被碳汇量减少了149.20 tC；建设期建设工程部分的总碳排量相当于3.86×10⁴ tCO₂，折合为1.05×10⁴ tC；建设期运输工程部分的总碳排量相当于6.30×10² tCO₂，折合为1.72×10² tC；20a运营期总碳排放量相当于6.27×10⁴ tCO₂，折合成1.71×10⁴ tC；报废期的碳排量相当于6.68×10³ tCO₂，折合成1.83×10³ tC。

将所有阶段的碳排放量加和，得到整个风电场从项目建设开始到运行20a结束全生命周期的碳排放量，折合为2.97×10⁴ tC。

在整个碳排放过程中，运营期占的比重最大，为57.74%，其它阶段分别为：建设期植被影响0.0005%、建设期建设工程部分35.54%、建设期运输工程部分0.58%，报废期6.15%。植被影响造成的碳排量虽然很大，但其在风电场整个生命周期中占到的比例较小(图3)。

图3 修正前各阶段碳排量 Fig.3 Carbon emission of each stage of the total cycle before modification

图选项

在整个生命周期过程中，运营期由于电能消费，温室气体排放量最大，其次是建设期。运营期持续时间为20a，建设期为1a，所以在排放密度上，建设期远超过运营期，对环境的影响相对来说更大。建设期的建设工程部分为主要碳排放贡献者，远大于运输工程和植被影响。建设工程中基础工程建材和风机材料的生产造成了主要的碳排放，这部分属于资源消耗造成的碳排放，大概占建设工程总碳排的96%，而机械车辆作业消耗的能量造成的碳排放只有4%(图4)。

图4 风电场生命周期各阶段碳排分析 Fig.4 Carbon emission of each stage of the total cycle of the wind farm

图选项

若是进一步扩大系统边界，考虑报废期的材料回收使大量资源继续应用到其它项目中，即相当于在建设工程部分没有使用这部分资源，则可将这部分资源造成的碳排从总碳排放量中除去，对上述计算方法进行修正。

修正时，应注意的是，只考虑报废期回收材料使总碳排量减少的部分，即除去该部分材料建设工程阶段的碳排量，但其运输工程中产生的碳排放不可忽略，其它阶段的计算均不发生改变。根据表6 中风机回收和废物处理可知：只对不锈钢、生铁及铜进行回收，回收量分别为90%，90%，和95%，将其折合为减少的碳排量，即为1.12×10⁴ tCO₂，折合成3.06×10⁵ tC。

图5为修正前后各阶段排放量对比图。二者区别在于建设工程部分，修正后由于考虑材料回收对前几阶段的影响，总碳排放量要除去回收部分在建设工程计算的碳排放量，使得总碳排放量减少。

图5 修正前后各阶段碳排量对比 Fig.5 Comparison of the carbon emission of each stage before and after modification

图选项

风电场施工过程中，风机与变电设备占地、道路铺设、集电线路区和施工临时占地都会对当地地表植被造成破坏。表层影响为植被面积损失：占地范围内植被遭受砍伐、铲除、掩埋等人类干扰，导致植被消失；深层影响为土层扰动，土壤生产力受损，植物多样性减少及分布变化。根据计算，由于风电场建设导致农田破坏，并在建设完成后做草地恢复这一过程中引起的碳汇量损失为149.20 tC。上述土壤扰动、生物量减少引发的碳排量影响难以体现在计算中，故风电场建设的间接碳排放远不止149.20 tC。

实际建设过程中，施工前需要将基础表土剥离(约50 cm)，并在基坑一侧堆放，以供植被恢复时表土回覆。此段时间，土壤的水分养分有所流失，风沙产生，地表径流污染。水、气、土三圈都受到一定程度的破坏。

综上所述，风电场的建设对于自然生态环境的影响不容忽视。一方面，在对风电场建设的环境影响评价需要更加全面而定量考虑对自然环境的影响，重新考察风能发电的环境友好性；另一方面，对于风电场建设对环境造成的影响要采取更加及时有效的补偿恢复办法，重点在于严格执行。

在以往的风电场材料生产碳排分析中，只对风机材料进行了计算^[6,8]，但是，通过本研究发现，在风电场设备及线路安装工程中使用了大量的线材，对运输耗能排放有约3%的贡献。在所有线材中，铜芯电缆所占比重最大，以铜芯电缆的排放代表整个线材部分的生产排放，可得到其生产阶段排放值。生产和运输综合，建设期电缆的排放总量约为39.56 tCO₂，折合成10.79 tC。

建设工程车的耗油碳排量也曾经被以往研究所忽略。据计算，混凝土浇筑、钢筋安装、土方开挖回填所需工程车工作消耗柴油引起的碳排量占总建筑工程大约4%。此外，体型大，工作高度高的风电机安装也是风电场建设工程所独有的部分。其需要500 t履带吊两台，对每台风机工作2—3台班才可完成相关吊装安装工作。所以，吊装车作业对碳排放也有很大贡献，本文中此方面数据欠缺，尚未将其列入计算，亟待后续研究。

传统研究将风电视作一种清洁能源，认为风力发电过程不会产生任何排放^[6,8]，但在本研究中，由于风电场需要维持许多大型设备的正常运转以及工作人员的日常生活，并且常年运行，所以在整个生命周期中会消耗大量的电能，运营期年用电量占风电场年上网电量的3.9%。运营用电来自电网，而电网以火电为主体，从而产生大量排放。因此风能发电从这一角度来讲间接消耗矿物燃料，产生一定环境污染。除此之外，由于风力发电固有的间歇性和不稳定性，必须要有足够的调峰资源以保证电力系统的稳定。一系列的调节系统会耗费大量金属材料并消耗大量电能，更加重了风电隐含的生态环境影响。

整个风电场从植被破坏开始到报废处置，21a内的全生命周期折合碳排量为2.97×10⁴ tC，单位发电量碳排量1.09×10^-3 tCO₂ kW^-1 h^-1，2.98×10^-4 tC kW^-1 h^-1，与已有研究中对于火力发电的碳排量估算值相差不大。

以往研究认为风机生产阶段CO₂排放占风电场生命周期比例最大^[12]，并且风电场产电过程本身并不排放污染物和温室气体，所以可用风机全过程的排放代表风电总排放进行建模。但本研究在进行建设期清单分析时，全面地考虑了植被影响、用量大但较易被忽略的电缆光缆铺设引发的碳排放、运输所耗燃油之外的建设工程车耗油碳排、运营期能耗产生的碳排放等，发现风电场建设和运营期间存在大量间接碳排放，对自然生态环境的影响不容忽视。