波浪摆线转子全生命周期评估：环境绩效与低碳路径优化

《Journal of Marine Science and Engineering》：Life Cycle Assessment of a Wave Cycloidal Rotor: Environmental Performance and Improvement Pathways

本研究对漂浮式波浪摆线转子（Wave Cycloidal Rotor）进行了全生命周期评估（LCA），揭示了其作为海洋可再生能源的竞争性环境绩效。研究指出，材料制造阶段是温室气体（GWP）和能源消耗（CED）的主要贡献者，而选址（如爱尔兰高能流密度海域）和延长运行寿命（如从25年延长至30年）是降低单位发电量环境影响（g CO2eq/kWh）的关键杠杆。

　　

波浪摆线转子全生命周期评估：环境绩效与改善路径

1. 引言

随着波浪能技术向商业化迈进，其可靠性与环境可持续性成为关键考量。全生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）是评估海洋可再生能源设备环境影响的标准化工具。然而，针对漂浮式波浪摆线转子（Floating Wave Cycloidal Rotor）的LCA研究仍相对匮乏。本研究基于欧盟H2020 LiftWEC项目，对波浪摆线转子进行了从摇篮到坟墓（Cradle-to-Grave）的环境影响评估，旨在填补这一研究空白。

2. 材料与方法

2.1. 系统描述

本研究评估的对象是LiftWEC项目开发的漂浮式波浪摆线转子。该装置利用升力作为转子运动的主要驱动力，配备两个旋转水翼。系统主要由转子、定子、浮筒结构、系泊系统和电缆五个子系统构成。研究设定了一个由80台设备组成的100兆瓦（MW）波浪能场，部署于法国比斯开湾（Bay of Audierne）附近海域。每台设备预计年发电量为3.6吉瓦时（GWh）。

2.2. 生命周期评估

本研究遵循ISO 14040和ISO 14044标准，功能单位（Functional Unit, FU）定义为向法国电网输送的1千瓦时（kWh）电力。系统边界涵盖了从原材料获取、制造、运输、安装、运行维护到退役处置的全过程。评估采用SimaPro 8软件建模，生命周期清单（Life Cycle Inventory, LCI）数据主要来源于Ecoinvent数据库（v3.5），影响评估采用ReCiPe 2016中点方法（Midpoint method）。

2.3. 数据收集

主要数据来源于LiftWEC项目设计团队及相关文献。在制造阶段，定子和浮筒结构主要采用钢材和混凝土，转子水翼则采用玻璃纤维复合材料。系泊系统主要由纤维绳和钢制锚组成。安装和运维（Operation and Maintenance, O&M）阶段考虑了拖船、锚处理拖船（Anchor Handling Tug Vessel, AHTV）和电缆铺设船（Cable-Laying Vessel, CLV）等专用船舶的燃料消耗。退役处置阶段考虑了回收、再利用和填埋三种不同的情景。

3. 结果

3.1. 生命周期影响评估

基准情景（Baseline Scenario）的分析结果显示，波浪摆线转子发电的碳强度（Carbon Intensity）为21.4克二氧化碳当量/千瓦时（g CO₂eq/kWh），能源强度（Energy Intensity）为344千焦/千瓦时（kJ/kWh）。制造阶段是环境影响的主要贡献者，占总温室气体排放（Global Warming Potential, GWP）的80%以上，其中定子和浮筒结构是制造阶段的主要热点（Hotspot）。累积能源需求（Cumulative Energy Demand, CED）分析显示，化石燃料是主要的一次能源来源，占总能源需求的77%。

3.2. 碳与能源回收期

碳回收期（Carbon Payback Time, CPT）和能源回收期（Energy Payback Time, EPT）是评估可再生能源系统性能的关键指标。由于法国电网的碳强度较低（87.3 g CO₂eq/kWh），该波浪能场的碳回收期约为9.8年。而能源回收期则相对较短，约为2.9年。

3.3. 替代情景分析

3.3.1. 材料

研究对比了钢材（基准）、铝合金和碳纤维复合材料三种材料方案。结果显示，尽管铝合金和碳纤维复合材料能够显著减轻结构质量，但由于其生产过程的碳和能源强度较高，导致其全球变暖潜能值（GWP）分别比基准情景高出171%和1110%。这表明，在当前的评估框架下，钢材因其高回收率和成熟的回收基础设施，在环境绩效上更具优势。

3.3.2. 场址部署

研究分析了在葡萄牙里斯本和爱尔兰贝尔穆莱特（Bellmulet）两个不同场址部署的影响。尽管运输距离增加，但由于这两个场址的波浪能资源更丰富，单位发电量的环境影响显著降低。其中，爱尔兰场址的GWP比法国基准情景降低了50%，降至10.7 g CO₂eq/kWh，碳回收期缩短至0.4年。这表明场址选择是降低波浪能环境足迹的关键杠杆。

3.3.3. 寿命延长

研究评估了两种延长运行寿命的策略：一是将设计寿命从25年延长至30年；二是在运行中期（第15年）更换疲劳关键部件（水翼）。结果显示，将设计寿命延长至30年，可将GWP降低17%，降至17.8 g CO₂eq/kWh。即使考虑中期更换水翼，GWP（19.0 g CO₂eq/kWh）仍低于基准情景。这凸显了延长设备运行寿命对于提升环境绩效的重要性。

4. 讨论

4.1. 与其他海洋可再生能源设备的比较

与文献中其他波浪能和潮汐能转换器（WECs）相比，波浪摆线转子的碳强度（21.4 g CO₂eq/kWh）处于较低水平，低于文献报道的平均值（53 ± 29 g CO₂eq/kWh）。与海上风电（11-23 g CO₂eq/kWh）相比，波浪摆线转子也展现出具有竞争力的环境绩效。

4.2. 与其他发电方式的比较

与传统的化石燃料发电（如煤炭、天然气）相比，波浪摆线转子具有显著的环境优势。与太阳能光伏（Photovoltaic, PV）技术相比，其碳强度也处于可比或更优的水平，表明其作为一种低碳发电技术的潜力。

4.3. 环境足迹的其他影响

除了气候变化影响外，生命周期影响评估（LCIA）还揭示了其他环境问题，如富营养化（Eutrophication）和生态毒性（Ecotoxicity）。这些影响主要与制造阶段（特别是钢材和混凝土生产）以及涂层系统和牺牲阳极的使用有关。因此，生态设计（Eco-design）需要综合考虑供应链影响和海洋生态压力。

4.4. 未来改进潜力

研究指出，通过结构优化（如增加混凝土压载、减少钢材用量）、提高发电效率（如采用先进控制策略）以及采用新型材料（如热塑性塑料、亚麻纤维复合材料），波浪摆线转子的环境绩效仍有进一步提升的空间。

5. 结论

本研究对漂浮式波浪摆线转子进行了全面的生命周期评估，揭示了其作为海洋可再生能源的竞争性环境绩效。研究结果表明，制造阶段是环境影响的主要来源，而场址选择、材料选择和运行寿命是降低单位发电量环境足迹的关键因素。波浪摆线转子在碳强度和能源强度方面均表现出色，为海洋可再生能源的可持续发展提供了有力的数据支持。