涡激振动发电与抽水蓄能混合系统的生命周期评估及其环境效益分析

为应对传统能源的温室气体排放问题，研究人员创新性地将涡激振动(VIV)发电与抽水蓄能技术结合，开展全生命周期评估(LCA)。研究采用GREET 2024软件分析两种配置（含/不含混凝土坝），结果显示无坝系统的全球变暖潜能值(GWP20 )低至5.72 g CO2 -eq./kWh，颗粒物形成潜力(PMFP)仅0.007 g PM2.5 -eq./kWh。该成果为海洋可再生能源开发提供了低环境影响的解决方案。

　　

随着工业革命以来大气CO₂
浓度从280 ppm飙升至472 ppm，气候变化已成为全球性危机。尽管《巴黎协定》设定了控温目标，但传统能源转型仍面临巨大挑战。海洋覆盖地球70%面积，蕴藏着波浪能、潮汐能等清洁能源，但其间歇性特性制约了实际应用。尤其值得注意的是，现有海洋能技术如Pelamis波浪能转换器虽环保性能优于化石燃料，却受制于钢材用量大、维护成本高等问题。在此背景下，一种融合涡激振动(Vortex-Induced Vibrations, VIV)与抽水蓄能技术的创新系统应运而生，其核心在于利用水流自然涡旋实现零外部能耗的水体提升，为破解可再生能源间歇性难题提供了新思路。

这项由Alk?n Erdal Demirhan等学者发表在《Journal of Cleaner Production》的研究，通过实验原型测试与全生命周期评估相结合的方法，系统考察了VIV农场的环境表现。研究团队首先通过缩比模型测量圆柱体振幅频率，并采用GREET 2024软件进行从原料提取到系统使用的全链条分析，功能单位设定为系统40年寿命期内生产1 kWh电力。关键技术包括VIV流体动力学建模、非维度化参数转换、以及基于ReCiPe 2016方法的多指标环境影响评估。

【Methodology】部分建立了VIV能量捕获的数学模型，通过流体功率计算和能量转换效率分析，为系统规模化提供理论依据。实验数据证实圆柱体在特定流速下可实现65-75%的储能循环效率，这一发现成为后续LCA研究的基础。

【Results】部分揭示：无混凝土坝配置展现卓越环保性能，其20年全球变暖潜能值(GWP₂₀
)仅为5.72 g CO₂
-eq./kWh，显著低于含坝系统的34.13 g CO₂
-eq./kWh。所有排放均来自制造阶段，其中运动圆柱体和外框架因材料用量大成为主要贡献源。通过ReCiPe 2016方法评估的酸化、富营养化等中点指标均保持低位，证实该系统在多种环境维度上的竞争优势。

【Discussion】部分深入剖析了VIV农场相较于传统海洋能技术的突破性优势。与需要"Fetch"持续风区的波浪能转换器不同，该系统在低流速(0.5-2 m/s)环境下仍可有效运作。特别值得注意的是其独创的双侧泵设计，通过圆柱体附属管道实现自主抽水，解决了Pelamis等系统依赖外部电网的痛点。研究同时指出1.3 MW容量的系统更适合开阔海域，在船舶通航频繁区域需谨慎部署。

【Conclusion】部分强调该研究填补了VIV系统生命周期评估的学术空白。实验验证的65-75%储能效率配合5.18-33.06 g CO₂
-eq./kWh的GWP₁₀₀
值，使其环境表现优于多数海洋能技术。作者建议未来研究聚焦材料优化与系统集成，进一步提升这项专利技术（参考Kinaci和Gokce的泵系统设计专利）的经济可行性。这项成果不仅为可持续能源发展提供了新范式，更通过详实的LCA数据为政策制定者提供了科学决策依据。