识别潮汐能技术中使用的材料及其对人类健康、生态系统和资源的影响：从生命周期评估的角度出发

《Cleaner Production Letters》：Identifying materials in tidal energy technology and their effects to human health, ecosystems, and resources: A life cycle assessment perspective

　　胡安·加布里埃尔·鲁埃达-巴约纳 | 瓦莱里·奥索里奥·弗兰科 | 胡安·何塞·卡贝略·埃拉斯
HIDROMAR研究小组
自然资源与环境工程学院（EIDENAR），工程学院，瓦莱大学，卡利，760042，哥伦比亚

**摘要**
潮汐能是一种丰富且可预测的可再生能源，是减少温室气体（GHG）排放的有前景的替代方案。为了促进潮汐能技术（TETs）的可持续发展，生命周期评估（LCA）是评估与材料和技术过程相关的环境影响的关键方法。尽管LCA已广泛应用于其他可再生能源技术，但关于TETs的可用数据仍然有限且稀缺。本研究采用PRISMA协议进行了系统回顾，并使用ReCiPe方法对LCA研究进行了数据挖掘，以识别TETs及其材料产生的主要影响。结果显示，不同技术之间的环境影响存在显著差异：潮流水流涡轮机的温室气体排放量最高（69.97克二氧化碳/千瓦时），而球形涡轮机的排放量最低（3.9克二氧化碳/千瓦时）。铜对所有LCA类别都有负面影响，其次是钢铁——这是涡轮机制造中最常用的材料。因此，需要进一步研究替代材料，以替代铜和钢铁或减少它们在涡轮机制造中的使用。自2015年以来，实际水动力涡轮机LCA项目报告的温室气体排放量呈现出明显的上升趋势；这一趋势可能受到LCA数据库中的数据缺口和LCA方法差异的影响。因此，本研究呼吁学术界统一LCA方法并改进数据库，以提供更准确和详细的信息，了解TETs中使用的传统和新兴材料的影响。

**1. 引言**
潮汐能是一种可再生资源，可以用来减少对化石燃料的依赖，而化石燃料是温室气体的主要来源。多位作者指出，潮汐能不仅能够满足全球的能源需求（Rashedi等人，2022a；Walker和Thies，2022），而且其动态受月球和太阳引力的影响，因此具有可预测性。根据国际可再生能源机构（IRENA）与Ocean Energy Europe合作的最新报告（可再生能源机构，2023），全球潮汐流能的装机容量为10.6兆瓦，海洋能源潜力为1200太瓦时。这些巨大的能量可以通过能够在海洋环境中运行的涡轮机来利用。水动力涡轮机或潮流涡轮机分为四类：水平轴涡轮机、垂直轴涡轮机、振荡翼型涡轮机和文丘里效应涡轮机，其中水平轴涡轮机在海洋应用中研究最多且发展最成熟（Uihlein，2016）。

潮流涡轮机的研究和技术开发始于英国，1970年就开始在海洋环境中应用（英国下议院，2001）。河流应用的相关项目与潮汐涡轮机同时启动，但河流水动力涡轮机获得的经济资源较少（Khan等人，2009）。然而，河流涡轮机的技术成熟度（TRL）和制造成熟度（MRL）比海洋涡轮机更早达到商业化阶段。海洋应用的水动力涡轮机能够处理更高的能量密度（兆瓦），并且必须承受更恶劣的条件，如海水腐蚀和风浪-水流负荷。这解释了为什么海洋涡轮机仍在开发中。

第一个潮流水流涡轮机原型于1994年在苏格兰的Loch Linnhe部署，产生1.5千瓦的电力（Fraenkel，2010）；而第一个河流水动力涡轮机原型则于2008年在阿拉斯加的Ruby部署（Johnson和Pride，2010）。尽管河流涡轮机的第一个原型比海洋涡轮机晚14年问世，但其技术成熟度和制造成熟度发展更快。目前，像O2潮汐涡轮机（Gillespie和Macaulay，2019；Orbital Marine，2025）这样的海洋潮流涡轮机已进入运营示范阶段（预商业化阶段）。潮流水流技术仍在发展中，有10种涡轮机设计处于最高的TRL 9级，表明处于预商业化阶段。然而，其制造成熟度（MRL）仅为2级，许多公司仍在提升制造能力，因此供应链需要为满负荷生产做好准备（TAPECON，2025）。由于潮流水流技术的商业化尚未成熟，还需要更多研究来识别其材料的负面影响，尤其是那些用于关键部件（如涡轮机叶片）的材料（Walker和Thies，2022）。鉴于水动力潮汐涡轮机（潮流涡轮机）的技术成熟度和制造成熟度尚未达到市场阶段，相关研究较少，这些研究主要集中在材料对人类健康、自然环境（生态系统）和资源的影响上。

LCA研究是识别潮汐技术所用材料环境影响的一种方法。然而，Paredes等人（2019a）报告称，截至2019年，仅有5项应用于潮汐能的LCA研究，包括Swansea Bay Tidal Lagoon、Deep Green Tidal、Tidal Severn barrage、Seagen Marine current turbine、Deep Green Tidal（Minesto）以及四个涡轮机模型：Tidal Generation Ltd.（TGL）、Open Hydro、ScotRenewables和Flumill。因此，应用于河流潮流涡轮机的LCA研究可以作为参考，以确定在更具腐蚀性和恶劣环境条件下的新水动力涡轮机LCA研究的需求和差距。在这方面，可以从已商业化的河流涡轮机中吸取经验，避免错误并防止材料使用带来的负面影响。

为了促进具有环境可持续性的潮汐能技术发展，必须识别所用材料的影响。基于此，本研究通过对技术报告和科学文章进行数据挖掘，提取了关于水动力海洋涡轮机在制造、安装、运行、维护和退役阶段使用材料的影响的相关信息。研究结果包括：1）潮汐能技术的温室气体排放；2）潮汐能中最常用的材料；3）其他海洋技术中的材料影响。

**2. 方法论**
本研究专注于潮汐能领域的生命周期评估（LCA）应用的数据挖掘和系统文献回顾。系统文献回顾不仅限于传统文献回顾，还结合了数据挖掘，通过ChatGPT（Open AI，2025）和MATLAB图像处理工具箱（MATLAB，2025）从修订后的文献中提取图像数据和信息。回顾过程遵循PRISMA协议（Moher等人，2010），这是一种结合了最近研究中推荐的三个不同阶段的结构化方法（Rueda-Bayona等人，2022a；Seeger等人，2022）：输入、处理和输出。

**2.1 输入阶段**
输入阶段是系统文献回顾的第一步，其中制定了搜索策略。策略考虑了与潮汐能、LCA、温室气体、水动力涡轮机和材料相关的关键词，并使用AND、OR、WITH、IN等连接词组合这些关键词。随后使用了Scopus、Web of Science、Science Direct、IEEE、ASCE、Sage、Willey、Scielo等科学数据库，以及国际大学和机构的存储库。搜索时间范围为2008年至2025年。本研究在上述数据库中进行了手动搜索，并通过ChatGPT（Open AI，2025）和Deep Seek（DeepSeek，2025）进行了人工智能辅助搜索。AI搜索过程中发现了一些错误结果，因为ChatGPT和DeepSeek生成的表格列出了不存在的研究文章。因此，在处理阶段进行了验证和确认过程。作为良好实践，建议AI明确要求文献回顾提供文档的直接网络链接。此外，研究人员可以提出验证问题，例如：“您是否完全确定列出的文档是真实且可通过在线或可下载文件验证的？”

**2.2 处理阶段**
在输入阶段搜索后，构建了一个包含年份、标题、作者和国家及参考文献的结果表格。AI生成的结果经过手动验证，确保URL或DOI对应于真实的研究文档。本研究中使用的文章经过仔细筛选，特别注意标题和摘要中是否包含关键词。此外，确保每篇文章都提供了关于潮汐能中使用的材料及其LCA评估的详细信息。每篇文章都经过彻底审查，以识别材料在潮汐能过程不同阶段产生的影响。由此确定了行业中使用的材料，并根据相关工程活动（包括制造、建造、运行和维护）对其进行分类。

**2.3 输出阶段**
在审查每项研究和技术文档并识别材料对LCA类别的影响后，进行了筛选过程，以评估潮汐涡轮机的温室气体排放、潮汐能中最常用的材料、材料与LCA影响类别之间的关系，以及材料在其他海洋技术中的影响。

**3. 结果**
根据输入阶段定义的关键词，对系统文献回顾中检索的信息进行了数据挖掘。结果发现了40篇关于海洋和河流应用潮流涡轮机的文档。第一组选定的文档经过审查和筛选，以提取输出阶段定义的信息。

**3.1 潮汐能技术的温室气体排放**
温室气体强度是一个广泛采用的指标，因为它通过测量技术发电时的二氧化碳排放量来量化环境效率（国际能源机构，2024）。这一参数被《巴黎协定》采纳，不仅用于协调温室气体排放报告以监测全球进展，还用于激励利益相关者和消费者选择最清洁、最高效的技术（联合国，2016）。本研究在方法论的输入阶段（文献调查）中定义了2008年至2025年的时间段，并找到了17项关于潮汐涡轮机温室气体排放强度（GEI）的研究（表1）。

**表1. 报告潮汐涡轮机温室气体排放强度的研究**
| 技术名称 | 部署年份 | 涡轮机技术细节 | 方法/边界 | GEI排放 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| Atir tidal platform | 2019 | 45米长的船舶，配备2个水平轴3叶片涡轮机，转子直径21米，额定功率1.5兆瓦，水流速度1.5米/秒 | 理论方法，Simapro V.9.2.0.1软件/仅制造阶段 | 42.11克二氧化碳/千瓦时 |
| Deep Green | 2018 | 5叶片水平轴涡轮机，24个原型组成的阵列，转子直径1.5米，单个额定功率0.5兆瓦，水流速度1.2-2.4米/秒 | 理论方法，OpenLCA软件 | 26.3克二氧化碳/千瓦时 |
| HS1000 | 2018 | 3叶片水平轴潮汐涡轮机，底部安装，转子直径21米，额定功率1兆瓦，水流速度2.7米/秒 | 理论方法，ARDA软件和ecoinvent数据库 | 37克二氧化碳/千瓦时 |
| Seagen | 2016 | 2叶片涡轮机，双轴流转子，直径16米，额定功率1.2兆瓦（每个转子0.6兆瓦），水流速度1米/秒 | 理论方法，ARDA软件和ecoinvent数据库 | 25.5克二氧化碳/千瓦时 |
| Hydra Tidal | 2016 | 2叶片涡轮机，双轴流转子，直径23米，额定功率1.5兆瓦（每个转子0.6兆瓦），最大水流速度1.8米/秒 | 理论方法，ARDA软件和ecoinvent数据库 | 20.1克二氧化碳/千瓦时 |
| STRAFLO? | 2016 | Annapolis工厂配置，球形涡轮机，转子直径7.6米，转速50转/分钟，输出功率17.8兆瓦，水头5.5米，名义流量378立方米/秒 | 加拿大政府，2019 | 理论方法，ARDA软件和ecoinvent数据库 | 3.9克二氧化碳/千瓦时 |
| DeepGen IV (TGL) | 2015 | 3叶片涡轮机，轴流式，转子直径18米，额定功率1兆瓦，水流速度2.7米/秒 | Walker等人，2015 | 实际方法，Worldsteel LCA方法 |巴斯大学碳与能源清单（ICE）v2.0./全生命周期（包含的能源）。34.2克二氧化碳/千瓦时
OpenHydro2015
潮汐流涡轮机，水平轴转子（直径16米），无可见的中心轴（开放式中心），配备永磁发电机。额定功率为2兆瓦，工作流速为2.6米/秒
Walker等人（2015）
Real. Worldsteel LCA方法论。巴斯大学碳与能源清单（ICE）v2.0./全生命周期（包含的能源）。19.6克二氧化碳/千瓦时
Flumill2015
双阿基米德螺旋涡轮机。转子直径8米，额定功率为1兆瓦，工作流速为2.6米/秒（假设值），制造商未报告名义速度。
Walker等人（2015）
Real. Worldsteel LCA方法论。巴斯大学碳与能源清单（ICE）v2.0./全生命周期（包含的能源）。18.5克二氧化碳/千瓦时
ScotRenewables（SR2000）2015
双叶片浮动水平轴涡轮机，转子直径16米，额定功率为2兆瓦，工作流速为3米/秒（XPRT能源，2025年）
Walker等人（2015）
Real. Worldsteel LCA方法论。巴斯大学碳与能源清单（ICE）v2.0./全生命周期（包含的能源）。23.8克二氧化碳/千瓦时
ORPC RivGen?
2014
三叶片螺旋涡轮机，转子直径1.4米。在2.3米/秒的流速下功率为25千瓦
McCallum等人（2021）
Real. Recipe方法，Simapro V.8.3软件./运行阶段。69.97克二氧化碳/千瓦时
Severn Barrage2012
理论模型，配备216台Bulb涡轮机。每台涡轮机的转轮直径为9米，额定功率为40兆瓦，工作流速为425米/秒，水头为8米（“Severn Barrage项目：总体报告”，1989年）。
Kelly等人（2012）
理论模型。SimaPro V 7.3。影响评估方法：累积能源需求v1.07 [14] 和IPCC 2007
56.2克二氧化碳/千瓦时
GWP 100a（时间框架为100年）[15]
Crest Energy2009
理论潮汐流电站，配备200台（直径22米）涡轮机，无可见的中心轴（开放式中心）。每台涡轮机的额定功率为1.2兆瓦，工作流速为2.1米/秒。
（Bellvé等人，2009年；Crest Energy，2009年）
Rule等人（2009）
理论模型。SimaPro V 7.0。ISO标准14044./从建造到退役，包括维护。
1.8克二氧化碳/千瓦时
Severn Barrage2009
理论模型，发电功率为8.64吉瓦，配备216台Bulb涡轮机。每台涡轮机的功率为40兆瓦，转子直径为9米，工作水头在3至4米之间，流量为120-130米/秒（Black和Veatch，2007年；Nejc，2019年）
Woollcombe-Adams等人（2009）
理论模型。排放量根据英国能源部（1989年）、Drax Power Ltd.（2004年）的数据及作者估算计算得出。
从建造到退役。5.7克二氧化碳/千瓦时
SeaGen2008
双叶片双转子轴流涡轮机，每台转子直径16米，额定功率为1.2兆瓦，工作流速为2.25-2.5米/秒
Douglas等人（2008a）
理论模型。ISO标准14040。碳与能源清单（ICE）–版本1.5 Beta./制造（材料为主）。
15克二氧化碳/千瓦时
Seagen2008
双叶片涡轮机。双轴流转子，直径16米，额定功率为1.2兆瓦（每个转子0.6兆瓦），工作流速为1米/秒。
Douglas等人（2008b）
实际数据。巴斯大学碳与能源清单（ICE）。/制造（材料为主）。
15.0克二氧化碳/千瓦时
未报告——水平轴三叶片涡轮机，转子直径20米，额定功率为1-2兆瓦，工作流速为4米/秒。
Walker和Thies（2022）
理论模型。Real. Recipe方法，Simapro V.9.1.1.1软件。/制造方法、材料和寿命终结处理。
9714千克二氧化碳/叶片

研究识别出多种涡轮机型号和配置，包括Bulb涡轮机、水平轴涡轮机和螺旋涡轮机；其中大多数为水平轴涡轮机（表1）。修订后的研究分为实际项目和理论项目，实际项目表示该设备已建成、部署并运行，而理论项目表示结果基于假设的潮汐电站。观察到，针对实际运行中的潮汐电站（特别是Annapolis电站的Bulb涡轮机）的LCA研究报告的GEI最低，即3.9克二氧化碳/千瓦时，其次是Flumill双阿基米德螺旋涡轮机，为18.5克二氧化碳/千瓦时（表1）。实际项目中GEI最高的是ORPC RivGen?，它使用三叶片螺旋涡轮机（McCallum等人，2021年）。理论项目的GEI范围在1.8克二氧化碳/千瓦时至56.2克二氧化碳/千瓦时之间，分别对应Crest Energy和Severn Barrage项目。

对实际LCA研究中报告的潮汐动能涡轮机的GEI数据进行了移动平均分析（表1），结果显示2015年至2018年间GEI值呈上升趋势（图2）。这可能是由于温室气体数据的增加以及LCA工具和方法的改进。最近的研究使用了更多更新的信息，不仅包括所用材料，还包括制造、建造、运输、运营和维护等相关活动的数据（例如Kaddoura等人（2020年）和Paredes等人（2019a）的文献综述）。他们的文献综述列出了LCA研究的GEI报告，最高为56.2克二氧化碳/千瓦时，最低为1.8-3.9克二氧化碳/千瓦时，表明最近的研究报告的GEI较高。此外，Zhang等人（2020年）对潮汐能和波浪能的LCA研究进行了文献综述，指出很少有研究遵循ISO 14040和14044标准，这影响了结论的可靠性。

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图2. 实际LCA研究中报告的潮汐动能涡轮机的GEI。

3.2. 潮汐能技术中最常用的材料
潮汐涡轮机的制造、安装、运行和维护需要获取和转化各种材料。这些活动会对人类健康、生态系统和资源产生影响（Walker和Thies，2022年；Rashedi等人，2022a，Rashedi等人，2022b）。因此，Walker和Thies（2022年）建议使用适合焚烧和填埋的可回收材料以减少负面影响（Walker等人，2015年）。

表2列出了潮汐能技术（TET）生命周期各阶段的环境影响相关材料，包括原材料提取、制造、安装、运行和维护、退役、回收或最终处置。在TET的LCA研究中发现了24种材料，但LCA类别的影响并未针对每种材料单独分析（表2）。报告最多的三种材料是钢铁、混凝土和铜。如表2所示，缺乏关注每种材料具体影响的TET LCA研究，许多研究仅报告了支持活动的总体影响（例如Bianchi等人，2024b）。

表2. 潮汐能技术中使用的材料
材料 | 引用文章数量 | 特性/参考文献
--- | --- | ---
钢铁 | 97 | 600吨（Brussa等人，2023年）
90 | 7.8吨（Burgess和Biswas，2021a）
无数据（Paredes等人，2019b）
44 | 2.37吨（Rashedi等人，2022b）
无数据（Rueda-Bayona等人，2022b）
78 | 50千克/立方米；5.55吨（Walker和Thies，2022）
42 | 400吨（Yang等人，2018a）
97 | 20吨（Yuan等人，2023a）
12 | 64.7吨（Bianchi等人，2024b）
混凝土 | 72 | 540吨（Brussa等人，2023）
20 | 73.46吨（Burgess和Biswas，2021a）
Paredes等人（2019b） | 87 | 6.43（Rashedi等人，2022b）
无数据（Rueda-Bayona等人，2022b）
无数据 | 43 | 000立方米（Yang等人，2018a）
铜 | 6 | 无数据（Paredes等人，2019b）
8.54吨（Rashedi等人，2022b）
无数据（Rueda-Bayona等人，2022b）
70 | 0吨（Yang等人，2018a）
26 | 30吨（Yuan等人，2023a）
8-12吨（Bianchi等人，2024b）
铸铁 | 6 | 410吨（Brussa等人，2023）
3.71吨（Burgess和Biswas，2021a）
无数据（Paredes等人，2019b）
7.3吨（Rashedi等人，2022b）
无数据（Rueda-Bayona等人，2022b）
0.55吨（Yuan等人，2023a）
GFRP | 6 | 195吨（Brussa等人，2023）
51.65吨（Rashedi等人，2022b）
无数据（Rueda-Bayona等人，2022b）
1900千克/立方米；2.5吨（Walker和Thies，2022）
52 | 0吨（Yuan等人，2023a）
52 | 0吨（Bianchi等人，2024b）
不锈钢 | 38 | 65.88吨（Burgess和Biswas，2021a）
无数据（Paredes等人，2019b）
29.2吨（Rashedi等人，2022b）
CFRP | 21 | 200千克/立方米；1.02吨（Walker和Thies，2022）
无数据（Bianchi等人，2024b）
玻璃纤维 | 12.5吨（Walker和Thies，2022）
混合材料 | 11.96吨（Walker和Thies，2022）
碳纤维 | 11 | 200千克/立方米；1.02吨（Walker和Thies，2022）
生物基材料 | 11 | 48吨（Walker和Thies，2022）
亚麻纤维 | 11 | 48吨（Walker和Thies，2022）
锂 | 10.45（Bianchi等人，2024b）
铝 | 16-8吨（Bianchi等人，2024b）
铸铁 | 15-7吨（Bianchi等人，2024b）
清洁钢 | 12 | 7.9吨（Bianchi等人，2024b）
乙烯基酯树脂 | 15.2吨（Bianchi等人，2024b）
塑料 | 1 | 无数据（Bianchi等人，2024b）
凝胶涂层 | 10.12吨（Bianchi等人，2024b）
粘合剂 | 10.36吨（Bianchi等人，2024b）
铅 | 14.5吨（Bianchi等人，2024b）
聚乙烯 | 12吨（Bianchi等人，2024b）
聚丙烯 | 11.1吨（Bianchi等人，2024b）

根据图3和图4，铜是污染最严重的材料，对所有18个LCA类别都有影响，包括平流层臭氧消耗、电离辐射、陆地酸化、淡水富营养化、人类非致癌毒性、陆地生态毒性、淡水生态毒性、海洋生态毒性。第二种影响最大的材料是钢铁，出现在六个类别中，即细颗粒物形成、臭氧形成-陆地生态系统、臭氧形成-人类健康、土地利用、矿产资源稀缺性和人类致癌毒性。玻璃纤维增强塑料（GFRP）在海洋富营养化、化石资源稀缺性和水资源消耗方面的影响最大。碳纤维在所有评估材料中对全球变暖的影响最大。

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图3. 材料对全球变暖、细颗粒物形成、平流层臭氧消耗、臭氧形成、电离辐射、陆地酸化、臭氧形成、淡水富营养化的影响。注：GFRP（玻璃纤维增强塑料），CFRP（碳纤维增强塑料）。

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图4. 材料对海洋富营养化、人类非致癌毒性、陆地生态毒性、土地利用、淡水生态毒性、矿产资源稀缺性、海洋生态毒性、化石资源稀缺性、人类致癌毒性和水资源消耗的影响。注：DCB（二氯苯）。

根据Rashedi等人（2022a）的研究，钢铁是构成涡轮机总质量的超过70%的主要材料，但其对全球变暖和人类致癌毒性等LCA类别的影响尚不明确，因为目前钢铁的需求量很大（Paredes等人，2019c）。铜的使用比例低于其他材料，但在酸化、富营养化和毒性方面影响最大。铜的制造过程中会排放多种物质，如磷酸盐，可能导致藻类大量繁殖从而引发富营养化，以及由于管理不善产生的尾矿导致毒性效应（Rashedi等人，2022a）。尽管钢铁和碳纤维复合材料的环境影响大于玻璃纤维复合材料，但可回收和生物基产品对环境的影响较小。此外，生物基纤维是替代碳纤维或玻璃纤维的选项，这些天然纤维的温室气体排放量最低，对所有评估指标的环境影响也相对较低（Walker和Thies，2022）。

涡轮机叶片主要由GFRP组成，在某些情况下还包括玻璃纤维增强混凝土（GFRC），这些部件的回收率最低，通常被填埋或焚烧。Walker和Thies（2022）的研究表明，回收金属和生物基材料比焚烧或填埋对环境的影响更小。潮汐能技术（TET）中使用的材料需要获取和转化，用于制造、安装、运行和维护涡轮机。这些活动会对人类健康、生态系统和资源产生影响，因此建议使用适合焚烧和填埋的可回收材料以减少负面影响。

本研究从文献中检索数据，以确定TET中使用的材料与LCA类别之间的关系。ReCiPe方法被用于在全球范围内分析主要因素（Huijbregts等人，2017）。这些因素有助于从中间点到终点的影响路径建模，然后确定了材料的最终影响的3个LCA类别（图5，图6）。图4和图5定性地展示了不同材料如何通过中间指标对人类健康、生态系统和自然资源产生最终影响。

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图5. 主要金属和非金属材料与中间点和终点LCA类别环境影响之间的关系。

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图6. 主要生物基和复合材料与中间点和终点LCA类别环境影响之间的关系。

TET制造过程中最需要的材料是钢铁、铜、不锈钢、混凝土和铸铁（图5），因此它们产生了18个中间点影响。观察到钢铁和铜对水资源（淡水和海水）的影响最大。混凝土主要影响臭氧层和大气，未发现铸铁与LCA类别之间的关联，因此假设这种材料的隐藏影响尚未揭示。GFRP影响了18个LCA中间点类别中的13个，并在所有材料中位列前三（图3，图4）。GFRP复合材料的生产对环境有负面影响，如化石燃料的消耗和空气污染。因此，迫切需要对GFRP进行研究，以减少生产过程中产生的影响。此外，用其他材料替代GFRP是减轻这些生命周期评估（LCA）影响的另一种选择。碳纤维被认为是制造涡轮叶片的轻质替代品，这可能会减少环境影响。然而，碳纤维的生产产生的温室气体（GHG）比玻璃纤维更多（Rashedi等人，2022a）。图7显示了每种材料产生的中间影响百分比分布。图4j中报告的用水量显示，GFRP消耗了6000立方米，使其成为这一中间影响类别中影响最大的材料。因此，从数量和贡献分布来看，GFRP在这一影响类别中占61%的份额，其次是钢，占20%（图7）。钢在五个中间影响类别中占主导地位，贡献了近一半的总影响；例如，在矿产资源稀缺方面贡献了44%。铜在九个中间影响类别中占主导地位，在陆地生态毒性、海洋生态毒性和淡水富营养化方面的贡献分别为72%、66%和65%。这些结果强调了需要关注钢、铜和GFRP，通过工艺优化或采用新的环保替代品来减少它们的环境影响。

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图7. TET中的中间影响和材料分布

3.3. 其他海洋技术中的材料影响
海洋能源技术必须在高腐蚀性、高湿度以及波浪和洋流等恶劣条件下运行，这要求使用与传统技术（如太阳能、风能、地热能和生物质能）不同的专用材料。Uihlein（2016）进行了一项文献综述，报告了用于海洋能源技术的动力输出系统、轴、齿轮箱、发电机和其他辅助组件的材料。主要确定的材料包括钢、塑料、复合材料、铝、水、铜、稀土、铅、PVC、聚乙烯管、锡、铂、镍、混凝土和轻质燃料油。该研究中的LCA影响类别包括气候变化、酸化、臭氧层破坏、颗粒物/呼吸性无机物、电离辐射、人类健康、人类毒性、癌症效应、光化学臭氧形成、淡水富营养化、海洋富营养化、陆地富营养化、淡水生态毒性、资源消耗、化石燃料和矿物资源。

海上风能（OWE）的组件和运行机制与潮汐涡轮机相似，例如叶片、转子、塔架、发电机等。最近的一项研究揭示了海上风能技术对多个LCA类别的严重负面影响，包括人类健康、生态系统和资源（Rueda-Bayona等人，2022a）。研究表明，钢、铝、混凝土、玻璃纤维、树脂和石油基材料等材料产生了负面影响，并与最高的能源消耗相关。OWE已经商业化多年；然而，在识别和量化LCA类别的影响方面仍存在差距，这促使人们研究新的、更环保和更可持续的材料来替代传统的钢和石油基材料。Rueda-Bayona等人（2022a）进行了一项关于OWE的研究，报告了包括金属、石油基材料、玻璃纤维等在内的多种材料的LCA影响。该研究指出，这些金属材料对LCA类别的影响最大，包括温室气体排放和能源消耗。根据Yuan等人（2023b）的研究，用于OWE的铜是富营养化影响的最大贡献者。Yang等人（2018b）、Burgess和Biswas（2021a）、Burgess和Biswas（2021b）以及Brussa等人（2023）的研究表明，钢是温室气体排放的最大贡献材料，并且与其他材料相比具有最高的能源消耗。此外，Burgess和Biswas（2021b）显示，钢影响了所有评估的LCA类别。

考虑到TET和OWE在技术组件和活动阶段的相似性，以及OWE行业的经验（Rueda-Bayona等人，2022a），我们建议TET考虑以下几点：
- 使用木材和新的复合材料及环保材料来替代铁、混凝土、钢和铝。
- 利用天然纤维增强材料和聚丙烯（热塑性聚合物）来提高TET叶片的可回收性。
- 考虑应用化学处理来改善主要涡轮组件的机械性能。
- 确保用于磁组件的稀土提取符合社会和环境监管框架。

可能替代OWE行业中传统材料的新材料不仅能够减少LCA影响，还能提高年能源产量（AEP）。在不同的海洋技术阶段，例如海军技术、浮动海上风能、波浪能转换中，材料对18个评估类别产生了显著影响。图8展示了运营和维护（O&M）对非生物资源的影响。然而，根据文献，运营和维护（O&M）以及退役阶段（见图5）都可能主要导致臭氧层破坏（Yuan等人，2023b）。

Paredes等人（2019d）指出，包括组装、安装、运行和拆卸在内的海洋能源技术的LCA对全球变暖和大多数评估类别的影响可以忽略不计；因此，这可能表明关于LCA影响的可用信息不足。

4. 结论
本研究评估了制造潮汐涡轮机所用材料所涉及的不同阶段的影响，通过将材料清单明确链接到生命周期评估（LCA）框架内的ReCiPe方法的中点和终点指标，评估了这些材料对人类健康、生态系统和资源的影响。目前的部分结果表明，制造阶段使用的材料是所有海洋技术生命周期中的主要关键点。对不同类别影响最大的材料是钢、铜和GFRP。值得注意的是，尽管铜在涡轮机总质量中的比例较小，但它在所有LCA类别中的影响最大，特别是在淡水富营养化、陆地生态毒性、淡水生态毒性、水生生态毒性和非致癌人类毒性方面具有较高的负面影响。因此，建议进行进一步的LCA研究，以更好地了解铜在其生命周期各阶段的影响及其驱动机制。

另一方面，基于生物的材料仍在研究中；然而，它们已被证明是一种可行的替代品，因为它们在某些类别中的排放量较低。铸铁在所有影响类别中的贡献不到5%，这表明这种材料值得进一步研究，以增强其性能，并考虑用它来替代其他更具污染性的材料，如钢。应加强对回收材料及其LCA影响的研究，以防止使用新材料。因此，建议未来的工作包括对基于生物的材料进行实验评估，以更好地了解其性能、局限性和潜在应用，以及对铸铁等材料的建模。

木材、天然纤维增强材料和聚丙烯（一种热塑性聚合物）作为有前景的材料，可以替代TET中最具污染性和最广泛使用的材料。这需要优化木材供应链，以减少与运输相关的高能源消耗，并替换用于提取的热电厂或柴油基机械。关于天然纤维和新聚合物的研究必须继续进行，并借助纳米技术和纳米材料的支持，以提高它们的性能、耐用性、可重复使用性或最终处置方式。潮汐流技术的进步不仅取决于所用材料抵抗环境负荷（如波浪、洋流、风、闪电等）的能力，还取决于减少LCA影响以实现环境可持续性。这项研究建议学术界遵循相同的协议或指南，以确定GEI和LCA影响的客观值，避免方法论错误导致的差异。这样，将更清楚地了解潮汐涡轮机材料及其相关活动的负面影响，从而促进潮汐能源技术的可持续发展和商业化。

CRediT作者贡献声明：
Juan Gabriel Rueda-Bayona：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、概念化。
Valery Osorio Franco：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件、调查、正式分析。
Juan José Cabello Eras：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、调查。