评估中国高速公路光伏发电项目的环境经济可行性：基于时空生命周期视角的分析

《Environmental Impact Assessment Review》：Assessing the environmental–economic viability of expressway photovoltaics in China: A spatio–temporal life cycle perspective

　　

摘要

高速公路走廊越来越被认为是分布式光伏发电的理想场所，但其环境-经济可行性在很大程度上取决于当地的太阳能资源、基础设施的可用性、电网结构以及未来的脱碳路径。本研究开发了一个综合框架，将时空评估与环境生命周期成本核算相结合，以评估中国351个县级城市的高速公路光伏系统的部署潜力及综合效益。评估涵盖了服务区、休息区以及高速公路斜坡在“照常营业”和“2060年实现碳中和”两种情景下的情况。研究结果表明，高速公路斜坡具有最大的安装潜力，有49.71%的城市适合安装超过200兆瓦的光伏系统。在“照常营业”的情景下，高速公路光伏系统的净内部效益为每千瓦317.05美元，净环境效益为每千瓦249.48美元。逆变器和单晶硅光伏组件的生产是环境成本的主要来源。在“2060年实现碳中和”的情景下，电网的脱碳减少了光伏发电的环境负担，并将净环境效益的正转时间从2035年推迟到了2037年。这些发现支持了从以容量为导向的扩展转向基于区域特色的生命周期规划的做法，优先考虑那些太阳能资源、高速公路可用性、电网替代效益和回收基础设施都较为有利的地方。

引言

能源系统的脱碳是全球可持续发展的核心（Ludin等人，2018年；Nezamoleslami等人，2025年）。中国承诺到2035年将非化石能源的消耗比例提高到30%以上，并计划将全国温室气体排放量从峰值减少7%至10%（中华人民共和国商务部，2025年）。由于技术成熟度和成本持续下降，太阳能光伏（PV）技术在这一转型中起着关键作用（Li等人，2025年；Shi等人，2025年）。然而，大规模光伏设施的快速发展不可避免地引发了与农业和生态的用地冲突（Li等人，2023年；Zhang等人，2023a）。相比之下，在现有交通基础设施上部署分布式光伏系统可以避免这些用地纠纷，并显著提高空间资源的利用效率（Wang等人，2025a；Zhang等人，2023b）。中国广泛的高速公路网络为光伏发电提供了多个场所，包括服务区、休息区和斜坡。这些多样化的应用为分布式能源替代带来了巨大潜力（Zhang等人，2022年）。然而，中国的地理、气候和经济差异使得在综合交通和能源系统中准确量化这些设施的环境和经济价值变得复杂（Yan等人，2026年）。

随着中国低碳交通系统的推进，在高速公路上部署光伏设施变得越来越普遍（中华人民共和国交通运输部，2026年；福建省交通运输厅，2024年；山东省人民政府，2022年）。先前的研究已经大大推进了对交通基础设施中光伏部署潜力的评估。例如，Zhang等人（2022年）量化了中国高速公路的光伏潜力，Yu等人（2025年）评估了中国高速公路服务区内的光伏发电潜力，Lin等人（2024年）评估了福建省高速公路斜坡光伏的能源、环境、经济和社会潜力。这些研究为基于基础设施的光伏部署提供了重要依据，但大多数研究仅关注技术潜力或案例规模的评估，并未全面探讨全国县级城市规模下高速公路光伏的生命周期环境-经济后果（Lin等人，2024年）。一旦确定了空间潜力，生命周期评估（LCA）就变得至关重要。它是量化综合效益和评估高速公路光伏项目环境经济可行性的关键方法（Willis等人，2026年）。Luo等人（2018年）比较了不同多晶硅光伏技术的能源回收时间和温室气体排放，为优化模块制造提供了环境依据。Bartie等人（2021年）评估了基于硅的光伏组件的生命周期资源消耗和环境影响，强调了在制造和寿命终结（EoL）阶段管理环境和废物问题的紧迫性（Hamidinasab和Nabavi-Pelesaraei，2025年）。对于公共建筑中的光伏改造项目，Cucchiella等人（2023年）提出了一种结合能源产出、经济指标和LCA的评估方法，以选择最佳部署方案。尽管取得了这些进展，中国的高速公路光伏规划仍然缺乏将部署潜力与城市规模上的生命周期环境-经济表现联系起来的整体视角。此外，寿命终结阶段的回收和材料回收通常被视为次要因素，而不是明确的生命周期管理选项，尽管它们可以影响光伏系统的整体环境平衡。未来省级电力生成结构的變化也可能重塑光伏发电的环境效益，但这种电网脱碳效应很少与空间部署潜力结合起来考虑。

为了解决这些局限性，本研究结合了城市级高速公路光伏潜力建模、环境生命周期成本核算和寿命终结阶段的回收评估。开发了一个空间评估模型，涵盖了高速公路服务设施和斜坡场景。该模型量化了中国县级城市规模的光伏安装容量和生命周期发电潜力。研究采用了环境生命周期成本核算（ELCC）（Hunkeler等人，2008年；Ibá?ez等人，2026年）。这种方法结合了生命周期评估（LCA）和生命周期成本核算（LCC），通过生命周期影响评估（LCIA）（Hoogmartens等人，2014年；Amin Mousaabadi等人，2024年；Chen等人，2025年）整合了环境和经济因素。这种整合允许使用标准化的定量单位进行不同类别之间的直接比较（Markowska等人，2022年；Spierling等人，2018年；Dekamin等人，2025年）。该框架揭示了中国高速公路光伏系统的生命周期环境-经济协同效益及其时空演变。研究结果为交通基础设施的低碳转型和区域差异化的能源规划提供了科学依据。

本研究探讨了高速公路光伏在中国能否带来净环境-经济效益，以及这些效益为何在不同地区和未来电网情景下存在差异。为此，研究人员量化了服务区、休息区和高速公路斜坡的安装容量和生命周期发电量，然后将内部经济成本和外部环境成本结合起来，以确定影响环境-经济表现的关键生命周期过程。最后，通过纳入地区性的高速公路资源、太阳辐射、电网结构和经济参数的差异，在县级城市规模上评估了综合效益。

章节摘录

ELCC方法

本研究应用了ELCC方法，其外部成本（环境成本）部分使用山东大学生命周期成本核算（SDU-LCC）模型进行计算（Wang等人，2025b）。通过结合中国大陆的具体地理特征（如领土面积、风速、降水和温度），SDU-LCC模型提供了较高的本地化准确性（Xu等人，2024年）。该模型旨在建立环境和经济维度之间的稳健联系（

全国高速公路的光伏发电潜力

图2c显示了中国高速公路沿线的光伏安装潜力空间分布。具体而言，由于可用土地面积的限制，服务区和休息区的安装潜力较低，最大值为148.47兆瓦（95%置信区间：118.73兆瓦至180.03兆瓦），尤其是在重庆（图2a）。相比之下，高速公路斜坡由于连续延伸和可扩展性，显示出巨大的发展潜力

讨论

先前的光伏生命周期研究表明，光伏发电可以产生净生命周期效益（Fu等人，2015年；Hou等人，2016年；Yu等人，2017年）。这些研究还指出，上游制造是环境负担的主要来源。本研究中单晶硅组件的碳足迹为968.4–1610.76千克二氧化碳当量/千瓦。这一范围超过了Müller等人（2021年报告的750–810千克二氧化碳当量/千瓦），但接近在中国本地化的数据中报告的1380千克二氧化碳当量/千瓦

结论

本研究开发了一个综合框架，结合了时空评估和ELCC，以评估中国高速公路光伏系统的环境-经济绩效。高速公路斜坡具有最大的部署潜力，有173个县级城市的安装容量超过了200兆瓦。在“CN60”情景下，高速公路光伏系统的净内部效益为每千瓦317.05美元，净环境效益为每千瓦249.48美元。逆变器和单晶硅组件的生产

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的报告。

致谢

本研究得到了以下项目的资助：高速公路生命周期碳排放核算和低碳优化技术研究和中国锂离子电池系统中金属资源的代谢分析和关键性评估（项目编号：52170182），泰山产业专家计划（项目编号：TSCX202408010），山东省自然科学基金（项目编号：ZR2026LJT032），以及山东省自然科学基金（项目编号：ZR2026LJT001）

Liyao Wang|Xiaowei Cui|Pengfei Zhou|Shidong Guo|Xiaoteng Zhou|Jinglan Hong|Wei Liu|Yanan Zhang|Zhaojie Cui|Xianfeng Tan

山东大学环境科学与工程学院，青岛266237，中国