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第8卷 第2期 2025年03月；页码：216-223
基于碳排放因子法的典型500 kV变电站建设过程碳排放核算
Calculation of Typical 500 kV Substation Construction Carbon Emission Based on the Carbon Emission Factor Method
- 1.国网浙江省电力有限公司建设分公司，浙江省 杭州市 310016
- 2.厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建省 厦门市 361024
- LIU Ti1*, WU Zhen1, CHEN Cong1, CHEN Huan1, ZHOU Hongyang2 (1.State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd.Construction Company, Hangzhou 310016, Zhejiang Province, China
- 2.School of Electrical Engineering and Automation, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, Fujian Province, China
关键词
Keywords
摘 要
Abstract
变电站基础设施建设过程碳排放不断放大，其碳排放计算对把握碳排放趋势、发展低碳电网具有较强参考价值。为此，针对典型500 kV变电站建设工程，根据碳排放源将其建设过程分为生产阶段、运输阶段以及施工阶段，基于生命周期评价，采用碳排放因子法核算其建设过程的碳排放总量。结果表明，在建设过程中生产阶段碳排放贡献度最大，材料生产和设备生产分别占总排放量的60%和37%；运输阶段和施工阶段产生的碳排放量仅占其总排放量的3%。通过对碳排放结果的定性和定量分析，变电站的建设规模和站址地形地质对碳排放影响显著。最后，根据变电站各阶段的影响因素对变电站碳减排提出针对性建议。
The carbon emission in the process of substation infrastructure construction is continuously amplified.Carbon emission calculation of substation construction has a strong reference value for grasping the trend of carbon emission and developing low-carbon power grid.According to the carbon emission source of the typical 500 kV substation construction project, the construction process is divided into production stage,transportation stage and construction stage, and the total carbon emission of the construction process is calculated by the carbon emission factor method.In the construction process, the carbon emission contribution of the production stage is the largest, and the material production and equipment production account for 60% and 37% of the total emissions respectively.The carbon emissions generated during the transportation phase and the construction phase account for only 3% of its total emissions.Then a qualitative and quantitative analysis of carbon emissions was conducted to assess the significant influence of the scale of construction and the topography and geology of the substation site.Ultimately, targeted recommendations for carbon reduction in different stages of the substation were proposed.
0 引言
能源生产和消费相关活动是最主要的二氧化碳排放源，大力推动能源领域碳减排是做好碳中和工作的重要举措[1-2]。电力行业是能源部分碳减排的关键所在，其碳排放约占能源排放的40%[3-6]。在减碳目标下，各行业大规模电气化以及电解制氢的普及，将推动电力需求的进一步提升[7]。电力需求不断增长使发电和输变电基础设施建设逐渐增加。
传统电力系统所产生的碳排放绝大部分来自于电力生产时化石能源的燃烧，其具有源少、量大、集中程度高的特点，在全行业中占有较大比重[8]。然而，随着新型电力系统的建设和发展，新能源发电占比不断提高，发电侧在电力行业总碳排放中的占比逐渐下降，仅关注发电侧的碳排放无法满足低碳电力发展的需求[9]。电网作为连接能源电力生产和消费的枢纽平台，在推动新型电力系统建设和电力行业低碳转型中将发挥越来越重要的作用。通过跨区域输电通道建设实现区域资源互联互通，可以增强可再生能源的减排效果[10]。变电站作为电力传输与分配的关键基础设施，其碳排放核算对于实现电力行业低碳发展具有重要意义。
目前变电站碳排放核算的研究已取得一定进展，形成了几种主流的核算方法，包括碳排放因子法和投入产出法。碳排放因子法的基本思路是梳理碳排放源，依照碳排放清单列表，针对每一种排放源构造其活动数据与排放因子，以活动数据和排放因子的乘积作为该排放项目的碳排放量估算值[11]。与普通建筑碳排放核算相比，变电站也需考虑建筑材料生产和运输、施工建设等环节的碳排放[12]。然而，作为特殊电力基础设施，变电站碳排放核算涉及大量电气设备。在设备核算方面，Jorge等[13-14]使用碳排放因子法对输电线路中的线路和电缆以及变电站中的变压器和其他设备进行了从原材料获取、生产制造、运输、使用阶段到废弃处理等整个生命周期的环境影响评估。但变电站电气设备种类多样，逐一使用碳排放因子法对其过程进行核算极其繁琐。在变电站级碳排放核算方面，通常与输电网作为整体核算，如Harrison、Turconi和Arvesen[15-17]使用碳排放因子法分别计算了英国输电网、丹麦配电网和挪威输配电系统全生命周期的碳排放。此外国内有学者结合建筑和变电工艺的碳排放特点，进行了变电站全生命周期的碳核算与分析[18]。但研究中忽略了施工活动引起的排放情况，对电气设备生产过程碳排放也未进行详细计算，这将导致计算结果被严重低估[19]。
投入产出法是一种经济学计算方法，最初由美国经济学家Leontief提出，用于研究美国各部门间的经济关系。此后该方法开始用于环境和能源领域研究[20]。魏文栋在2017年使用投入产出法计算了京津冀电网中110 kV变电站和110 kV输电线路的碳排放[21]，在2021年分析了1990—2017年中国输电基础设施建设造成的温室气体排放[22]。投入产出法由于使用经济投入产出对变电站进行碳排放核算，更适合对材料和产品的碳排放进行核算，无法计算变电站施工运行造成的碳排放。
综上所述，变电站碳排放研究存在以下几方面问题：①由于建设规模和技术的差异，其他国家的碳排放数据参考价值较低；②现有研究多从建筑视角出发，忽略了作为电力设施的特殊性；③使用单一方法构建的碳排放核算模型不完善，难以准确反映变电站建设过程的碳排放特征。
为此，本文以典型500 kV变电站建设工程为研究对象，划定核算边界，分析变电站碳排放源，列出碳排放核算清单，在碳排放因子法的基础上结合投入产出法，对建设过程中各个阶段的碳排放量进行核算，建立适用于变电站建设碳排放核算模型，并对计算结果的影响因素进行分析，可为构建新型电力系统碳排放核算体系提供参考。
1 变电站碳排放核算模型
本文基于碳排放因子法进行变电站建设的碳排放定量核算。根据碳排放因子法，变电站建设过程计算的基本公式为
式中：E为二氧化碳排放量；AD为产生碳排放物质的活动数据；EF为物质单位碳排放因子；GWP为气体全球变暖潜能。
1.1 碳排放计算边界
基于上述方法进行碳排放计算的关键是要明确核算边界。为此，本文针对变电站建设过程的特点，将核算范围划分为3个阶段：生产阶段、运输阶段和施工阶段。各阶段涉及的碳排放活动具体包括：
1）生产阶段：主要土建材料和电气设备的生产，包括原材料和能源的开采和运输。
2）运输阶段：土建材料和电气设备从生产地运输到施工地的运输过程。
3）施工阶段：不同工序中机械作业和设备能源消耗以及施工人员的生活能耗。
变电站建设碳排放核算边界及清单具体如表1所示。
表1 变电站建设碳排放清单
Table 1 Carbon emission inventory of substation construction
核算边界活动水平数据碳排放因子生产阶段材料生产建材耗量材料碳排放因子设备生产设备购置费设备碳排放因子材料运输运输阶段运输量运输碳排放因子设备运输施工阶段机械能耗机械台班数能源碳排放因子施工人员施工总工日施工碳排放因子
1.2 碳排放计算方法
1.2.1 土建材料生产碳排放
变电站建设过程中的土建材料主要包括以下几类：钢材、混凝土、石质材料、砖类、铝复合材料、水泥、陶瓷、砂浆、铁件。上述材料碳排放计算公式可表示为
式中：Qi为变电站第i种土建材料的用量；Fi为第i种土建材料的碳排放因子。常用建筑材料的碳排放因子参考自《建筑碳排放计算标准》[23]，对于部分材料碳排放因子数值，参考来源如表2所示。
表2 部分材料生产碳排放因子
Table 2 Carbon emission factors for the production of some materials
原材料名称碳排放因子碳排放因子单位参考中粒式沥青混凝土26.946kg/t[24]细粒式沥青混凝土29.302kg/t陶粒混凝土（生物污泥陶粒）347.38kg/m3[25]混凝土C10 161.51kg/m3[26]混凝土C15191.63kg/m3混凝土C20221.75kg/m3混凝土C25251.87kg/m3混凝土C40342.22kg/m3建筑陶瓷14.8kg/m2[27]卫生陶瓷2080kg/t水泥P.I.52.50.89kg/kg[28]水泥P.O.42.50.79kg/kg水泥P.S.32.50.63kg/kg砌筑混合砂浆221kg/m3砌筑水泥砂浆170kg/m3抹灰混合砂浆10.71kg/m3抹灰水泥砂浆9.41kg/m3[28]
1.2.2 电气设备生产碳排放
变电站涉及的电气设备用量大且种类繁多，针对设备、工艺过程和产品生产使用详细的数据难以获取，且生产过程中原料耗用情况需多方考虑，使用碳排放因子法计算电气设备生产的碳排放较为复杂。为此，本文使用投入产出法对设备生产的间接碳排放进行核算。通过编制投入产出表来反映经济系统各个部门间的关系，使用里昂惕夫逆矩阵变换得到产品投入与产出之间的对应关系，结合各部门的平均温室气体排放强度数据，计算各部门向终端用户生产产品在整个生产链上产生的温室气体排放量[29]。目前，已有学者编制了中国输电基础设施中不同设备所属部门的碳排放因子，包括电机和电器制造、机械和设备制造、办公机械和计算机制造等部门[30]。由于不同年份的货币价值有所变化，因此在统计时应注明数据统计年份，以便进行货币价值的统一，社会年折现率可取8%。设备生产碳排放计算公式为
式中：Qi为变电站第i种电气设备的货币购置费用；Fi为第i种电气设备所属部门的碳排放因子；y为设备购置费清单编写年份（价格水平年）。不同部门设备生产的碳排放因子如表3所示。
表3 不同部门设备生产碳排放因子
Table 3 Carbon emission factors for the production of equipment in different departments
部门碳排放因子/（t/元）电机和电器制造168.147机械和设备制造186.965办公机械和计算机制造106.886精密医疗、光学仪器、钟表制造105.044无线电、电视和通信设备及仪器制造128.610
1.2.3 材料运输碳排放
通过生产阶段土建材料活动量的获取，可以得出所用材料的重量或者体积。本文中材料运输距离默认为40 km，默认运输方式为中型柴油货车（8 t）。材料运输碳排放计算公式为
式中：Qi为变电站第i种土建材料的用量；Li为第i种材料运输的运输距离；Fi第i种材料的运输方式下，单位运输量的碳排放因子。材料运输的碳排放因子如表4所示[23]。
表4 材料运输碳排放因子
Table 4 Carbon emission factors for the transportation of materials
运输方式类别碳排放因子碳排放因子单位中型柴油货车运输（载重8 t）0.115kg/ （t・km）中型汽油货车运输（载重8 t）0.023kg/ （m3・km）
1.2.4 设备运输碳排放
变电站设备运输只考虑主要设备主变压器和气体绝缘开关设备（gas insulated switchgear，GIS）GIS的运输，默认运输方式为重型柴油汽车（46 t）公路运输，以重量乘以距离（t・km）为运输量。主变的重量默认为250 t/台。设备运输碳排放计算公式为
式中：Qi为变电站第i种电气设备的重量；Li为第i种电气设备的运输距离；Fi第i种设备的运输方式下，单位重量运输距离的碳排放因子。设备运输的碳排放因子如表5所示[23]。
表5 设备运输碳排放因子
Table 5 Carbon emission factors for the transportation of equipment
运输方式类别碳排放因子/ （kg・(t・km)-1）重型柴油货车运输 （载重46 t）0.057
1.2.5 施工能耗碳排放
变电站工程施工能耗碳排放主要对各个工序中的能源消耗种类及消耗量进行估算，从而由能耗数据得到碳排放估算值。各个工序的能源消耗种类可根据施工过程中机械台班数量进行估计，施工能耗碳排放量可通过以下公式进行核算：
式中：Qi为变电站第i种能源的消耗量；Fi为第i种能源的碳排放因子。能源碳排放因子如表6所示[23]。
表6 能源碳排放因子
Table 6 Carbon emission factors of energy
能源类型碳排放因子碳排放因子单位柴油3.096kg/kg电能0.792 1kg/kWh
1.2.6 施工人员碳排放
工程预算中对于临时设施部分的面积没有明确的规范要求，一般按照比例确定费用，由于临时设施的配备与人员数量有关，可将临时建筑碳排放的计算与工程预算中的工日数量相对应，采用单位工日碳排放因子法计算临时设施碳排放，人员生活碳排放计算公式为
式中：Qi为第i种工程下的施工工日；Fi为第i种工程建造阶段临时设施碳排放因子。不同气候区临时设施碳排放因子如表7所示[31]。
表7 不同气候区建造阶段临时设施碳排放因子
Table 7 Carbon emission factors of temporary facilities during the construction phase of different climate zones
碳排放因子/（kg/工日）严寒和寒冷地区44.790.613 5夏热冬冷地区40.670.557 1夏热冬暖地区37.760.517 3温和地区29.050.397 9区域碳排放强度/（kg・(m2・a)-1）
2 典型变电站工程碳排放核算
本文调研收集了浙江省4个典型500 kV变电站项目建设过程的详细工程数据，如表8所示。基于所得数据展开相应的碳排放核算和分析。
表8 变电站工程建设信息及数据收集情况
Table 8 Substation construction information and data collection
工程序号工程名称额定容量/MVA S1甬港500 kV变电站1000 S2岙坑500 kV变电站1000 S3江滨500 kV变电站2000 S4舟山500 kV变电站2000
2.1 变电站工程碳排放计算
根据变电站工程建设数据收集情况，针对个别工程存在数据缺失值，取同类工程的平均值。基于各个阶段的碳排放计算公式，分别对4个变电站建设过程材料生产、设备生产、材料运输、设备运输、施工能耗和人员生活能耗的碳排放量进行计算。最后对各阶段碳排放量求和，计算4个变电站工程建设的碳排放总量。
2.2 碳排放计算结果分析
变电站工程各部分碳排放量结果如图1和图2所示。
图1 变电站建设总碳排放
Fig.1 Carbon emissions of substation construction
图2 变电站碳排放占比
Fig.2 Carbon emissions proportion of substation
由图2可知，设备生产贡献的碳排放量最大，变电站平均碳排放量占总排放量的60%。江滨变电站工程（S3）达67.1%。其次是原材料生产，其平均碳排放量占总排放量的37%，且其碳排放主要源自钢铁和混凝土2种基础建材，贡献了60%以上材料生产碳排放。设备生产和原材料生产贡献了绝大部分的碳排放，两者占比之和平均值达97%。运输阶段和施工阶段2部分碳排放分别占比1%和2%。前者主要来源于土建材料的运输，且不同变电站材料运输碳排放离散程度较大，设备运输只考虑了主要设备变压器和GIS运输碳排放，因此碳排放量较小；后者碳排放主要来自机械作业的能源消耗，不同变电站施工阶段碳排放较为稳定。
2.3 碳排放影响因素分析
由碳排放核算结果可知，500 kV变电站的碳排放量有所差异。由于生产阶段占建设过程碳排放最高，故本文主要对材料生产和设备生产过程的碳排放进行分析。主要从变电站建设规模以及地形条件2个角度，对碳排放结果差异分析。
对于变电站设备生产碳排放，额定容量越大，设备生产碳排放相应增大。从表9可知，2000 MVA变电站比1000 MVA变电站设备生产过程的碳排放高约7200 t。除变电站额定容量外，变电站的出线回数与设备生产过程碳排放也呈一定相关性。如表10所示，S3和S4同为2000 MVA变电站，而S3比S4多3条500 kV出线，其设备生产过程的碳排放也相应增加了3200 t。此外，设备生产过程采用投入产出法进行碳排放核算，不同年份的货币价值有所变化，变电站工程建造年份对碳排放结果也有所影响。如S1的220 kV出线回数多于S2，而S2建造年份早于S1，货币价值降低，故相较于S2，S1的碳排放有所降低。
表9 典型500 kV变电站碳排放量
Table 9 Typical 500 kV substation carbon emissions t
工程序号S1S2S3S4生产阶段材料生产10 215.829 194.4710 609.7716 538.23设备生产14 497.6415 697.4723 878.3120 694.01
续表
工程序号S1S2S3S4运输阶段材料运输72.51173.46515.866326.11设备运输33.8624.8538.0812.43施工阶段施工能耗486.91464.21497.72543.33人员能耗35.0435.3838.4434.71合计25 341.7825 589.8435 578.1838 148.82
表10 变电站出线回数及建造年份
Table 10 The number of substation outgoing line and the year of construction
工程序号500 kV出线回数220 kV出线回数建造年份S14102017 S2482015 S3682016 S43102016
在变电站额定容量相同时，分析变电站地形地势对材料生产碳排放的影响。根据变电站岩土勘测报告，4个变电站站址都处于平原地区，难以进行相关性分析。因此从地势和岩土方面对材料生产碳排放进行分析，4个变电站地势和岩土描述如表11所示。结合表9和表11可知，复杂地势以及复杂地质下需要用更多的砂石、水泥、钢铁等原材料打地基，相应地需要提供更多的原材料运输服务和施工机械运行能源，这一过程会额外产生更多的碳排放。
表11 变电站地形描述
Table 11 Substation terrain description
工程序号地势描述岩土构成S1地势起伏较大填土、粘土S2地势相对平坦粘土、碎土S3地势平坦开阔粉土、粘土、碎石混粘土S4地势相对平坦填土、粘土、碎石混粘土、凝灰岩
2.4 变电站工程建设碳减排分析
基于上述碳排放计算结果，变电站建设工程材料和设备生产2部分贡献了90%以上的碳排放。
对于未来变电站工程建设，应着重于材料和设备生产方面的碳减排。未来工程建设时应坚持“绿色设计”原则，应尽可能避开复杂地形地势场地，优先选择低碳高效的原材料和使用年限长、生命周期内维护量小、能耗低的电气设备，如使用新型复合材料代替水泥管和钢支架，沥青材料代替混凝土硬化路面，采用环保型绝缘气体代替六氟化硫等。
运输阶段，可在规划设计变电站工程时，坚持优先就地取材或优先选择周边城市运输距离最短的供应点。原材料及设备的运输都应该根据实际情况选择碳排放情况最少的运输工具，充分考虑最合理的运输路线，从而有效降低运输过程产生的碳排放。对于施工阶段，可合理利用信息化技术精准控制机械运行，从而有效提高运作效率和降低运行能耗。
3 结论
本文选取碳排放因子法对变电站建设过程进行碳排放计算，建立变电站工程碳排放计算模型，量化典型500 kV变电站建设过程碳排放，可得出如下结论。
1）典型500 kV变电站工程建设的碳排放总量为(31 164.66±6 664.388) t。生产阶段平均占总排放97%，其中，原材料生产和设备生产阶段分别贡献了总排放量的37%和60%；运输阶段平均占总排放量1%；施工阶段平均占总排放量2%。
2）电气接线形式和地形条件是变电站工程碳排放的重要影响因素。变电站工程规模效应下，额定容量越大，出线回数越多，所需的电气设备也越多，因此碳排放也相应增加；同时，复杂的地形地势需要更多的土建材料，进而需要更多原材料运输和施工机械运行能源，从而产生更多碳排放。
3）通过碳排放结果可知，建筑材料和电气设备生产所贡献的碳排放量最高。未来对于变电站工程建设碳减排，碳减排措施着重选取节材节能、能耗更低、使用效率及效果更好的材料和设备。
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基金项目
国家浙江省电力有限公司科技项目（KJCB 2022001）。
Science and Technology Foundation of State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd.(KJCB2022001).
作者简介
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刘提