鉴于全球气候危机的加剧，脱碳和能源转型已成为关键优先事项。作为世界上最大的碳排放国，中国承诺在2030年前达到碳排放峰值，并在2060年前实现碳中和（“双碳”目标）[1]。为了实现这些目标，大规模发展可再生能源，特别是风电，已成为一项关键战略。根据报告[2]，截至2023年，全球累计安装的风电容量达到了1020吉瓦，其中海上风电占75.2吉瓦，且这一比例每年都在增长。中国在海上风电领域处于世界领先地位，占全球总量的50%。
然而，由于多种因素，海上风电的发展正逐渐向更深的水域转移。这些因素包括近海风资源的逐步开发、适宜选址的有限性以及对海洋环境保护意识的增强。这一转变使得浮式海上风电技术成为不可避免的趋势。目前，大多数全球浮式风电项目仍处于预商业化阶段，具有巨大的产业规模扩张空间。2023年，全球浮式风电装机容量仅为48兆瓦，但预测显示到2030年这一数字可能激增至3800兆瓦，其中中国将贡献约500兆瓦[3]。因此，中国的浮式海上风电行业具有巨大的发展潜力。
虽然海上风电发电本身产生的温室气体排放量很小，但从生命周期的角度来看，项目的建设、维护和退役阶段仍会产生大量碳排放。为了支持“双碳”目标，对浮式海上风电系统进行碳足迹分析至关重要。此类分析可以识别各个过程中的关键排放源，并为技术优化提供指导。
生命周期评估（LCA）是一种关键的环境管理工具，用于评估产品或服务整个生命周期内的环境因素及其潜在影响[4]。许多研究已采用LCA来分析风电的碳排放（表1）。然而，大多数关于浮式海上风电的研究集中在欧洲案例上。这些研究通常依赖于假设的容量系数，而不是结合实际的特定地点条件，如真实的地理和风资源数据。据我们所知，目前还没有研究对中国的大容量浮式海上风电系统进行过LCA，同时整合省级海洋条件和当地工业数据。这种整合至关重要，因为它能够进行真正符合中国独特海洋环境和供应链结构的评估。
当前的研究主要集中在安装容量、容量系数、钢材消耗以及运营维护（O&M）策略对浮式海上风电碳排放的影响上。先前的研究表明，增加安装容量和容量系数可以显著降低碳强度[14]、[15]。然而，风力涡轮机和浮式平台的制造需要大量的钢材消耗，从而导致相当大的碳排放[12]、[13]。此外，不同的运维船舶策略可能导致碳排放差异高达34.8%[11]。
鉴于电力生产在碳核算中起着关键作用[5]，安装地点的地理条件直接影响风力涡轮机的输出。此外，区域因素如当地工业发展、安装距离和水深因地点而异，所有这些都会影响生命周期内的碳排放。因此，我们的研究首先根据特定地点的条件确定每个沿海省份的适宜安装地点。我们计算年发电量并纳入地理参数，为后续分析奠定基础。
浮式海上风电项目正朝着更大容量的发展趋势前进。目前，中国最大的在运浮式风电项目由一个配备两个8.3兆瓦涡轮机的平台组成[16]，大容量单台风力涡轮机尚未投入使用。鉴于全球的进步以及与中国未来的发展路线图保持一致，15兆瓦的模型代表了技术的最前沿，为中国向高容量浮式风电系统的过渡提供了相关的参考。为了系统地评估这一转变的可持续性影响，我们综合了各省的海洋环境、中国当前的海上风电产业状况以及国际上在大容量浮式风电部署方面的经验。本研究采用LCA方法来：（1）评估中国沿海省份15兆瓦大容量浮式风电项目的碳足迹；（2）识别关键排放驱动因素；（3）为政策制定、项目部署和技术创新提供脱碳建议，特别针对促进中国未来大容量浮式风电项目的发展。
我们的研究主要在以下两个方面做出了创新贡献：首先，我们建立了一个适用于中国的可扩展国家级碳足迹评估框架。这是通过系统地将国际上大容量浮式风电发展的经验与中国独特的海洋环境、工业基础设施和供应链特征相结合来实现的。该框架为未来的大规模项目提供了实用的低碳指导。其次，我们开发了一个空间差异化的LCA模型，量化了特定位置因素对碳排放的影响。通过将关键的实际选址参数——如水深、距港口的距离、离岸距离和风资源质量——纳入综合LCA模型，我们的研究提供了针对各省的证据基础。这种方法支持更加明智和差异化的政策制定和选址决策。据我们所知，这是首次对浮式海上风电进行此类综合分析的研究。此外，本研究的方法和发现不仅限于中国，也可以应用于其他国家，为不同地区背景下的浮式风电项目的选址和低碳发展规划提供有价值的参考。
本文的结构如下：第2节是用于浮式风力涡轮机安装的选址框架，评估地理限制和风资源可用性。通过选址过程确定的预定安装位置为后续的碳足迹计算提供了必要的空间数据输入。第3节是用于碳核算的LCA框架，包括定义的系统边界、全面的库存分析和标准化的影响评估。第4节比较分析了各省的碳排放，对关键参数进行了敏感性测试，讨论了与可再生能源基准的对比结果，并解释了局限性。第5节以基于证据的政策建议和低碳发展路径作为结论。
