玉瓦水電站生命周期溫室氣體排放研究

何 坤， 鐘 權(quán)

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

全球變暖是人類面臨的最大挑戰(zhàn)之一，隨著社會(huì)的發(fā)展，以火電能源為主的發(fā)展方式必然會(huì)加劇溫室效應(yīng)。目前，我國(guó)水電開發(fā)正如火如荼地開展，尤其是在西南地區(qū)，已建成或正在建設(shè)一大批大中型水電站。水電作為一種可再生的清潔能源，不僅是改善能源結(jié)構(gòu)的重要途徑，大力開發(fā)水電同時(shí)也是改善生態(tài)環(huán)境、應(yīng)對(duì)氣候變化的重要措施。

然而，水電資源的開發(fā)與水電工程的建設(shè)，歸根結(jié)底是對(duì)自然生態(tài)的改造。水電工程的施工、運(yùn)營(yíng)及廢棄處置，必然存在著能源消耗與污染物排放的問(wèn)題。因此，研究水電開發(fā)與水電工程建設(shè)中溫室氣體的排放特點(diǎn)，對(duì)于研究改善能源結(jié)構(gòu)、應(yīng)對(duì)全球氣候變化，具有十分重要的意義。

生命周期評(píng)價(jià)是一種全過(guò)程的評(píng)價(jià)方法，能夠揭示隱含在產(chǎn)業(yè)鏈中的溫室氣體排放。目前，國(guó)際上生命周期評(píng)價(jià)法在水電站建設(shè)進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)方面有一定的研究，例如中國(guó)、泰國(guó)、巴西、日本和瑞士等國(guó)家進(jìn)行了水電溫室氣體的分析及影響評(píng)價(jià)[1,2]。

本文在充分查閱國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展及大量相關(guān)數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，以玉瓦水電站為工程背景，研究中小型長(zhǎng)引水式電站生命周期溫室氣體排放，分析了生命周期各階段溫室氣體排放情況，并與大型水電站及火力發(fā)電的溫室氣體排放進(jìn)行比較。

1 工程概況

玉瓦水電站位于四川省九寨溝縣境內(nèi)的白水江次源黑河上，是白水江流域水電梯級(jí)開發(fā)的第2級(jí)，電站裝機(jī)容量49 MW，年發(fā)電量2.046億千瓦.時(shí)。工程為引水式電站，主要由首部樞紐、引水系統(tǒng)和地面廠房系統(tǒng)三部分組成。其中，引水隧洞布置在黑河右岸，全長(zhǎng)約14 km，隧洞斷面為襯砌后4 m×4.8 m(W×H)的城門洞型。

2 研究方法

2.1 基于全生命周期的評(píng)價(jià)方法

水電站本身屬于清潔能源，其運(yùn)行過(guò)程不消耗一次能源，故人們更多關(guān)注水電站建設(shè)階段的溫室氣體排放，對(duì)于運(yùn)維階段和處置階段相對(duì)研究較少，但從全生命周期角度考慮，水電站運(yùn)維時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾十年甚至上百年，運(yùn)維階段及廢棄處置階段溫室氣體排放的絕對(duì)值仍不可忽視。本文以玉瓦水電站為研究對(duì)象，基于生命周期評(píng)價(jià)方法，研究中小型長(zhǎng)引水式電站生命周期溫室氣體排放特點(diǎn)，并與傳統(tǒng)火力發(fā)電相比，評(píng)估減排效益，闡明水力發(fā)電的清潔性與優(yōu)質(zhì)性。

2.2 系統(tǒng)邊界

水電站系統(tǒng)生命周期可分為三個(gè)階段：建設(shè)階段，運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段，廢棄處置階段。系統(tǒng)邊界如圖1所示。溫室氣體排放主要來(lái)源于能源消耗、材料消耗及水庫(kù)蓄水的溫室氣體凈通量。建設(shè)階段主要包括原材料生產(chǎn)，材料運(yùn)輸，施工過(guò)程；運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段主要包括水電站日常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中能源消耗以及水庫(kù)溫室氣體凈通量；廢棄處置階段則主要是大壩拆除及垃圾處理等。

3 生命周期清單分析

3.1 主要工程量

在本文為玉瓦水電站設(shè)置的邊界范圍內(nèi)，涉及到環(huán)境影響因素的主要工程量見(jiàn)表1。

表1 主要工程量表

3.2 建設(shè)階段

3.2.1 建設(shè)原材料生產(chǎn)

水電工程主要原材料為水泥、鋼筋，以及木材、炸藥、油料等。以PO42.5水泥為典型對(duì)象進(jìn)行溫室氣體排放清單分析[3](表2)。

3.2.2 材料運(yùn)輸

本電站所需水泥在綿陽(yáng)江油、都江堰等地采購(gòu)，鋼筋及鋼材等在成都采購(gòu)，油料在綿陽(yáng)采購(gòu)，均采用公路運(yùn)輸方式，運(yùn)輸距離在400～500 km。材料運(yùn)輸產(chǎn)生的溫室氣體主要來(lái)自運(yùn)輸設(shè)備燃油，汽車運(yùn)輸過(guò)程的溫室氣體排放清單[4]見(jiàn)表3。

3.2.3 施工過(guò)程

表2 PO42.5水泥溫室氣體排放清單

表3 汽車運(yùn)輸?shù)臏厥覛怏w排放清單 (t.km)

施工過(guò)程主要包括土石方工程、混凝土工程、灌漿工程等，其溫室氣體主要是各類機(jī)械設(shè)備耗油、耗電而產(chǎn)生。根據(jù)《水電工程施工機(jī)械臺(tái)時(shí)費(fèi)定額》得到單位施工過(guò)程的能源消耗情況，計(jì)算得到總的耗油、耗電情況。根據(jù)柴油及電能的溫室氣體排放清單，即可得到施工過(guò)程溫室氣體排放情況。其中，柴油的溫室氣體排放清單[5]見(jiàn)表4。

3.3 運(yùn)營(yíng)及維護(hù)階段

在水電站運(yùn)營(yíng)及維護(hù)階段，玉瓦水電站是以發(fā)電為主的水電工程，在電站運(yùn)行期間幾乎沒(méi)有污染物的排放[6]；在電站水庫(kù)淹沒(méi)的植被和土壤有機(jī)物被微生物分解為CO2和CH4，是水庫(kù)中重要的溫室氣體來(lái)源。

3.4 廢棄處置階段

表4 柴油的溫室氣體排放清單

在水電站廢棄處置階段，電站退役后往往會(huì)繼續(xù)保留大壩。目前還沒(méi)有關(guān)于水電站廢棄處置污染排放方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，一般假定該過(guò)程CO2排放為建設(shè)過(guò)程的10%[7]。

3.5 生命周期分析結(jié)果

根據(jù)各階段溫室氣體排放情況，匯總得到生命周期內(nèi)溫室氣體排放結(jié)果(表5)。

4 討論與分析

表5 生命周期溫室氣體分析結(jié)果

4.1 溫室氣體排放分析

根據(jù)文獻(xiàn)[8]對(duì)不同環(huán)境影響類型的標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)進(jìn)行了研究，可以將CO及CH4折算為CO2當(dāng)量，見(jiàn)表6。

表6 溫室氣體當(dāng)量因子

據(jù)此，玉瓦水電站生命周期溫室氣體排放量可折算為1.99×108kg，該電站年發(fā)電量2.046億kWh，按設(shè)計(jì)使用壽命50年考慮，總發(fā)電量約102.3億kWh，單位溫室氣體排放量為19.55 kg CO2-eq/MWh，介于早期關(guān)于水電站溫室氣體排放系數(shù)的研究范圍內(nèi)(2～48 kg/(MW?h))(USNEI，2005)[9,10]。

4.2 各階段溫室氣體排放分析

根據(jù)玉瓦水電站生命周期溫室氣體排放量及各階段溫室氣體排放量情況，可以得到建設(shè)階段、運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段及廢棄處置階段的溫室氣體排放占比情況，見(jiàn)圖2。

可以看出，建設(shè)階段對(duì)溫室氣體排放的貢獻(xiàn)值最大，達(dá)到了80.79%，運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段及廢棄處置階段僅約20%。其中，原材料生產(chǎn)對(duì)溫室氣體排放占整個(gè)建設(shè)階段的約90%，因此應(yīng)充分重視建設(shè)原材料的選擇及使用對(duì)水電站生命周期內(nèi)溫室氣體排放的影響。

圖2 各階段溫室氣體排放占比

4.3 與火力發(fā)電溫室氣體排放比較

根據(jù)相關(guān)研究成果得到火力發(fā)電生命周期溫室氣體排放系數(shù)[11]為1 083.7～1 341.9 kgCO2eq/MWh?？梢钥闯觯裢咚娬緶厥覛怏w排放僅約為火力發(fā)電的1/50，彰顯了水力發(fā)電的清潔屬性。

4.4 與大型水電站溫室氣體排放比較

杜海龍[12]對(duì)金沙江下游向家壩等四個(gè)大型水電站生命周期溫室氣體排放進(jìn)行了研究，電站裝機(jī)容量達(dá)6 400 MW～16 000 MW，生命周期溫室氣體排放系數(shù)為4.39 kgCO2eq/MWh ～9.14 kgCO2eq/MWh。玉瓦水電站與大型水電站溫室氣體排放系數(shù)對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖3 與大型水電站溫室氣體排放系數(shù)對(duì)比

可以看出，作為中小型長(zhǎng)引水式電站，玉瓦水電站生命周期溫室氣體排放系數(shù)高于金沙江下游四個(gè)大型水電站生命周期溫室氣體排放系數(shù)，其原因可能是裝機(jī)規(guī)模擴(kuò)大所帶來(lái)的發(fā)電量增加效益，要大于由此帶來(lái)的能源消耗與溫室氣體排放影響。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于生命周期的角度，以玉瓦水電站為工程背景，對(duì)中小型長(zhǎng)引水式電站生命周期溫室氣體排放進(jìn)行了研究。玉瓦水電站單位溫室氣體排放量為19.55 kg CO2-eq/MWh，其中，建設(shè)階段對(duì)溫室氣體排放的貢獻(xiàn)值最大，約占80%。與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比，玉瓦水電站生命周期溫室氣體排放十分優(yōu)異。大力開發(fā)水電能有效的減低溫室氣體的排放。與大型水電站相比，作為中小型長(zhǎng)引水式電站，玉瓦水電站生命周期溫室氣體排放較高。因此，在確定開發(fā)方式及電站規(guī)模時(shí)，除技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素外，需考慮生命周期內(nèi)環(huán)境影響，評(píng)估減排效益，闡明水力發(fā)電的清潔性與優(yōu)質(zhì)性。