歐洲與環(huán)境相容的小水電模擬方法

［丹麥］D.克拉布 等

任何人造裝置的建立都會(huì)產(chǎn)生影響，可再生能源發(fā)電裝置也不例外。由于發(fā)電機(jī)的能量來(lái)源和類(lèi)型取決于許多變量，因而需要根據(jù)專(zhuān)門(mén)的技術(shù)基準(zhǔn)考慮環(huán)境影響。

歐盟各成員國(guó)提出的2020 年國(guó)家可再生能源行動(dòng)計(jì)劃表明，2012～2020 年將額外建立裝機(jī)464 MW 的微型水電(小于1 MW)、裝機(jī)2 430 MW 的小型水電(1～10 MW)和裝機(jī)17 114 MW 的大型水電(大于10 MW)。雖然小水電占預(yù)計(jì)新增水電容量比例較小，但其發(fā)電裝置的數(shù)量卻比大型水電類(lèi)的數(shù)量多。據(jù)預(yù)測(cè)，歐盟27 個(gè)成員國(guó)的小水電站可能會(huì)有幾千座。因此，在小范圍內(nèi)將會(huì)有明顯的環(huán)境影響，而對(duì)公眾、各個(gè)行業(yè)和政策制定者來(lái)說(shuō)，確定水電潛能很有意義，并盡力從環(huán)境方面考慮量化可能會(huì)減少總水電潛能的程度。

1 方法

1.1 水道數(shù)據(jù)

歐洲流域和河流網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(ECRINS)是一組由歐洲署建立和管理的微軟存取數(shù)據(jù)庫(kù)，包含各流域、河流、湖泊、監(jiān)測(cè)站和大壩連接且有地理標(biāo)志的數(shù)據(jù)，還可獲得與流量相關(guān)的輔助數(shù)據(jù)。ECRINS 包含138 000 個(gè)基本流域，其平均集水面積為92 km2。

ECRINS 為評(píng)估小水電技術(shù)潛能提供了重要基礎(chǔ)。在第一個(gè)流域內(nèi)，可識(shí)別主要河流(稱(chēng)為主要排水系統(tǒng))及其支流。大壩位置也包含在數(shù)據(jù)庫(kù)中，雖然這方面工作還不夠完善。一系列沿主要河流的數(shù)據(jù)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)代表流量測(cè)量結(jié)果已被記錄的測(cè)點(diǎn)位置，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有相關(guān)的高程，以便能確定節(jié)點(diǎn)之間的垂直位移。

最為理想的是，在每個(gè)壩址處都可獲得一條流量歷時(shí)曲線(FDC)，這樣就可直接計(jì)算技術(shù)潛能。通常不易獲得這些數(shù)據(jù)，但對(duì)于每個(gè)流域要河流上所選擇的節(jié)點(diǎn)，可獲取年均或月均流量的數(shù)據(jù)。平均流量數(shù)據(jù)可為小水電資源評(píng)估提供近似值。

1.2 技術(shù)潛能的假設(shè)

就這項(xiàng)研究而言，可將技術(shù)潛能定義為一個(gè)可開(kāi)發(fā)水電潛能的地理區(qū)域，暫不考慮經(jīng)濟(jì)或環(huán)境因素。假設(shè)從選擇數(shù)據(jù)點(diǎn)可獲得高度和平均流量數(shù)據(jù)，則可實(shí)現(xiàn)在地區(qū)、國(guó)家乃至洲的層面上估計(jì)小水電的技術(shù)潛能。按這種規(guī)模估計(jì)小水電的方法需要以一系列的假設(shè)為基礎(chǔ)，這樣才能為每個(gè)壩址提供合理的近似值。

該研究是基于以下假設(shè)進(jìn)行的:①假設(shè)為一個(gè)小水電項(xiàng)目安裝選定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置;②評(píng)估電能產(chǎn)量時(shí)，假設(shè)每個(gè)選定的站址都是高水頭徑流式方案;③每個(gè)小水電站站址的引水點(diǎn)緊靠其上游節(jié)點(diǎn)，因此，節(jié)點(diǎn)之間的高程差就是計(jì)算的水頭;④每個(gè)小水電項(xiàng)目的額定功率及年發(fā)電量應(yīng)根據(jù)引水點(diǎn)的平均流量和從引水點(diǎn)至水力發(fā)電機(jī)組安裝處的水頭進(jìn)行計(jì)算;⑤基建費(fèi)(CAPEX)和運(yùn)行費(fèi)(OPEX)是以歐洲小水電協(xié)會(huì)(ESHA)針對(duì)不同歐盟國(guó)家小水電開(kāi)發(fā)提供的價(jià)值范圍為依據(jù)的。

發(fā)電機(jī)組功率輸出由式(1)給出:

如果假定整個(gè)系統(tǒng)的效率為70%，則式(1)可近似地改寫(xiě)為:

方案規(guī)模可根據(jù)設(shè)計(jì)流量和發(fā)電機(jī)容量系數(shù)加以評(píng)估。假設(shè)每個(gè)小水電項(xiàng)目都根據(jù)平均流量Qmean進(jìn)行設(shè)計(jì)，那么一個(gè)小水電方案的設(shè)計(jì)，特別是其裝機(jī)容量和發(fā)電機(jī)容量系數(shù)的設(shè)計(jì)，將取決于可獲得的流量及允許以這種流量運(yùn)行的時(shí)間。發(fā)電機(jī)容量系數(shù)隨設(shè)計(jì)流量的變化而變化，且成反比關(guān)系。該系數(shù)有助于以千瓦時(shí)為單位計(jì)算站址的年發(fā)電量。在第一次求解技術(shù)潛能的近似計(jì)算中，設(shè)計(jì)流量取為0.75Qmean。假設(shè)單位裝機(jī)容量的造價(jià)隨電站規(guī)模的減小而增加，根據(jù)每個(gè)小水電站站址的額定功率，可進(jìn)一步確定技術(shù)潛能。此外，運(yùn)行、維修費(fèi)是根據(jù)ESHA 的數(shù)據(jù)作為電站投資費(fèi)的百分比計(jì)算得出的。

一旦確定了技術(shù)潛能，就可計(jì)算成本，進(jìn)而得出一條資源成本曲線(RCC)。

1.3 環(huán)境相容潛能假設(shè)

實(shí)際上，引水流量的比率可根據(jù)符合環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的必要性進(jìn)行變化，其定義為減去一定比例后的技術(shù)潛能，扣除的這部分用于確保河流生態(tài)系統(tǒng)的最小流量。

這種取水流量比率與站址的具體情況密切相關(guān)，但為能在大的空間范圍內(nèi)得出有意義的結(jié)果，必須對(duì)所有地區(qū)做出一般性假設(shè)。在此介紹的實(shí)例中，已假定采用了相當(dāng)于0.33Qmean的流量，以說(shuō)明減少的流量對(duì)小水電資源的影響。電站的基建費(fèi)也要增加1/3。

減少的流量和增加的費(fèi)用是代表量(proxies)，設(shè)計(jì)這種代表量旨在應(yīng)對(duì)以下問(wèn)題:①限制引水流量比率以保持流量，并有助于獲得或保持良好的生態(tài)潛力或狀態(tài);②過(guò)魚(yú)及相關(guān)基建費(fèi);③一個(gè)流域或一組流域內(nèi)小水電開(kāi)發(fā)的相對(duì)密度，在環(huán)境敏感區(qū)，這種相對(duì)密度更低;④防止水流進(jìn)入某些指定區(qū)域。

值得注意的是，引水流量選擇為0.33Qmean是任意的。在現(xiàn)階段，幾乎沒(méi)有文獻(xiàn)資料表明在現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)功能得到有效發(fā)揮的水體中剩余流量的水平。

2 結(jié) 果

RCC 是為西班牙庇里牛斯地區(qū)的流域制定的，采用該流域作為試點(diǎn)是因?yàn)樵摰貐^(qū)的數(shù)據(jù)比其他地區(qū)更加完整。已采用以下步驟繪制實(shí)例流域的一條RCC:①計(jì)算每座常規(guī)小水電站的額定功率;②由額定功率得出基建費(fèi);③假設(shè)發(fā)電機(jī)容量系數(shù)為50%，根據(jù)額定功率計(jì)算發(fā)電量;④對(duì)該流域地區(qū)內(nèi)的每個(gè)小水電站站址，通過(guò)貼現(xiàn)現(xiàn)金流量分析，以歐分/ kW·h 為單位計(jì)算電能的單位成本;為達(dá)到指示性目的，假設(shè)每個(gè)小水電站的建設(shè)工期為1 a，其技術(shù)壽命為40 a;還假設(shè)需要數(shù)額為原基建費(fèi)20%的資金用于電站運(yùn)行20 a 后機(jī)械部件的整修。

一旦獲得安裝費(fèi)，就可為研究中的區(qū)域生成一條RCC。在此情況下，RCC 在技術(shù)潛能和環(huán)境相容方面表明了從最經(jīng)濟(jì)的站址到不太有利的站址的進(jìn)展情況。結(jié)果表明，以較低成本可獲得大量重要資源(低于0.04歐元/kW·h，可得到21 000 MW·h/a)，但是高出0.04歐元/kW·h 時(shí)，開(kāi)發(fā)可獲資源的成本就會(huì)明顯增加。

此外，利用環(huán)境相容資源的額外限制條件可計(jì)算出潛能。引水流量限制及基建費(fèi)用的增加對(duì)RCC 有明顯影響。如果采用0.06歐元/kW·h 作為參考發(fā)電成本，那么潛能就會(huì)減少約40%。在更廣泛的基礎(chǔ)上，如果某些站址位于施加額外限制的指定區(qū)域內(nèi)，那么潛在發(fā)電量還會(huì)進(jìn)一步減少。

3 討 論

如果已知不確定量和假設(shè)數(shù)目，則上述結(jié)果僅為指示性的。這些結(jié)果表明，如果作為初始技術(shù)潛能基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)存在，且如果可作出有關(guān)環(huán)境約束影響的假設(shè)，就可計(jì)算環(huán)境相容潛能。

影響該方法精度不確定性的例子包括以下幾個(gè)方面:①每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可看作是一個(gè)小水電站的站址，每個(gè)站址都充分利用前一個(gè)節(jié)點(diǎn)到本節(jié)點(diǎn)的水頭，這就可能過(guò)高估計(jì)潛能;②未考慮節(jié)點(diǎn)之間的距離對(duì)基建費(fèi)的影響，而距離和地形會(huì)對(duì)安裝費(fèi)產(chǎn)生顯著影響;③ECRINS 未提供支流的流量信息，這些支流可新增更多潛能;④該方法中未考慮節(jié)點(diǎn)至道路和電網(wǎng)的距離;⑤環(huán)境相容假設(shè)不可跨管理部門(mén)應(yīng)用，因?yàn)檫@樣可能過(guò)低或過(guò)高估計(jì)小水電開(kāi)發(fā)的額外費(fèi)用負(fù)擔(dān)。

這些假設(shè)的實(shí)例表明，并非每個(gè)電站都需修建魚(yú)梯，可利用被保護(hù)區(qū)來(lái)安裝水電設(shè)備。因此需改善環(huán)境，以保持水體的環(huán)境整體性，這就會(huì)導(dǎo)致費(fèi)用的增加。

在該方法中做了許多假設(shè)，試圖評(píng)估受潛能、成本增加或更為嚴(yán)格的環(huán)境因素的限制。盡管這種評(píng)估只是文獻(xiàn)中難以獲得更加精細(xì)的代表量的一種反映，但是有理由認(rèn)為這種方法具有一定的有效性。

2010 年，有專(zhuān)家就曾表示，為提供足夠的剩余流量以確保連續(xù)性，可評(píng)估發(fā)電損失400 GW·h/a，約占每年總發(fā)電量的1%。提供足夠的剩余流量以獲得良好的生態(tài)潛力或狀態(tài)可能會(huì)導(dǎo)致約5%的發(fā)電損失，難以緩解水電峰荷的影響，且缺乏措施方面的知識(shí)。

顯然，在找到可應(yīng)用于洲級(jí)估計(jì)的環(huán)境約束代表量之前，可對(duì)合理代表量做更加詳細(xì)的分析，這可能是未來(lái)水電開(kāi)發(fā)工作的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。

可采取多種措施提高技術(shù)潛能，但這些措施通常都依賴(lài)于數(shù)據(jù)集完整性的提高，或依賴(lài)于新增站址信息，而這些信息不能公開(kāi)買(mǎi)到，或是跨越整個(gè)歐洲的成本太高。

了解歐洲范圍內(nèi)的水電資源，無(wú)論是對(duì)政策制定者、環(huán)保機(jī)構(gòu)、水務(wù)部門(mén)而言，還是未來(lái)在不同地點(diǎn)預(yù)測(cè)可再生能源都極為重要。了解水電資源使公共和私人資金能投向最佳目標(biāo)，以便使技術(shù)產(chǎn)量達(dá)到最大。但必須認(rèn)識(shí)到，需提高歐洲水道的質(zhì)量，以符合歐盟《水框架指令》。這次模擬訓(xùn)練是用洲級(jí)范圍的方法計(jì)算歐洲水電潛能的第一步。但歐洲流域和河流網(wǎng)絡(luò)系的數(shù)據(jù)庫(kù)還需要更加完整，以便證明使用這種數(shù)據(jù)來(lái)源做其他嘗試的準(zhǔn)確性。