水電站碳減排評(píng)價(jià)中功率密度指標(biāo)的若干改進(jìn)建議

歐傳奇 葉敏敏 鄭明珂

(國(guó)際小水電中心， 浙江 杭州 310002)

水電站碳減排評(píng)價(jià)中功率密度指標(biāo)的若干改進(jìn)建議

歐傳奇 葉敏敏 鄭明珂

(國(guó)際小水電中心， 浙江 杭州 310002)

鑒于水庫(kù)溫室氣體排放的不確定性，聯(lián)合國(guó)清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)執(zhí)行理事會(huì)(EB)在其批準(zhǔn)的可再生能源發(fā)電并網(wǎng)項(xiàng)目整合的基準(zhǔn)線方法學(xué)(ACM0002)中，提出了一種以功率密度為判定依據(jù)，用來(lái)核證帶水庫(kù)水電站的CDM項(xiàng)目合格性的指標(biāo)。該指標(biāo)以裝機(jī)發(fā)電容量除以水庫(kù)滿庫(kù)容時(shí)的淹沒表面積來(lái)表征。經(jīng)分析，用裝機(jī)容量表征發(fā)電減排量存在一定的缺陷，用水庫(kù)滿庫(kù)容時(shí)淹沒表面積表征水庫(kù)溫室氣體排放量也不盡合理。為此，本文根據(jù)水電的特點(diǎn)進(jìn)行了修正和改進(jìn)，建立了減排效率指標(biāo)以及相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

水電站；碳減排評(píng)價(jià)；指標(biāo)；改進(jìn)；清潔發(fā)展機(jī)制；功率密度

水電在替代化石能源、減少溫室氣體排放、應(yīng)對(duì)全球氣候變暖中發(fā)揮了重要作用。同時(shí)，由于水庫(kù)淹沒植被，引起有機(jī)質(zhì)腐敗，也排放CO2和甲烷等溫室氣體，特別是當(dāng)水庫(kù)庫(kù)容較大時(shí)，這種增排量往往不能忽視。不過(guò)，水庫(kù)的溫室氣體排放存在不確定性，有專家在清潔發(fā)展機(jī)制(Clean Development Mechanism，CDM)執(zhí)行理事會(huì)(EB)第23次會(huì)議上提出了一種以功率密度為閾值，用來(lái)核證帶水庫(kù)的水電站CDM項(xiàng)目合格性的方法，并成為聯(lián)合國(guó)CDM執(zhí)行理事會(huì)(EB)批準(zhǔn)的方法學(xué)。

1 功率密度指標(biāo)的剖析

功率密度ω定義為裝機(jī)發(fā)電容量除以水庫(kù)滿庫(kù)容時(shí)的淹沒表面積，即用水電發(fā)電減排量(用裝機(jī)容量表征)與水庫(kù)可能的排放(用水庫(kù)滿庫(kù)容時(shí)淹沒表面積表征)作相對(duì)比較，用來(lái)確定帶水庫(kù)的水電站是否能夠運(yùn)用CDM項(xiàng)目減排計(jì)算經(jīng)批準(zhǔn)的方法學(xué)。

判定閾值設(shè)定為：當(dāng)ω≤4W/m2時(shí)，水電項(xiàng)目不能應(yīng)用目前的方法學(xué)；當(dāng)4W/m2<ω≤10W/m2時(shí)，水電項(xiàng)目能應(yīng)用目前經(jīng)批準(zhǔn)的方法學(xué)，但要計(jì)入項(xiàng)目水庫(kù)的排放，其排放因子為90gCO2eq/(kW·h)；當(dāng)ω≥10W/m2時(shí)，水電項(xiàng)目能應(yīng)用目前經(jīng)批準(zhǔn)的方法學(xué)，并且可忽略來(lái)自水庫(kù)的項(xiàng)目排放量(詳見EB67附件方法學(xué)ACM0002)。由于計(jì)算簡(jiǎn)便，所采用的參數(shù)易于獲取，功率密度在核證帶水庫(kù)的水電站CDM項(xiàng)目的合格性時(shí)被廣泛采用。然而，從根源上分析，功率密度指標(biāo)至少在下述幾個(gè)方面存在一定的局限性。

a.用裝機(jī)容量代替與減排直接對(duì)應(yīng)的水電站實(shí)際發(fā)電量不盡合理。以我國(guó)為例，受地域氣候條件的影響，不同區(qū)域的水電利用小時(shí)數(shù)存在較大的差異，西北部分干旱地區(qū)有些電站年利用小時(shí)數(shù)不足1000h，而西南地區(qū)多數(shù)在2500h以上，有的甚至在7000h以上。即便在同一區(qū)域，因降水年際分布不均，具有不同開發(fā)功能和調(diào)節(jié)性能的電站其年利用小時(shí)數(shù)也存在明顯的差異，承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)的多在3500h以下，甚至不到2000h，徑流式及一些引水式電站則一般在3000h以上。對(duì)于整個(gè)行業(yè)而言，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)全口徑水電、大中型水電、小水電年利用小時(shí)數(shù)近7年來(lái)年際間最大偏差分別達(dá)到23.70%、24.40%、22%(見圖1)。因此，計(jì)算功率密度時(shí)，裝機(jī)容量宜采用實(shí)際發(fā)電量來(lái)代替。

圖1 2010—2016年水電站利用小時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

b.發(fā)電減排沒有考慮水電站所接入的區(qū)域電網(wǎng)排放因子的影響。由于不同區(qū)域電網(wǎng)的電源組成和容量存在差異，同一電站并入不同電網(wǎng)所實(shí)現(xiàn)的減少化石能源消耗和溫室氣體排放數(shù)量是不同的，這種差異可以通過(guò)電網(wǎng)排放因子來(lái)考慮。根據(jù)發(fā)展改革委公布的數(shù)據(jù)(見下表)，2010—2015年我國(guó)各區(qū)域電網(wǎng)排放因子平均最大偏差達(dá)28.5%，顯然這種差異應(yīng)當(dāng)予以考慮。

c.用水庫(kù)淹沒表面積表征水庫(kù)溫室氣體排放量也不盡合理。從水庫(kù)排放溫室氣體(主要是甲烷)的機(jī)理來(lái)看，溫室氣體主要是由于水庫(kù)淹沒的植被及其他有機(jī)體發(fā)生腐敗而產(chǎn)生的，這與水庫(kù)淹沒面積(蓄水發(fā)電前未及時(shí)清庫(kù)的尤為明顯)、上游來(lái)水有機(jī)體含量、水體體積及含氧量等因素有關(guān)，而不是與水庫(kù)表面積(僅僅是淹沒面積在水平面上的投影)有關(guān)。對(duì)于處于深山峽谷中而水深較大的水庫(kù)，兩者差別也較大。此外，水庫(kù)淹沒面積也正是水體中易產(chǎn)生溫室氣體的有機(jī)體的沉積面，沉積面越大，水庫(kù)越深，沉積下來(lái)的有機(jī)質(zhì)就越多，產(chǎn)生的溫室氣體也越多。因此，功率密度計(jì)算時(shí)，水庫(kù)表面積宜采用水庫(kù)淹沒面積來(lái)代替。

d.采用正常蓄水位時(shí)的參數(shù)應(yīng)比采用滿庫(kù)容時(shí)的參數(shù)更符合實(shí)際。由于水庫(kù)內(nèi)腐殖質(zhì)只有在長(zhǎng)時(shí)間淹沒的相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下才會(huì)產(chǎn)生溫室氣體。最大庫(kù)容往往發(fā)生在水量較大的汛期，此時(shí)水體流動(dòng)速度較快而歷時(shí)較短，不利于溫室產(chǎn)生，實(shí)際發(fā)生概率較大的最大穩(wěn)定淹沒狀態(tài)應(yīng)為正常蓄水位時(shí)的狀態(tài)。

全國(guó)各區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子年度偏差情況表

注 根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委發(fā)布的全國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子計(jì)算(取OM與BM的均值)。

2 水庫(kù)淹沒面積的分析

與水庫(kù)水面面積相比，水庫(kù)淹沒面積難以準(zhǔn)確估量，水電站設(shè)計(jì)文件中也缺乏此數(shù)據(jù)。為此，考慮V形(窄深型，山區(qū)河道中上游)和U形(寬淺型，平原地區(qū)河道下游)兩種常見的水庫(kù)形狀(見圖2)，取庫(kù)區(qū)單位河長(zhǎng)來(lái)分析水庫(kù)淹沒面積與水庫(kù)表面積、庫(kù)容等參數(shù)的關(guān)系。

圖2 U形水庫(kù)和V形水庫(kù)斷面

對(duì)于V形水庫(kù)，有

(1)

(2)

對(duì)于U形水庫(kù)，有

(3)

S淹=K3(h)S表,S淹=K4(h)V

(4)

以上式中S淹——水庫(kù)淹沒面積；

S表——相應(yīng)水庫(kù)表面積；

V——相應(yīng)水庫(kù)庫(kù)容；

h——平均水深；

B——平均水面寬；

θ——水庫(kù)邊坡與水平面夾角；

K1、K2——與θ角有關(guān)的影響系數(shù)；

K3、K4——與平均水深h有關(guān)的影響系數(shù)。

如圖3所示，根據(jù)K1、K2與θ角的關(guān)系，對(duì)于V形水庫(kù)，水庫(kù)淹沒面積采用庫(kù)容計(jì)算時(shí)，受θ角變化的影響較小，即水庫(kù)淹沒面積與庫(kù)容的相關(guān)性較好，且當(dāng)θ角較大時(shí)，水庫(kù)水面面積與淹沒面積相差甚遠(yuǎn)；根據(jù)K3、K4與平均水深h的關(guān)系，對(duì)于U形水庫(kù)，盡管水庫(kù)淹沒面積與水庫(kù)表面積直接相關(guān)，但因增排量不容忽視的具有一定規(guī)模的電站水庫(kù)平均水深大多超過(guò)3m，水庫(kù)淹沒面積與庫(kù)容也具有較好的相關(guān)性。

綜上所述，無(wú)論是U形水庫(kù)還是V形水庫(kù)，采用水庫(kù)庫(kù)容表征水庫(kù)淹沒面積更具一般性。特別是小水電，多位于山區(qū)河流的中上游，河道蓄水成庫(kù)后，窄深的V形庫(kù)容相對(duì)較多，采用水庫(kù)庫(kù)容表征水庫(kù)淹沒面積更合理。

圖3 不同類型水庫(kù)采用不同參數(shù)計(jì)算對(duì)淹沒面積計(jì)算結(jié)果的影響分析

3 功率密度評(píng)價(jià)指標(biāo)的改進(jìn)建議

基于上述幾點(diǎn)，借用功率密度指標(biāo)構(gòu)建的基本思想和結(jié)構(gòu)，對(duì)功率密度指標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)。將功率密度指標(biāo)計(jì)算公式中的裝機(jī)容量用發(fā)電量代替，將水庫(kù)滿庫(kù)容時(shí)的淹沒表面積用正常蓄水位對(duì)應(yīng)的水庫(kù)庫(kù)容代替，并考慮電站所接入的區(qū)域電網(wǎng)排放因子的影響，定義減排效率為

(5)

式中e——減排效率，即單位立方米水電站庫(kù)容減排二氧化碳的數(shù)量，kg/m3；

f——年度排放因子，取國(guó)家發(fā)展改革委發(fā)布的全國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線電量邊際排放因子和容量邊際排放因子(見前表)的均值計(jì)算，tCO2/(MW·h)；

W——水電站的年發(fā)電量，萬(wàn)kW·h；

V——正常蓄水位對(duì)應(yīng)的水庫(kù)庫(kù)容(對(duì)于不以發(fā)電為主的綜合性樞紐工程，計(jì)算庫(kù)容宜取受電站建設(shè)或取水發(fā)電影響的庫(kù)容；對(duì)于無(wú)水庫(kù)的，相當(dāng)于e為無(wú)窮大)，萬(wàn)m3。

考慮到年際之間的差異，評(píng)價(jià)時(shí)可以連續(xù)多年(例如3年)為評(píng)價(jià)期，減排效率宜以評(píng)價(jià)期的平均值為判斷依據(jù)。

4 小水電減排效率指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的制定

圖4 減排效率閾值選取分析

圖4給出了連續(xù)3年42000多座小水電實(shí)際參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。按照達(dá)標(biāo)電站的比例(體現(xiàn)達(dá)標(biāo)的難易程度)，可確定指定目標(biāo)約束條件下的相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的閾值。以《綠色小水電評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 752—2017)為例，經(jīng)多位專家研討，并考慮到正常運(yùn)行的水電站其發(fā)電替代減排量總是高于水庫(kù)增排量等其他有關(guān)因素，最終確定了4、1兩個(gè)閾值(根據(jù)曲線彎曲規(guī)律，以85%的目標(biāo)為分界線，逐漸增加達(dá)標(biāo)率進(jìn)行取值，此時(shí)曲線曲率相對(duì)較低，閾值分布較為均勻)。即當(dāng)減排效率e≥4時(shí)，得分率取100%；當(dāng)1≤e<4時(shí)，得分率取60%；當(dāng)e<1時(shí)，得分率為20%。

5 結(jié) 語(yǔ)

盡管功率密度在核證帶水庫(kù)的水電站CDM項(xiàng)目的合格性時(shí)被廣泛采用，但其用裝機(jī)容量表征發(fā)電減排量存在一定的缺陷，用水庫(kù)滿庫(kù)容時(shí)的淹沒表面積表征水庫(kù)溫室氣體排放量也不盡合理。建議將功率密度指標(biāo)計(jì)算公式中的裝機(jī)容量用發(fā)電量代替，將水庫(kù)滿庫(kù)容時(shí)的淹沒表面積用正常蓄水位對(duì)應(yīng)的水庫(kù)庫(kù)容代替，同時(shí)考慮電站所接入的區(qū)域電網(wǎng)排放因子的影響。

[1] 王奕.清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)在水電項(xiàng)目中的應(yīng)用研究[D].中南大學(xué),2009.

[2] 劉亮,陳永柏,孫志禹.水庫(kù)溫室氣體排放的爭(zhēng)論與共識(shí)[J].中國(guó)三峽建設(shè)(科技版),2007,14(4):48-52.

[3] 陳進(jìn),黃薇.水庫(kù)溫室氣體排放問(wèn)題初探[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2008,25(6):1-5.

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[6] 吳炳方,趙炎,曾源.國(guó)際淡水水庫(kù)溫室氣體研究現(xiàn)狀——水庫(kù)溫室氣體研究國(guó)際研討會(huì)后記[J].中國(guó)三峽,2012(5):70-72.

[7] 劉德有,歐傳奇,葉敏敏.我國(guó)綠色小水電評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的編制情況[J].中國(guó)水能及電氣化,2015,(9)126:7-12.

[8] SL 752—2017綠色小水電評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2017.

Some Suggestions for Improvement of Power Density Indicators in Hydropower Station Carbon Emission Reduction Evaluation

OU Chuanqi, YE Minmin, ZHENG Mingke

(InternationalCenteronSmallHydropower,Hangzhou310002,China)

UN CDM Executive Board approves baseline methodology of renewable energy power generation grid-connected project integration (ACM0002). In the methodology, an index is proposed with power density as the determination for checking the CDM project compliance of the hydropower station reservoir in view of the uncertainty of reservoir greenhouse gas emission. The index is expressed with the installed power generation capacity divided by inundated surface area during full reservoir capacity. There is certain defect when installed capacity is used for expressing the power generation emission reduction according to analysis. It is also unreasonable to express the reservoir greenhouse gas emission by the inundated surface area during full reservoir capacity. The paper is corrected and improved according to hydropower characteristics, emission discharge efficiency index and corresponding evaluation standards are established as a result.

hydropower station; carbon emission reduction assessment; index; improvement; clean development mechanism; power density

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.07.007

TV74

A

1673-8241(2017)07- 0020- 05