能源回報(bào)率介紹及在水電中的應(yīng)用

(1.廣東粵電南水發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東 韶關(guān) 512700； 2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

1 概 述

全球氣候變化問(wèn)題是人類(lèi)迄今為止面臨的規(guī)模最

大、范圍最廣、影響最為深遠(yuǎn)的挑戰(zhàn)之一，也是影響未來(lái)世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展、重構(gòu)全球政治和經(jīng)濟(jì)格局的最重要因素之一[1]。全球氣候變化要求我國(guó)必須積極采取有效措施，主動(dòng)推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，降低化石能源在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的占比，減少溫室氣體排放。我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)家方案中，將以水電為主的可再生能源列為能源替代戰(zhàn)略的優(yōu)先領(lǐng)域加以大力發(fā)展，以有效減少化石能源消費(fèi)。截至2017年底，我國(guó)水電總裝機(jī)容量達(dá)3.4億kW，約占全球水電裝機(jī)容量的30%，年發(fā)電量約1.2萬(wàn)億kW·h，占中國(guó)清潔能源發(fā)電量的70%。按發(fā)電量計(jì)算，我國(guó)目前水電的開(kāi)發(fā)程度僅為39%，與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有較大差距，未來(lái)我國(guó)需要繼續(xù)大力發(fā)展水電。水電站的建設(shè)和運(yùn)行自身也需要消耗能源，若從電站全生命周期的角度計(jì)算能源的投入產(chǎn)出比，就能夠客觀地評(píng)估水電工程的開(kāi)發(fā)效益，可以更加清晰地了解和認(rèn)識(shí)到水電在應(yīng)對(duì)氣候變化、節(jié)能減排等方面的巨大優(yōu)勢(shì)。

2 能源回報(bào)率的定義及計(jì)算

20世紀(jì)70年代初世界石油危機(jī)爆發(fā)后，全球能源結(jié)構(gòu)發(fā)生了急劇的變化，產(chǎn)生了包括能源獨(dú)立、空氣質(zhì)量，以及后來(lái)的氣候變化等一系列問(wèn)題[2]。許多國(guó)家開(kāi)始尋找石油替代品，能源回報(bào)率(Energy Payback Ratio)的概念正是在這一過(guò)程中出現(xiàn)的。以一個(gè)電站為例，能源回報(bào)率定義為電站在運(yùn)行期內(nèi)產(chǎn)出的所有能源與它在建設(shè)期、運(yùn)行期、終止期為維持其建設(shè)、運(yùn)行、拆卸所消耗的能源的比值[3]，可以表達(dá)如下：

(1)

式中EnL——電站在運(yùn)行期內(nèi)產(chǎn)出的能源；

EconL——電站在建設(shè)期所消耗的能源；

EopL——電站在運(yùn)行期所消耗的能源；

EdecL——電站在終止期所消耗的能源。

從能源回報(bào)率定義來(lái)看，一個(gè)電站的能源回報(bào)率主要取決于兩方面：一方面是該電站在運(yùn)行期內(nèi)所產(chǎn)出的能源，另一方面是建設(shè)以及維持電站運(yùn)轉(zhuǎn)并使電站能夠正常運(yùn)行所消耗的能源。如果一個(gè)電站的能源回報(bào)率值高，從能源投入、產(chǎn)出角度講，該電站具備良好的開(kāi)發(fā)效益；而如果一個(gè)電站的能源回報(bào)率值接近于1，就表明它所消耗的能源與它產(chǎn)出的能源一樣多，就不應(yīng)該建設(shè)與使用這樣的電站。

一個(gè)電站產(chǎn)出的能源值比較容易確定，而其消耗的能源值往往涉及多種因素故難以確定，因此絕大部分對(duì)于能源回報(bào)率的研究都集中在確定一個(gè)電站全生命周期所消耗的能源上。目前主要有兩種計(jì)算方法，包括投入/產(chǎn)出法(Input/Output Method)和過(guò)程鏈分析法(Process Chain Analysis)。

1973年，美國(guó)伊利諾斯大學(xué)Herendeen首次報(bào)道了能源投入/產(chǎn)出矩陣(Input/Output Matrix)，其中的商品和服務(wù)是用消耗的能源而不是貨幣來(lái)標(biāo)明的[4]。同年，基于能源投入/產(chǎn)出矩陣，Bullard和Herendeen首次利用投入/產(chǎn)出法進(jìn)行了能源計(jì)算分析[5]。其后，伊利諾斯大學(xué)的能源研究小組分別在1981年和1985年對(duì)上述能源投入/產(chǎn)出矩陣進(jìn)行了更新[6-7]。另外一種評(píng)估能源消耗的方法是過(guò)程鏈分析法，這種方法直接對(duì)過(guò)程鏈上的能源消耗進(jìn)行計(jì)算分析。1974年，英國(guó)公開(kāi)大學(xué)Chapman首次報(bào)道了過(guò)程鏈分析法[8]。過(guò)程鏈分析法總結(jié)了全過(guò)程每一個(gè)步驟的能量消耗，通過(guò)確定開(kāi)采、運(yùn)輸、加工等每一個(gè)步驟所消耗的能量來(lái)計(jì)算分析獲得成品時(shí)所需要的能量。在實(shí)際評(píng)估能源回報(bào)率的應(yīng)用中，通常聯(lián)合使用上述的兩種方法以得到一個(gè)合理的評(píng)估結(jié)果[9-10]。

3 水電的能源回報(bào)率

水電站的全生命周期可以分為以下幾個(gè)階段[3]：?基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，通常指發(fā)電站建設(shè)；?電站的運(yùn)行與維護(hù)；?基本附屬設(shè)施建設(shè)，包括水電站管理人員辦公設(shè)施等的建設(shè)、拆除與再投資；?輸電網(wǎng)/配電網(wǎng)的建設(shè)、拆除與維護(hù)；?輸電/配電，電網(wǎng)的損耗；?電站退役處置。水電站的能源投入主要包括上述各個(gè)階段的原材料、勞力和燃料等投入(見(jiàn)下表)[11]；能量輸出是水電站全生命周期內(nèi)所輸出的電力。通過(guò)對(duì)水電站全生命周期各階段的各種類(lèi)型能量投入的分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，可以計(jì)算水電站全生命周期的能耗總量：

(2)

式中Ein——水電站全生命周期能耗;

Eij——第j階段的第i種能耗。

水電站全生命周期的能源投入表

水電站的能源回報(bào)率為在全生命周期內(nèi)產(chǎn)出的所有能源與它所消耗能源的比值：

(3)

式中EPR——能源回報(bào)率；

Ein——水電站全生命周期的能耗總量；

Eout——水電站全生命周期能源產(chǎn)出總量。

加拿大魁北克水電公司基于近百年的水電設(shè)施相關(guān)數(shù)據(jù)，評(píng)估其下屬的水庫(kù)式水電站的能源回報(bào)率在50到260之間[12]。

作者選擇白鶴灘水電站為例，采用上述方法分析了其能源回報(bào)率。白鶴灘水電站位于四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，是金沙江下游干流河段梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第二個(gè)梯級(jí)電站，以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙、改善下游航運(yùn)條件和發(fā)展庫(kù)區(qū)通航等綜合效益。樞紐由攔河壩、泄洪消能設(shè)施、引水發(fā)電系統(tǒng)等主要建筑物組成。水庫(kù)正常蓄水位825.00m，相應(yīng)庫(kù)容206億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容104億m3，防洪庫(kù)容75億m3。地下廠(chǎng)房裝有16臺(tái)機(jī)組，裝機(jī)容量1600萬(wàn)kW，多年平均發(fā)電量602.4億kW·h。根據(jù)文獻(xiàn)[13][14]提供的白鶴灘水電站施工期和運(yùn)行期的能耗量數(shù)據(jù)，按運(yùn)行100年考慮，計(jì)算得出白鶴灘水電站的能源回報(bào)率為95。如前所述，水庫(kù)式水電站的能源回報(bào)率一般在50到260之間，白鶴灘水電站的能源回報(bào)率符合水庫(kù)式水電站的一般數(shù)值范圍。

4 水電與其他發(fā)電形式的能源回報(bào)率比較

從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)威斯康星大學(xué)、世界能源委員會(huì)、世界核能協(xié)會(huì)等機(jī)構(gòu)或單位先后對(duì)傳統(tǒng)發(fā)電模式以及新能源發(fā)電的能源回報(bào)率進(jìn)行了評(píng)估或歸納總結(jié)[10][15-18]。Gagnon比較了各種發(fā)電模式的能源回報(bào)率[12]，見(jiàn)下圖。由下圖可見(jiàn)，在各種能源開(kāi)發(fā)中，水電的能源回報(bào)率最高，其中水庫(kù)式水電的能源回報(bào)率為205～280，徑流式水電的能源回報(bào)率為170～267；其次為風(fēng)電，能源回報(bào)率為18～34；核電、生物能與太陽(yáng)能的能源回報(bào)率范圍分別為14～16、3～5和3～6；傳統(tǒng)火電與碳回收技術(shù)火電的能源回報(bào)率范圍最低，分別為2.5～5.1和1.6～3.3。

各種發(fā)電模式的能源回報(bào)率圖

綜上所述，水電、風(fēng)電、核電具有較高的能源回報(bào)率，而傳統(tǒng)的煤炭、石油、天然氣發(fā)電具有較低的能源回報(bào)率。礦物質(zhì)燃料發(fā)電的能源回報(bào)率相差并不明顯，而可再生能源的能源回報(bào)率的差別就十分明顯。產(chǎn)生差別的原因是多方面的，比如水電站的來(lái)水量、風(fēng)的速度和太陽(yáng)光的集中程度等?？傊?，水電在所有發(fā)電模式中具有最高的能源回報(bào)率，在應(yīng)對(duì)氣候變化、節(jié)能減排等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié) 語(yǔ)

能源回報(bào)率可以從電站全生命周期的角度計(jì)算能源的投入產(chǎn)出比。本文介紹了能源回報(bào)率的定義以及計(jì)算方法，并應(yīng)用于水電的能源回報(bào)率評(píng)估。與其他發(fā)電形式相比，水電在所有發(fā)電模式中具有最高的能源回報(bào)率，在應(yīng)對(duì)氣候變化、節(jié)能減排等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)對(duì)氣候變化的目標(biāo)，有效減少化石能源的消費(fèi)，未來(lái)我國(guó)需要繼續(xù)推進(jìn)水電又好又快發(fā)展。

[1] 胡鞍鋼,管清友.應(yīng)對(duì)全球氣候變化：中國(guó)的貢獻(xiàn)——兼評(píng)托尼·布萊爾《打破氣候變化僵局：低碳未來(lái)的全球協(xié)議》報(bào)告[J].當(dāng)代亞太，2008(4):7-25.

[2] Gagnon,L.Civilisation and energy payback [J].Energy Policy,2008,36(9):3317-3322.

[3] World Energy Council.Comparison of energy systems using life cycle assessment [R].London,2004.

[4] Herendeen,R.A.An energy Input-Output Matrix for the United States,1963:User’s guide [R].CAC Document No.69,Center for Advanced Computation,Univ.of Illinois,1973.

[5] Bullard,C.W.,and Herendeen,R.A.Energy impact of consumption decisions [J].IEEE,1973,63(3):484-493.

[6] Hannon,B.,et al.Energy and labor intensities for 1972 [R].ERG Document 307,Energy Research Group,University of Illinois,1981.

[7] Hannon,B.,et al.Energy and labor intensities for 1977 [R].ERG Document 307,Energy Research Group,University of Illinois,1985.

[8] Chapman,P.F.Energy costs:a review of methods [J].Energy Policy,1974：91-103.

[9] Bullard,C.W.,Penner,P.S.,and Pilati,D.A.Net energy analysis:Handbook for combining process and Input-Output analysis [J].Resources and Energy,1978,1(3):267-313.

[10] White,S.W.,and Kulcinski,G.L.“Birth to Death” analysis of the energy payback ratio and CO2gas emission rates from coal,fission,wind and DT fusion electrical power plants [R].UWFDM-1063,University of Wisconsin-Madison,1999.

[11] 李海英，王東勝.我國(guó)水電能源回報(bào)率評(píng)估框架[C]∥杜祥琬首屆“中國(guó)工程院/國(guó)家能源局 能源論壇”論文集.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[12] Gagnon,L.Energy Payback Ratio [R].Hydro-Québec,2005.

[13] 金珍宏.白鶴灘水電站施工期能耗量分析方法[J].水利水電技術(shù)，2012,43(11)：34-36.

[14] 金珍宏.白鶴灘水電站運(yùn)行期能耗指標(biāo)計(jì)算分析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2013(4)：35-39.

[15] Spath,P.L.,Mann,M.K.,and Kerr,D.R.Life cycle assessment of coal-fired power production [R].National Renewable Energy Laboratory,USA,1999.

[16] Spath,P.L.,and Mann,M.K.Life Cycle Assessment of a Natural Gas Combined Cycle Power Generation System [R].National Renewable Energy Laboratory,USA,2000.

[17] White,S.W.,and Kulcinski,G.L.Net energy payback and CO2emissions from wind-generated electricity in the Midwest [R].University of Wisconsin-Madison,1998.

[18] Meier,P.J.Life-Cycle Assessment of Electricity Generation Systems and Applications for Climate Change Policy Analysis [D].Ph.D.thesis,University of Wisconsin-Madison,2002.