小型水電站生命周期碳足跡研究

鄒一雄，劉 羽

(1.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430000；2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430000)

可再生清潔能源的使用已成為全球能源轉(zhuǎn)型及實(shí)現(xiàn)應(yīng)對(duì)氣候變化目標(biāo)的重大戰(zhàn)略舉措。全球能源轉(zhuǎn)型的基本趨勢是實(shí)現(xiàn)化石能源體系向低碳能源體系的轉(zhuǎn)變，最終進(jìn)入以可再生清潔能源為主的時(shí)代。中國水能資源極為豐富，可開發(fā)裝機(jī)容量約6.6億kW，在常規(guī)能源資源剩余可開采總量中僅次于煤炭，水電開發(fā)還將繼續(xù)作為中國在可再生能源領(lǐng)域不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要?jiǎng)恿吐男袘?yīng)對(duì)全球氣候變化責(zé)任的重要措施?！端姲l(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出，2020年水電總裝機(jī)容量將達(dá)到3.8億kW，年發(fā)電量達(dá)到1.25萬億kW·h，在非化石能源消費(fèi)中比重保持在50%以上。

本文通過對(duì)小水電站生命周期碳足跡的分析，核算得到單個(gè)水電站全生命周期的碳排放量，不僅可為溫室氣體減排統(tǒng)計(jì)提供基礎(chǔ)資料，而且對(duì)小水電站參與清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)和國內(nèi)碳交易市場的決策具有一定意義。

1 研究方法

1.1 生命周期評(píng)價(jià)

生命周期評(píng)價(jià)方法(Life Cycle Assessment，LCA)，是指對(duì)產(chǎn)品或項(xiàng)目在從原材料獲取到設(shè)計(jì)、制造、使用、直至廢棄的完整生命周期中，對(duì)其所有流程實(shí)際或潛在消耗的資源、能源以及產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行整體定量計(jì)算評(píng)價(jià)[1]。

根據(jù)LCA的合理簡化原則，在對(duì)水電站工程生命周期進(jìn)行充分分析研究的基礎(chǔ)上，確定系統(tǒng)研究范圍及時(shí)空邊界如下：碳足跡產(chǎn)生的范圍包括籌建階段的移民搬遷、庫底清理所消耗能源、工程建設(shè)所使用的原材料，建設(shè)期及運(yùn)行期的能源消耗，運(yùn)行期水庫區(qū)的碳釋放及報(bào)廢拆除階段的碳釋放和能耗；時(shí)間邊界包括籌建期、建設(shè)期、運(yùn)行期和報(bào)廢期共4個(gè)階段；空間邊界包括水電站建筑物、機(jī)電設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施和正常蓄水位時(shí)的水庫水面范圍；水電站生命周期碳足跡研究系統(tǒng)范圍及邊界見圖1。

圖1 水電站生命周期碳足跡研究范圍圖

本文僅分析和研究水電站生命周期的溫室氣體排放，對(duì)水電站生命周期中的潛在環(huán)境影響僅考慮溫室效應(yīng)方面，不計(jì)其他方面的環(huán)境影響。因此本文的LCA范圍確定在水電站生命周期與溫室氣體排放有關(guān)的階段，清單分析項(xiàng)目為溫室氣體排放，并簡化或忽略其他與碳排放關(guān)系不密切的環(huán)境影響，見表1。

表1 水電站生命周期碳足跡分析清單表

1.2 碳足跡

碳足跡是由生態(tài)足跡衍生出來的概念。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織定義，產(chǎn)品碳足跡是指產(chǎn)品由原料取得、制造、運(yùn)輸、銷售、使用以及廢棄階段過程中所直接與間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量[2]。

1.3 溫室氣體排放系數(shù)

排放到大氣中的最主要的溫室氣體包括CO2、CH4和N2O。在考慮溫室氣體對(duì)全球增溫的影響程度時(shí)，通常用全球增溫潛勢值(Global warming Potential，GWP)來衡量。GWP表示不同溫室氣體在不同時(shí)間內(nèi)在大氣中保持綜合影響及其吸收外逸熱紅外輻射的相對(duì)作用，即相對(duì)于CO2的增溫能力。根據(jù)國家發(fā)改委的統(tǒng)計(jì)口徑，目前中國在氣候變化國家信息通報(bào)等報(bào)告制定中仍采用聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第二次評(píng)估報(bào)告中的值，故本文采用的CO2、CH4和N2O的GWP值分別為1、21和310。下文均以此系數(shù)將各類溫室氣體排放量折算為CO2當(dāng)量(以CO2e表示)。

發(fā)電站生命周期的溫室氣體排放系數(shù)(Life cycle GHG emission factor，LCE)通常用作從全球增溫角度來進(jìn)行各類發(fā)電方式碳排放量比較的依據(jù)。各種類型的發(fā)電站在其生命周期內(nèi)單位發(fā)電量(1 kW·h)排放的溫室氣體計(jì)算公式為：

式中：i代表發(fā)電站生命周期的第i個(gè)階段；j代表第j種溫室氣體；Eij為發(fā)電站生命周期第i階段中第j種溫室氣體的排放量；GWPj代表第j種溫室氣體的GWP值；M為發(fā)電站在全生命周期中的電力輸出。

1.4 主要計(jì)算參數(shù)及來源

碳足跡計(jì)算基于工程設(shè)計(jì)成果，其他參數(shù)主要來源包括CLCD基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、EIO-LCA模型、IPCC國家溫室氣體清單指南報(bào)告、中國區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子和其他有關(guān)研究，綜合現(xiàn)有的研究成果和本項(xiàng)目的基本情況，本文中選擇的電站工程碳足跡分析項(xiàng)目及其主要數(shù)據(jù)見表2。

表2 各階段碳足跡參數(shù)及來源表

2 水電站生命周期碳足跡及溫室氣體排放系數(shù)計(jì)算

2.1 研究對(duì)象

本文選取通城縣外環(huán)大橋攔河閘樞紐水電站作為研究對(duì)象。該電站位于湖北省咸寧市通城縣城區(qū)的雋水河上，閘址以上流域面積703 km2，是一座結(jié)合新建雋水河外環(huán)大橋攔河閘樞紐而建設(shè)的河床式水電站，電站的開發(fā)方式為：在攔河閘樞紐蓄水后，優(yōu)先保證閘上維持正常蓄水位不變，將閘上來水引入電站廠房發(fā)電，發(fā)電尾水回歸下游河道內(nèi)。電站安裝3臺(tái)單機(jī)300 kW的發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量900 kW，設(shè)計(jì)多年平均發(fā)電量374.5萬kW·h。

2.2 工程籌建階段

水電站項(xiàng)目籌建階段的碳足跡主要指庫底清理工作的碳足跡。由于本研究項(xiàng)目攔河閘的擋水高度僅為4.5 m，閘址以上水電站庫區(qū)全部位于現(xiàn)狀河道范圍內(nèi)，庫區(qū)內(nèi)無居民點(diǎn)拆遷、工礦企業(yè)遷建、消毒防疫和庫底清理工作，因此本次研究項(xiàng)目可不計(jì)工程籌建階段的碳足跡。

2.3 工程建設(shè)階段

外環(huán)大橋攔河閘樞紐水電站建設(shè)過程使用的建設(shè)材料主要包括水泥、預(yù)拌混凝土、砂石、鋼筋、燃料等；設(shè)備包括機(jī)電設(shè)備與金屬結(jié)構(gòu)。其碳足跡主要根據(jù)工程設(shè)計(jì)成果中各類材料的用量及每種材料各自的碳足跡數(shù)據(jù)計(jì)算得到。其中，砂土主要來自項(xiàng)目區(qū)開挖料，因此以建設(shè)期的燃料消耗量進(jìn)行計(jì)算。運(yùn)輸過程包括材料及設(shè)備的進(jìn)場和場內(nèi)運(yùn)輸過程，其碳足跡主要來自于運(yùn)輸過程中柴油等燃料的消耗。施工過程的主要工作包括土石方開挖及回填、混凝土澆筑、鋼筋制作、金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備安裝等，在施工過程的碳足跡計(jì)算中，僅考慮機(jī)械設(shè)備施工過程中消耗的柴油、電力等能源數(shù)據(jù)。

根據(jù)工程設(shè)計(jì)成果，水電站建設(shè)階段的碳足跡共計(jì)15 959.3 t，見表3。

表3 建設(shè)階段碳足跡表

2.4 工程運(yùn)行階段

水電站項(xiàng)目運(yùn)行階段的碳足跡主要來自于運(yùn)行階段所消耗的能源、燃料以及由于攔河閘蓄水建設(shè)淹沒造成的庫區(qū)新增溫室氣體釋放。

在水電站運(yùn)行階段，由于電站設(shè)備的調(diào)度運(yùn)行和正常維護(hù)的需要，進(jìn)行閘門啟閉、機(jī)組調(diào)控及機(jī)械設(shè)備養(yǎng)護(hù)等工作均需消耗能源，這些能源消耗構(gòu)成了運(yùn)行階段水電站工程的碳足跡。經(jīng)綜合分析，水電站的主要用能設(shè)備有水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組、電氣設(shè)備、變壓器、閘門啟閉設(shè)備、水泵等電站生產(chǎn)系統(tǒng)以及廠房照明用電、暖通用電和控制室用電等，運(yùn)行期以消耗電能為主。采用2017年生態(tài)環(huán)境部公布的華中電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子和水電站運(yùn)行期電耗來計(jì)算電站運(yùn)行維護(hù)階段的碳足跡。

水電站運(yùn)行期電耗為3.5萬kW·h/年，折合碳足跡為31.55 t CO2e，運(yùn)行期按20年計(jì)，相應(yīng)的電耗碳足跡共計(jì)631.0 t CO2e。

由于攔河閘蓄水改變了河道區(qū)域的原生環(huán)境，使水面擴(kuò)大，原本的陸地環(huán)境被水面和濕地所替代，庫底原有的有機(jī)沉積物的分解和消落帶腐爛的生物分解將會(huì)新增溫室氣體的排放，釋放的主要?dú)怏w包括CO2和CH4。根據(jù)有關(guān)研究，部分國家的典型水庫蓄水期的溫室氣體釋放量很大，甚至使水電站的運(yùn)行期碳排放達(dá)到與火電相當(dāng)?shù)某潭萚7]。

對(duì)于水庫蓄水后的溫室氣體排放，本文主要采用由聯(lián)合國教科文組織(UNESCO)和國際水電協(xié)會(huì)(IHA)淡水水庫溫室氣體排放研究項(xiàng)目共同開發(fā)的The GHG Reservoir Tool(G-Res)模型進(jìn)行計(jì)算。該模型主要的輸入數(shù)據(jù)包括水庫流域參數(shù)(流域面積、流域地類、徑流深、月平均氣溫等)，水庫參數(shù)(水深、庫容、庫區(qū)地類)，輸出結(jié)果為水庫蓄水前、蓄水后及凈碳足跡，該模型擬合了多參數(shù)作用下水庫蓄水過程溫室氣體通量的變化情況，一定程度地避免了采用單次單地的實(shí)測數(shù)據(jù)來估計(jì)水庫蓄水前后碳通量的誤差性。

水電站庫區(qū)年平均氣溫約為17.5℃，年平均徑流深870 mm，正常水位下水面面積70萬m2，庫區(qū)主要為河灘地和極少量裸地。模型計(jì)算結(jié)果表明，電站運(yùn)行期20年內(nèi)，溫室氣體總通量為4 700 t CO2e，其中由于庫區(qū)淹沒而新增的溫室氣體凈通量為255.0 t CO2e。

水電站運(yùn)行階段的碳足跡共計(jì)886 t CO2e。

2.5 報(bào)廢拆除階段

水電站在設(shè)計(jì)運(yùn)行期結(jié)束后，一般采取報(bào)廢拆除的方式進(jìn)行處理，拆除后項(xiàng)目區(qū)將逐漸恢復(fù)到天然河流生態(tài)，達(dá)到新的平衡狀態(tài)。該階段的碳足跡主要包括建筑物拆除以及水庫內(nèi)淤積物的分解過程。根據(jù)已有研究，一般拆除階段的碳足跡可采用建設(shè)階段碳足跡10%的方式簡化處理[8]，因此該水電站退役階段壩體處理碳足跡為1 595.9 t CO2e。本工程主要攔水建筑物為鋼壩閘，其主體建筑物型式和工程運(yùn)行方式?jīng)Q定了在汛期來水較大時(shí)，鋼壩閘可全部放平宣泄洪水，因此庫區(qū)泥沙淤積情況與天然狀況下改變不大，泥沙淤積總量很小，同時(shí)還可在枯水期通過合理實(shí)施采砂予以清理。按泥沙淤積量為總庫容的5%計(jì)，為8.50萬m3。有關(guān)水庫淤積泥沙碳含量的研究成果表明，淤積泥沙中有機(jī)碳含量約為1.10%[9]，因此電站庫區(qū)淤積泥沙中有機(jī)碳含量為935.0 t，淤積物的礦化過程碳足跡情況見表4，碳足跡為384.8 t CO2e。

表4 庫區(qū)淤積物礦化過程碳足跡表

2.6 生命周期碳足跡及溫室氣體排放系數(shù)計(jì)算

根據(jù)對(duì)外環(huán)大橋攔河閘樞紐水電站的生命周期全階段分析，利用有關(guān)碳足跡清單計(jì)算出水電站生命周期的碳足跡總量為18 826.0 t CO2e，各階段排放量詳見表5。小型水電站運(yùn)行期按20年，年平均發(fā)電量374.5萬kW·h計(jì)，全生命周期的LCE為251.35 g CO2e/kW·h。

表5 水電站生命周期碳足跡匯總表 CO2e/t

從上述計(jì)算結(jié)果分析，在水電站的生命周期各階段的碳足跡總量中，建設(shè)階段約占84.8%，工程運(yùn)行階段約占4.7%；報(bào)廢拆除階段約占10.5%?？梢姡舅娬竟こ痰奶甲阚E主要發(fā)生在建設(shè)階段。

3 與其他發(fā)電類型的LCE比較

3.1 與其他水電站的LCE比較

根據(jù)其他研究，部分大中型水電站的LCE為：阿都水電站13.05 g CO2eq/kW·h[10]，小浪底水庫19.24 g CO2eq/kW·h[11]，峽江水電站47.3 g CO2eq/kW·h[12]。其中阿都水電站為高山峽谷型純發(fā)電型水庫電站，另兩座為有發(fā)電功能的綜合利用水庫。與以上工程對(duì)比，本電站的LCE相對(duì)較高，經(jīng)分析原因主要包括以下幾點(diǎn)：

1)外環(huán)大橋攔河閘樞紐水電站庫容小、調(diào)節(jié)能力差、發(fā)電水頭低、裝機(jī)容量小，功率密度(發(fā)電裝機(jī)容量/水庫淹沒表面積)僅為1.3 W/m2，而阿都、小浪底和峽江水電站該參數(shù)分別為89.8、6.5和3.0 W/m2。由于該工程對(duì)河流的水能資源利用不夠充分，因此相對(duì)溫室氣體排放系數(shù)較高。

2)外環(huán)大橋攔河閘樞紐水電站是一座小型水電站，根據(jù)《水利建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)規(guī)范》(SL 72-2013)，工程運(yùn)行期為20年，運(yùn)行期長度僅為其他大中型水電站工程50年運(yùn)行期的40%。由于運(yùn)行期短，相應(yīng)每年需分?jǐn)偟慕ㄔO(shè)期碳足跡也較大。

3.2 與燃煤發(fā)電廠的LCE比較

《湖北省2017年碳排放權(quán)配額分配方案》(鄂發(fā)改氣候2018[28]號(hào)文)給出了湖北省燃煤電廠機(jī)組標(biāo)桿值，其中超超臨界以及60萬kW超臨界機(jī)組參考《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020)》(發(fā)改能源〔2014〕2093號(hào))中的先進(jìn)值，30萬kW超臨界及亞臨界機(jī)組采用本省納入企業(yè)同類型機(jī)組現(xiàn)役最先進(jìn)值，相應(yīng)的單位綜合發(fā)電量碳排放值范圍在752.4～812.54 g CO2eq/kW·h之間。本次對(duì)湖北省燃煤發(fā)電機(jī)組的平均綜合碳排放按30萬kW超臨界機(jī)組的標(biāo)桿值計(jì)，即804.95 g CO2/kW·h，相當(dāng)于外環(huán)大橋攔河閘樞紐水電站的3.2倍，可見本電站在全生命周期內(nèi)減排溫室氣體的環(huán)境效益仍然相當(dāng)明顯，對(duì)應(yīng)相同發(fā)電量的火電廠相當(dāng)于可減少溫室氣體排放41 464.8 t CO2eq。

4 結(jié) 語

1)以通城縣外環(huán)大橋攔河閘樞紐水電站作為研究案例，通過對(duì)水電站生命周期的邊界進(jìn)行清單識(shí)別和合理簡化，進(jìn)行了水電站生命周期的碳足跡計(jì)算，結(jié)果表明該水電站生命周期碳足跡總量為18 826.0 t CO2e，其中建設(shè)階段的碳足跡占比達(dá)84.8%。電站全生命周期的溫室氣體排放系數(shù)為251.35 g CO2e/kW·h，顯著低于火電運(yùn)行期的碳排放。

2)與其他水電站及燃煤發(fā)電的碳足跡研究成果進(jìn)行對(duì)比，可見外環(huán)大橋攔河閘樞紐水電站的碳足跡雖較其他水電站略高，但依然遠(yuǎn)低于燃煤發(fā)電廠，所產(chǎn)生的電能屬于清潔能源。

3)研究結(jié)果表明，新建外環(huán)大橋攔河閘樞紐水電站將可有效削減碳排放，預(yù)計(jì)工程從籌建至運(yùn)行期結(jié)束后的全生命周期，相比火電可削減碳排放53 294.2 t CO2eq。該工程建設(shè)不僅能提供電能，也能發(fā)揮碳減排的環(huán)保作用。