水電站生命周期溫室氣體排放研究綜述

夏 欣，鐘 權(quán)

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，成都 610072)

0 引 言

中國是能源消耗大國，但從中國富煤、貧油、少氣的特點來看，中國亦是一個溫室氣體排放大國。根據(jù)《中國可再生能源展望2018》報告預(yù)測，中國化石能源消費總量將在2020年達(dá)峰，在2035年之前穩(wěn)步下降[1]。在可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略下，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)是節(jié)能減排的重要途徑之一。最終到2050年，非化石能源的消費比重要維持在50%以上。

水電作為清潔可再生能源，不僅是二次能源供給的重要途徑，也是世界各國能源發(fā)展的優(yōu)先選擇和改善生態(tài)環(huán)境、應(yīng)對氣候變化的重要舉措。據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會統(tǒng)計：截至2018年底，水電、火電、核電、風(fēng)電、太陽能等發(fā)電類型的裝機容量及發(fā)電量如表1所示。

表1 裝機容量及發(fā)電量占比Tab.1 Proportion of installed capacity and power generation

不難看出，水電、核電、風(fēng)電、太陽能等非火電裝機容量達(dá)到38%，其中水電占19%，達(dá)到了清潔能源的一半。從發(fā)電量的角度來看，在2018年水電發(fā)單量占據(jù)了全國發(fā)電量的18%，僅次于火電。如圖1、圖2所示。

圖1 2018年中國發(fā)電裝機容量占比Fig.1 Proportion of installed capacity in China, 2018

圖2 2018年中國發(fā)電量占比Fig.2 Proportion of power generation in China, 2018

由此可見，水電在我國電力行業(yè)中扮演了重要的角色。但水電站的建設(shè)終究是對自然的改造，其施工、運行和拆除仍存在能耗消耗和污染物排放的問題。從環(huán)境的角度來說，發(fā)電系統(tǒng)的溫室氣體排放特點對全球氣候變化具有非常重要的意義。

生命周期評價是一種全過程的評價方法，能夠揭示隱含在產(chǎn)業(yè)鏈中的溫室氣體排放。目前，國際上生命周期評價法在水電站建設(shè)進(jìn)行環(huán)境影響評價方面有一定的研究，例如中國、泰國、巴西、日本和瑞士等國家進(jìn)行了水電溫室氣體的分析及影響評價。Zhang等[2]利用投入產(chǎn)出法計算了中國裝機容量44 MW與3 600 MW的兩座水電站溫室氣體排放情況；de Riberio等[3]以巴西Ttaipu水電站為例，以水電站大壩建設(shè)期和運行期的投資總額為核心，給出了生產(chǎn)系統(tǒng)邊界、運用投入產(chǎn)出法的生命周期清單，客觀地分析了典型的巴西水電站生命周期清單；Raadal等[4]分析了1996-2010年間39篇水電站生命周期評價，揭示不同水電站溫室氣體排放量存在一定的差異性。Sunwanit等[5]針對泰國5個坐落在不同地方的小型水電站進(jìn)行了生命周期評價分析，計算了相應(yīng)的溫室氣體排放系數(shù)，并進(jìn)行了定量評價；Zhang等[6]對西藏直孔進(jìn)行了生命周期溫室氣體排放的計算，并對大型水電站(LHP)的清潔屬性提出了質(zhì)疑；張社榮等[7]用混合生命周期評價方法定量評估糯扎渡水電站采用重力壩和堆石壩兩種樞紐布置方案下的生命周期溫室氣體排放；Pang等[8]運用過程分析法計算了中國小水電----觀音巖水電站的環(huán)境效應(yīng)；杜海龍等[9]以可渡河上某水電站為例，計算了可渡河水電開發(fā)的碳減排潛力，認(rèn)為水電開發(fā)對碳減排有明顯貢獻(xiàn)；杜海龍[10]根據(jù)ISO14067標(biāo)準(zhǔn)，以金沙江下游梯級電站作為案例進(jìn)行水電碳足跡分析研究，結(jié)果表明我國西南水電具有顯著的優(yōu)質(zhì)性，認(rèn)為大力開發(fā)水電能有效節(jié)能減排；Jiang等[11]對中國四個水電站分別進(jìn)行了10～100 a生命周期的溫室氣體排的評估，當(dāng)使用壽命接近100 a的時候，溫室氣體排放強度僅為煤炭發(fā)電的1/100，認(rèn)為水力發(fā)電代替化石燃料發(fā)電在應(yīng)對氣候變化方面有著十分重要的作用。

在充分查閱國內(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，闡述了水電站生命周期溫室氣體排放研究方法，研究了裝機容量和溫室氣體排放系數(shù)的相關(guān)性，并與火電進(jìn)行了溫室氣體排放系數(shù)的比較，為水電項目的清潔屬性和后續(xù)水電站修建的減排工作提供基礎(chǔ)支撐。

1 生命周期評價方法在水電方面的應(yīng)用

生命周期評價是一種評價產(chǎn)品、工藝過程或活動從原材料的開采、運輸及產(chǎn)品的加工、生產(chǎn)、運輸、銷售、使用、回收、養(yǎng)護、循環(huán)利用和最終處理整個生命周期系統(tǒng)有關(guān)的環(huán)境負(fù)荷的過程[12]。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)對生命周期評價的定義是：對一個產(chǎn)品系統(tǒng)生命周期中輸入、輸出及潛在環(huán)境影響的綜合評價。在每一個階段，產(chǎn)品都以不同的方式和程度影響著環(huán)境[13]。水電站在生命周期內(nèi)會消耗能源和材料，也必將造成溫室氣體排放。

生命周期評價分為4個步驟：確定目標(biāo)和范圍、清單分析、影響評價和結(jié)果解釋。

1.1 目標(biāo)及范圍

生命周期評價工作的第一步是目標(biāo)及范圍的確定，這也是后期評價工作的大前提。范圍的確定包括對評價目標(biāo)時間邊界及空間邊界的確定。時間邊界指生命周期評價的時間范疇，指產(chǎn)品從搖籃到墳?zāi)沟恼麄€生命過程。對于水電站而言，生命周期以一般為設(shè)計使用年限，故不同水電站的生命周期可能因設(shè)計使用年限的不同而不同。水電站生命周期周期可分為4個階段：籌建階段、建設(shè)階段、運行階段以及廢棄處置階段[10]?？臻g邊界一般為水電站的建設(shè)范圍，通常包括：大壩、引水系統(tǒng)、廠房、尾水系統(tǒng)和變電站。在計算庫區(qū)氣體通量時，需要將庫區(qū)納入空間邊界。一般情況下，水電站籌建階段基本不涉及溫室氣體排放或其溫室氣體排放量少，可以忽略不計。建設(shè)階段的溫室氣體排放主要來源于建筑原材料及設(shè)備的生產(chǎn)和場內(nèi)外運輸?shù)哪茉聪?，該過程是碳排強度最大的過程[14]；運行階段的持續(xù)時間最長，一般在30～100年，主要包括日常運行過程及電站維護產(chǎn)生的溫室氣體排放和水庫溫室氣體排放。運行階段也是溫室氣體排放總量最大的階段。廢棄處置階段主要包括壩體以及淤積物處理。

水電站生命周期邊界見圖3。

圖3 水電站生命周期邊界Fig.3 Life cycle boundary of hydropower plant

1.2 清單分析

主要包括建設(shè)原材料的生產(chǎn)、材料運輸、建設(shè)施工、運行維護過程及廢棄處置。

1.2.1 建設(shè)原材料的生產(chǎn)

水電站建設(shè)過程消耗的材料主要包括混凝土、鋼筋、炸藥、水泥、砂、油料、炸藥等；設(shè)備包括機電設(shè)備與金屬結(jié)構(gòu)。根據(jù)各類材料工程量及耗材生產(chǎn)的環(huán)境影響清單，確定建設(shè)耗材生產(chǎn)過程溫室氣體排放情況[15]。這些建設(shè)原材料、機電設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的溫室氣體排放占建設(shè)期溫室氣體排放的很大比重。

1.2.2 材料運輸

運輸過程指材料及設(shè)備場外和場內(nèi)運輸過程，其溫室氣體排放主要來自于運輸過程中柴油、汽油等油類的消耗。根據(jù)水電站主要材料運輸工程量及各類交通工具運輸?shù)沫h(huán)境影響清單，確定材料運輸過程溫室氣體排放情況[16]。

1.2.3 建設(shè)施工

建設(shè)施工階段是最復(fù)雜的一個階段，該過程主要包括土石方工程及混凝土工程等。

土石方工程包括土石開挖和土石填筑等。根據(jù)施工機械及施工效率計算耗油量，進(jìn)而確定溫室氣體排放量[16,17]?；炷凉こ贪ü橇祥_采及運輸、骨料加工及混凝土生產(chǎn)等過程，根據(jù)混凝土工程量及各子過程溫室氣體排放清單，確定混凝土工程溫室氣體排放情況。

1.2.4 運行維護過程

水電站運行階段的溫室氣體排放主要來自于日常運行、電站維護與水庫溫室氣體排放。日常運行指水電站的維護過程中使用的材料、機械產(chǎn)生的溫室氣體排放，這些溫室氣體排放的量很小。水庫溫室氣體排放指水庫蓄水后改變淹沒區(qū)的原生環(huán)境，淹沒區(qū)域的溫室氣體排放過程加快，進(jìn)而產(chǎn)生了大量溫室氣體，其主要是生物降解而產(chǎn)生的甲烷和二氧化碳以及微量的氧化亞氮。對于水庫溫室氣體通量的計量主要有兩種方式：一種以水庫溫室氣體排放總量作為評價指標(biāo)，另一種以水庫溫室氣體排放凈通量作為評價指標(biāo)[9]。

然而，在不同地區(qū)，不同溫度以及不同水庫齡期的條件下，所排放的溫室氣體的量也有差異。據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計分析，在82次樣本測量中，每1 kWh水力發(fā)電產(chǎn)生的甲烷排放量和水庫面積呈對數(shù)分布，從微克到千克不等。在日常的運行維護中基本沒有能源的輸入，溫室氣體排放的強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于施工期，但該階段是溫室氣體排放持續(xù)時間最久的一個時期。從多元回歸分析可以看出，每1 kWh的庫區(qū)溫室氣體排放量對水力發(fā)電生命周期溫室氣體排放的影響很大[18]。

1.2.5 廢棄處置

廢棄處置指水電站完成使命后的處理過程，一般而言采取壩體拆除的方式以恢復(fù)原生態(tài)或繼續(xù)保持大壩以維持新的生態(tài)平衡，其溫室氣體排放主要包括壩體修補加固或拆除處理以及水庫內(nèi)淤積物的分解過程中的溫室氣體排放[19]。壩體處理過程溫室氣體排放可采用建設(shè)階段溫室氣體排放總量10%的方式簡化處理[20]。

1.3 生命周期影響評價

清單分析后的步驟是生命周期影響評價。該步驟是在環(huán)境影響分類、特征化和量化之后，根據(jù)計算結(jié)果對環(huán)境影響作定量的分析或定性的評價，最后再進(jìn)行環(huán)境影響分析。

溫室氣體排放系數(shù)是指每一種能源燃燒或使用過程中單位能源的溫室氣體排放強度表示。在水力發(fā)電中溫室氣體排放系數(shù)是指每產(chǎn)生1 kWh的電所排放的CO2的質(zhì)量。水力發(fā)電排放的碳有CO2、CO和CH4等多種形式，一般研究通常采用CO2作為標(biāo)準(zhǔn)對其他因子進(jìn)行并歸。綜合水電站各子過程生命周期溫室氣體排放清單，確定出水電站生命周期內(nèi)總的溫室氣體排放量(千克或克)。根據(jù)水電站裝機容量、建成后年均發(fā)電量及生命周期長度，確定出生命周期總的發(fā)電量(kWh)。通過溫室氣體排放總量除以發(fā)電總量，即可得到水電站溫室氣體排放系數(shù)g/(CO2/kWh)。

1.4 結(jié)果解釋

結(jié)果解釋是在生命周期評價標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對環(huán)境影響評價結(jié)果做出進(jìn)一步的解釋。識別、評估和報告為生命周期結(jié)果解釋的三要素。識別主要是對清單分析和環(huán)境影響評價這兩個階段中的子過程是否有重大排放進(jìn)行判斷。評估是對全生命周期過程中的完整性、敏感性和一致性進(jìn)行評判。報告即得出最后的結(jié)論，識別是否存在產(chǎn)品某個生產(chǎn)環(huán)節(jié)排放過多，如果有潛在的改善機會，則提出改進(jìn)建議[21]。

2 水電站生命周期溫室氣體排放分析

2.1 國內(nèi)外研究成果

對于水電站溫室氣體排放而言，國內(nèi)外針對大中小型水電站均有一定的應(yīng)用。國內(nèi)外水電站生命周期溫室氣體排放研究成果見表2。

目前關(guān)于水電站生命周期溫室氣體排放研究主要是針對中國的水電站，這與中國水電資源豐富、已建及在建水電站數(shù)量多的現(xiàn)實情況是一致的?？梢钥闯?，不同研究的水電站生命周期一般為50～100 a，少數(shù)水電站為30 a。水電站生命周期溫室氣體排放系數(shù)為3.7～44 g/kWh，基本介于早期關(guān)于水電站溫室氣體排放系數(shù)的研究范圍內(nèi)(2～48 g/kWh)[7,24]。

從表2中可以看出，直孔電站溫室氣體排放系數(shù)高達(dá)195 g/kWh，明顯遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他水電站的溫室氣體排放情況，該點可作異點處理。

2.2 溫室氣體排放系數(shù)與裝機容量的關(guān)系

根據(jù)上述列表所示水電站溫室氣體排放研究成果，做出單位電量溫室氣體排放系數(shù)與裝機容量之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著水電站裝機容量的增大，溫室氣體排放系數(shù)逐漸減小，兩者之間具有一定的相關(guān)性。

表2 國內(nèi)外水電站生命周期溫室氣體排放研究成果Tab.2 Research achievements of life cycle greenhouse gas emissions from hydropower plants

圖4 單位電量溫室氣體排放系數(shù)與裝機容量之間的關(guān)系曲線Fig.4 Correlation curve of life cycle greenhouse gas emission coefficient and installed capacity

需要指出的是，水電站溫室氣體排放系數(shù)與裝機容量總體呈反相關(guān)趨勢，但仍有部分研究成果值偏離較大，其原因可能是生命周期不一致或范圍界定不明晰、采用的數(shù)據(jù)庫不同、采用的分析方法不同抑或是水電站類型不同，如水庫型與徑流式而導(dǎo)致的差異?？紤]到目前資料有限，尚無法做進(jìn)一步研究分析。

2.3 與火電溫室氣體排放系數(shù)的比較

根據(jù)相關(guān)研究成果，劉勝強[25]估算中國火電生命周期的溫室氣體排放系數(shù)為1188.8 g/kWh，夏德建[26]的研究成果顯示我國煤電能源鏈的溫室氣體排放系數(shù)為975.24 g/kWh，葉斌等[27]對燃煤電廠的研究數(shù)據(jù)表明，每發(fā)1 kWh電的溫室氣體排放量為1 018 g。可以看出，火力發(fā)電的溫室氣體排放系數(shù)在1 000 g/kWh左右，大約是水力發(fā)電溫室氣體排放系數(shù)(3～44 g/kWh)的20～300倍。由此可見，與火力發(fā)電相比，水力發(fā)電在減少溫室氣體排放方面的優(yōu)勢十分顯著。

2.4 大型水電站生命周期各階段溫室氣體排放分析

根據(jù)參考文獻(xiàn)[2,7,10]，整理了國內(nèi)6座大型水電站生命周期各階段溫室氣體排放情況，如表3所示。電站裝機容量為3 600～16 000 MW，溫室氣體排放系數(shù)為4.39～10.04 g/kWh。其中，籌建期主要包括清庫工作，建設(shè)期主要包括材料及設(shè)備生產(chǎn)制造、運輸過程與施工過程，運營期主要包括水電站日常維護和庫區(qū)排放，廢棄處置溫室氣體排放假定為建設(shè)過程的10%。

表3 國內(nèi)大型水電站生命周期各階段溫室氣體排放量Tab.3 Life cycle greenhouse gas emissions of each stage for large hydropower plants

根據(jù)上述列表所示水電站生命周期各階段溫室氣體排放量，確定各階段溫室氣體排放占比情況，如圖5所示。

圖5 水電站生命周期各階段溫室氣體排放占比Fig.5 Proportion of life cycle greenhouse gas emissions of each stage for large hydropower plants

運營期溫室氣體排放占比最大，達(dá)到58.57%～79.45%，這是由于大型水電站水庫面積往往較大，水庫蓄水后溫室氣體通量大；籌建期溫室氣體排放占比為0.82%～2.83%，廢棄處置階段溫室氣體排放占比為1.73%～3.51%，占比均較小，部分研究成果甚至忽略了上述兩階段的溫室氣體排放；建設(shè)期溫室氣體排放占比為17.28%～39.08%。

3 結(jié) 語

(1)從生命周期的角度出發(fā)，闡述了水電站生命周期溫室氣體排放研究方法。通過搜集并整理近年來的研究成果，可以看出水電站生命周期溫室氣體排放系數(shù)為3.7～44 g/(kWh)，且隨著水電站裝機容量的增大，溫室氣體排放系數(shù)逐漸減小。與火力發(fā)電相比，水電站生命周期單位溫室氣體排放量很小。大力開發(fā)水電資源，對減少溫室氣體排放具有十分重大的意義。

(2)考慮水電站類型差異、生命周期不同且涉及范圍廣泛而復(fù)雜，不同研究成果往往存在較大差異，更加全面而準(zhǔn)確的水電站生命周期溫室氣體排放分析還有待進(jìn)一步研究。