玉瓦水電站生命周期溫室氣體排放研究

何 坤， 鐘 權

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

全球變暖是人類面臨的最大挑戰之一，隨著社會的發展，以火電能源為主的發展方式必然會加劇溫室效應。目前，我國水電開發正如火如荼地開展，尤其是在西南地區，已建成或正在建設一大批大中型水電站。水電作為一種可再生的清潔能源，不僅是改善能源結構的重要途徑，大力開發水電同時也是改善生態環境、應對氣候變化的重要措施。

然而，水電資源的開發與水電工程的建設，歸根結底是對自然生態的改造。水電工程的施工、運營及廢棄處置，必然存在著能源消耗與污染物排放的問題。因此，研究水電開發與水電工程建設中溫室氣體的排放特點，對于研究改善能源結構、應對全球氣候變化，具有十分重要的意義。

生命周期評價是一種全過程的評價方法，能夠揭示隱含在產業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進行環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行了水電溫室氣體的分析及影響評價[1,2]。

本文在充分查閱國內外的研究進展及大量相關數據資料的基礎上，以玉瓦水電站為工程背景，研究中小型長引水式電站生命周期溫室氣體排放，分析了生命周期各階段溫室氣體排放情況，并與大型水電站及火力發電的溫室氣體排放進行比較。

1 工程概況

玉瓦水電站位于四川省九寨溝縣境內的白水江次源黑河上，是白水江流域水電梯級開發的第2級，電站裝機容量49 MW，年發電量2.046億千瓦.時。工程為引水式電站，主要由首部樞紐、引水系統和地面廠房系統三部分組成。其中，引水隧洞布置在黑河右岸，全長約14 km，隧洞斷面為襯砌后4 m×4.8 m(W×H)的城門洞型。

2 研究方法

2.1 基于全生命周期的評價方法

水電站本身屬于清潔能源，其運行過程不消耗一次能源，故人們更多關注水電站建設階段的溫室氣體排放，對于運維階段和處置階段相對研究較少，但從全生命周期角度考慮，水電站運維時間長達幾十年甚至上百年，運維階段及廢棄處置階段溫室氣體排放的絕對值仍不可忽視。本文以玉瓦水電站為研究對象，基于生命周期評價方法，研究中小型長引水式電站生命周期溫室氣體排放特點，并與傳統火力發電相比，評估減排效益，闡明水力發電的清潔性與優質性。

2.2 系統邊界

水電站系統生命周期可分為三個階段：建設階段，運營維護階段，廢棄處置階段。系統邊界如圖1所示。溫室氣體排放主要來源于能源消耗、材料消耗及水庫蓄水的溫室氣體凈通量。建設階段主要包括原材料生產，材料運輸，施工過程；運營維護階段主要包括水電站日常運營過程中能源消耗以及水庫溫室氣體凈通量；廢棄處置階段則主要是大壩拆除及垃圾處理等。

3 生命周期清單分析

3.1 主要工程量

在本文為玉瓦水電站設置的邊界范圍內，涉及到環境影響因素的主要工程量見表1。

表1 主要工程量表

3.2 建設階段

3.2.1 建設原材料生產

水電工程主要原材料為水泥、鋼筋，以及木材、炸藥、油料等。以PO42.5水泥為典型對象進行溫室氣體排放清單分析[3](表2)。

3.2.2 材料運輸

本電站所需水泥在綿陽江油、都江堰等地采購，鋼筋及鋼材等在成都采購，油料在綿陽采購，均采用公路運輸方式，運輸距離在400～500 km。材料運輸產生的溫室氣體主要來自運輸設備燃油，汽車運輸過程的溫室氣體排放清單[4]見表3。

3.2.3 施工過程

表2 PO42.5水泥溫室氣體排放清單

表3 汽車運輸的溫室氣體排放清單 (t.km)

施工過程主要包括土石方工程、混凝土工程、灌漿工程等，其溫室氣體主要是各類機械設備耗油、耗電而產生。根據《水電工程施工機械臺時費定額》得到單位施工過程的能源消耗情況，計算得到總的耗油、耗電情況。根據柴油及電能的溫室氣體排放清單，即可得到施工過程溫室氣體排放情況。其中，柴油的溫室氣體排放清單[5]見表4。

3.3 運營及維護階段

在水電站運營及維護階段，玉瓦水電站是以發電為主的水電工程，在電站運行期間幾乎沒有污染物的排放[6]；在電站水庫淹沒的植被和土壤有機物被微生物分解為CO2和CH4，是水庫中重要的溫室氣體來源。

3.4 廢棄處置階段

表4 柴油的溫室氣體排放清單

在水電站廢棄處置階段，電站退役后往往會繼續保留大壩。目前還沒有關于水電站廢棄處置污染排放方面的基礎數據，一般假定該過程CO2排放為建設過程的10%[7]。

3.5 生命周期分析結果

根據各階段溫室氣體排放情況，匯總得到生命周期內溫室氣體排放結果(表5)。

4 討論與分析

表5 生命周期溫室氣體分析結果

4.1 溫室氣體排放分析

根據文獻[8]對不同環境影響類型的標準化基準進行了研究，可以將CO及CH4折算為CO2當量，見表6。

表6 溫室氣體當量因子

據此，玉瓦水電站生命周期溫室氣體排放量可折算為1.99×108kg，該電站年發電量2.046億kWh，按設計使用壽命50年考慮，總發電量約102.3億kWh，單位溫室氣體排放量為19.55 kg CO2-eq/MWh，介于早期關于水電站溫室氣體排放系數的研究范圍內(2～48 kg/(MW?h))(USNEI，2005)[9,10]。

4.2 各階段溫室氣體排放分析

根據玉瓦水電站生命周期溫室氣體排放量及各階段溫室氣體排放量情況，可以得到建設階段、運營維護階段及廢棄處置階段的溫室氣體排放占比情況，見圖2。

可以看出，建設階段對溫室氣體排放的貢獻值最大，達到了80.79%，運營維護階段及廢棄處置階段僅約20%。其中，原材料生產對溫室氣體排放占整個建設階段的約90%，因此應充分重視建設原材料的選擇及使用對水電站生命周期內溫室氣體排放的影響。

圖2 各階段溫室氣體排放占比

4.3 與火力發電溫室氣體排放比較

根據相關研究成果得到火力發電生命周期溫室氣體排放系數[11]為1 083.7～1 341.9 kgCO2eq/MWh。可以看出，玉瓦水電站溫室氣體排放僅約為火力發電的1/50，彰顯了水力發電的清潔屬性。

4.4 與大型水電站溫室氣體排放比較

杜海龍[12]對金沙江下游向家壩等四個大型水電站生命周期溫室氣體排放進行了研究，電站裝機容量達6 400 MW～16 000 MW，生命周期溫室氣體排放系數為4.39 kgCO2eq/MWh ～9.14 kgCO2eq/MWh。玉瓦水電站與大型水電站溫室氣體排放系數對比見圖3。

圖3 與大型水電站溫室氣體排放系數對比

可以看出，作為中小型長引水式電站，玉瓦水電站生命周期溫室氣體排放系數高于金沙江下游四個大型水電站生命周期溫室氣體排放系數，其原因可能是裝機規模擴大所帶來的發電量增加效益，要大于由此帶來的能源消耗與溫室氣體排放影響。

5 結 語

基于生命周期的角度，以玉瓦水電站為工程背景，對中小型長引水式電站生命周期溫室氣體排放進行了研究。玉瓦水電站單位溫室氣體排放量為19.55 kg CO2-eq/MWh，其中，建設階段對溫室氣體排放的貢獻值最大，約占80%。與傳統的火力發電相比，玉瓦水電站生命周期溫室氣體排放十分優異。大力開發水電能有效的減低溫室氣體的排放。與大型水電站相比，作為中小型長引水式電站，玉瓦水電站生命周期溫室氣體排放較高。因此，在確定開發方式及電站規模時，除技術經濟因素外，需考慮生命周期內環境影響，評估減排效益，闡明水力發電的清潔性與優質性。