水电站碳减排评价中功率密度指标的若干改进建议

欧传奇 叶敏敏 郑明珂

(国际小水电中心， 浙江 杭州 310002)

水电站碳减排评价中功率密度指标的若干改进建议

欧传奇 叶敏敏 郑明珂

(国际小水电中心， 浙江 杭州 310002)

鉴于水库温室气体排放的不确定性，联合国清洁发展机制(CDM)执行理事会(EB)在其批准的可再生能源发电并网项目整合的基准线方法学(ACM0002)中，提出了一种以功率密度为判定依据，用来核证带水库水电站的CDM项目合格性的指标。该指标以装机发电容量除以水库满库容时的淹没表面积来表征。经分析，用装机容量表征发电减排量存在一定的缺陷，用水库满库容时淹没表面积表征水库温室气体排放量也不尽合理。为此，本文根据水电的特点进行了修正和改进，建立了减排效率指标以及相应的评价标准。

水电站；碳减排评价；指标；改进；清洁发展机制；功率密度

水电在替代化石能源、减少温室气体排放、应对全球气候变暖中发挥了重要作用。同时，由于水库淹没植被，引起有机质腐败，也排放CO2和甲烷等温室气体，特别是当水库库容较大时，这种增排量往往不能忽视。不过，水库的温室气体排放存在不确定性，有专家在清洁发展机制(Clean Development Mechanism，CDM)执行理事会(EB)第23次会议上提出了一种以功率密度为阈值，用来核证带水库的水电站CDM项目合格性的方法，并成为联合国CDM执行理事会(EB)批准的方法学。

1 功率密度指标的剖析

功率密度ω定义为装机发电容量除以水库满库容时的淹没表面积，即用水电发电减排量(用装机容量表征)与水库可能的排放(用水库满库容时淹没表面积表征)作相对比较，用来确定带水库的水电站是否能够运用CDM项目减排计算经批准的方法学。

判定阈值设定为：当ω≤4W/m2时，水电项目不能应用目前的方法学；当4W/m2<ω≤10W/m2时，水电项目能应用目前经批准的方法学，但要计入项目水库的排放，其排放因子为90gCO2eq/(kW·h)；当ω≥10W/m2时，水电项目能应用目前经批准的方法学，并且可忽略来自水库的项目排放量(详见EB67附件方法学ACM0002)。由于计算简便，所采用的参数易于获取，功率密度在核证带水库的水电站CDM项目的合格性时被广泛采用。然而，从根源上分析，功率密度指标至少在下述几个方面存在一定的局限性。

a.用装机容量代替与减排直接对应的水电站实际发电量不尽合理。以我国为例，受地域气候条件的影响，不同区域的水电利用小时数存在较大的差异，西北部分干旱地区有些电站年利用小时数不足1000h，而西南地区多数在2500h以上，有的甚至在7000h以上。即便在同一区域，因降水年际分布不均，具有不同开发功能和调节性能的电站其年利用小时数也存在明显的差异，承担调峰任务的多在3500h以下，甚至不到2000h，径流式及一些引水式电站则一般在3000h以上。对于整个行业而言，统计数据显示，我国全口径水电、大中型水电、小水电年利用小时数近7年来年际间最大偏差分别达到23.70%、24.40%、22%(见图1)。因此，计算功率密度时，装机容量宜采用实际发电量来代替。

图1 2010—2016年水电站利用小时数统计分析

b.发电减排没有考虑水电站所接入的区域电网排放因子的影响。由于不同区域电网的电源组成和容量存在差异，同一电站并入不同电网所实现的减少化石能源消耗和温室气体排放数量是不同的，这种差异可以通过电网排放因子来考虑。根据发展改革委公布的数据(见下表)，2010—2015年我国各区域电网排放因子平均最大偏差达28.5%，显然这种差异应当予以考虑。

c.用水库淹没表面积表征水库温室气体排放量也不尽合理。从水库排放温室气体(主要是甲烷)的机理来看，温室气体主要是由于水库淹没的植被及其他有机体发生腐败而产生的，这与水库淹没面积(蓄水发电前未及时清库的尤为明显)、上游来水有机体含量、水体体积及含氧量等因素有关，而不是与水库表面积(仅仅是淹没面积在水平面上的投影)有关。对于处于深山峡谷中而水深较大的水库，两者差别也较大。此外，水库淹没面积也正是水体中易产生温室气体的有机体的沉积面，沉积面越大，水库越深，沉积下来的有机质就越多，产生的温室气体也越多。因此，功率密度计算时，水库表面积宜采用水库淹没面积来代替。

d.采用正常蓄水位时的参数应比采用满库容时的参数更符合实际。由于水库内腐殖质只有在长时间淹没的相对稳定的状态下才会产生温室气体。最大库容往往发生在水量较大的汛期，此时水体流动速度较快而历时较短，不利于温室产生，实际发生概率较大的最大稳定淹没状态应为正常蓄水位时的状态。

全国各区域电网基准线排放因子年度偏差情况表

注 根据国家发展改革委发布的全国区域电网基准线排放因子计算(取OM与BM的均值)。

2 水库淹没面积的分析

与水库水面面积相比，水库淹没面积难以准确估量，水电站设计文件中也缺乏此数据。为此，考虑V形(窄深型，山区河道中上游)和U形(宽浅型，平原地区河道下游)两种常见的水库形状(见图2)，取库区单位河长来分析水库淹没面积与水库表面积、库容等参数的关系。

图2 U形水库和V形水库断面

对于V形水库，有

(1)

(2)

对于U形水库，有

(3)

S淹=K3(h)S表,S淹=K4(h)V

(4)

以上式中S淹——水库淹没面积；

S表——相应水库表面积；

V——相应水库库容；

h——平均水深；

B——平均水面宽；

θ——水库边坡与水平面夹角；

K1、K2——与θ角有关的影响系数；

K3、K4——与平均水深h有关的影响系数。

如图3所示，根据K1、K2与θ角的关系，对于V形水库，水库淹没面积采用库容计算时，受θ角变化的影响较小，即水库淹没面积与库容的相关性较好，且当θ角较大时，水库水面面积与淹没面积相差甚远；根据K3、K4与平均水深h的关系，对于U形水库，尽管水库淹没面积与水库表面积直接相关，但因增排量不容忽视的具有一定规模的电站水库平均水深大多超过3m，水库淹没面积与库容也具有较好的相关性。

综上所述，无论是U形水库还是V形水库，采用水库库容表征水库淹没面积更具一般性。特别是小水电，多位于山区河流的中上游，河道蓄水成库后，窄深的V形库容相对较多，采用水库库容表征水库淹没面积更合理。

图3 不同类型水库采用不同参数计算对淹没面积计算结果的影响分析

3 功率密度评价指标的改进建议

基于上述几点，借用功率密度指标构建的基本思想和结构，对功率密度指标进行改进。将功率密度指标计算公式中的装机容量用发电量代替，将水库满库容时的淹没表面积用正常蓄水位对应的水库库容代替，并考虑电站所接入的区域电网排放因子的影响，定义减排效率为

(5)

式中e——减排效率，即单位立方米水电站库容减排二氧化碳的数量，kg/m3；

f——年度排放因子，取国家发展改革委发布的全国区域电网基准线电量边际排放因子和容量边际排放因子(见前表)的均值计算，tCO2/(MW·h)；

W——水电站的年发电量，万kW·h；

V——正常蓄水位对应的水库库容(对于不以发电为主的综合性枢纽工程，计算库容宜取受电站建设或取水发电影响的库容；对于无水库的，相当于e为无穷大)，万m3。

考虑到年际之间的差异，评价时可以连续多年(例如3年)为评价期，减排效率宜以评价期的平均值为判断依据。

4 小水电减排效率指标评价标准的制定

图4 减排效率阈值选取分析

图4给出了连续3年42000多座小水电实际参数统计结果。按照达标电站的比例(体现达标的难易程度)，可确定指定目标约束条件下的相关评价标准的阈值。以《绿色小水电评价标准》(SL 752—2017)为例，经多位专家研讨，并考虑到正常运行的水电站其发电替代减排量总是高于水库增排量等其他有关因素，最终确定了4、1两个阈值(根据曲线弯曲规律，以85%的目标为分界线，逐渐增加达标率进行取值，此时曲线曲率相对较低，阈值分布较为均匀)。即当减排效率e≥4时，得分率取100%；当1≤e<4时，得分率取60%；当e<1时，得分率为20%。

5 结 语

尽管功率密度在核证带水库的水电站CDM项目的合格性时被广泛采用，但其用装机容量表征发电减排量存在一定的缺陷，用水库满库容时的淹没表面积表征水库温室气体排放量也不尽合理。建议将功率密度指标计算公式中的装机容量用发电量代替，将水库满库容时的淹没表面积用正常蓄水位对应的水库库容代替，同时考虑电站所接入的区域电网排放因子的影响。

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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