能源回报率介绍及在水电中的应用

(1.广东粤电南水发电有限责任公司，广东 韶关 512700； 2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

1 概 述

全球气候变化问题是人类迄今为止面临的规模最

大、范围最广、影响最为深远的挑战之一，也是影响未来世界经济和社会发展、重构全球政治和经济格局的最重要因素之一[1]。全球气候变化要求我国必须积极采取有效措施，主动推进能源结构的优化调整，降低化石能源在我国能源结构中的占比，减少温室气体排放。我国应对气候变化国家方案中，将以水电为主的可再生能源列为能源替代战略的优先领域加以大力发展，以有效减少化石能源消费。截至2017年底，我国水电总装机容量达3.4亿kW，约占全球水电装机容量的30%，年发电量约1.2万亿kW·h，占中国清洁能源发电量的70%。按发电量计算，我国目前水电的开发程度仅为39%，与欧美发达国家相比仍有较大差距，未来我国需要继续大力发展水电。水电站的建设和运行自身也需要消耗能源，若从电站全生命周期的角度计算能源的投入产出比，就能够客观地评估水电工程的开发效益，可以更加清晰地了解和认识到水电在应对气候变化、节能减排等方面的巨大优势。

2 能源回报率的定义及计算

20世纪70年代初世界石油危机爆发后，全球能源结构发生了急剧的变化，产生了包括能源独立、空气质量，以及后来的气候变化等一系列问题[2]。许多国家开始寻找石油替代品，能源回报率(Energy Payback Ratio)的概念正是在这一过程中出现的。以一个电站为例，能源回报率定义为电站在运行期内产出的所有能源与它在建设期、运行期、终止期为维持其建设、运行、拆卸所消耗的能源的比值[3]，可以表达如下：

(1)

式中EnL——电站在运行期内产出的能源；

EconL——电站在建设期所消耗的能源；

EopL——电站在运行期所消耗的能源；

EdecL——电站在终止期所消耗的能源。

从能源回报率定义来看，一个电站的能源回报率主要取决于两方面：一方面是该电站在运行期内所产出的能源，另一方面是建设以及维持电站运转并使电站能够正常运行所消耗的能源。如果一个电站的能源回报率值高，从能源投入、产出角度讲，该电站具备良好的开发效益；而如果一个电站的能源回报率值接近于1，就表明它所消耗的能源与它产出的能源一样多，就不应该建设与使用这样的电站。

一个电站产出的能源值比较容易确定，而其消耗的能源值往往涉及多种因素故难以确定，因此绝大部分对于能源回报率的研究都集中在确定一个电站全生命周期所消耗的能源上。目前主要有两种计算方法，包括投入/产出法(Input/Output Method)和过程链分析法(Process Chain Analysis)。

1973年，美国伊利诺斯大学Herendeen首次报道了能源投入/产出矩阵(Input/Output Matrix)，其中的商品和服务是用消耗的能源而不是货币来标明的[4]。同年，基于能源投入/产出矩阵，Bullard和Herendeen首次利用投入/产出法进行了能源计算分析[5]。其后，伊利诺斯大学的能源研究小组分别在1981年和1985年对上述能源投入/产出矩阵进行了更新[6-7]。另外一种评估能源消耗的方法是过程链分析法，这种方法直接对过程链上的能源消耗进行计算分析。1974年，英国公开大学Chapman首次报道了过程链分析法[8]。过程链分析法总结了全过程每一个步骤的能量消耗，通过确定开采、运输、加工等每一个步骤所消耗的能量来计算分析获得成品时所需要的能量。在实际评估能源回报率的应用中，通常联合使用上述的两种方法以得到一个合理的评估结果[9-10]。

3 水电的能源回报率

水电站的全生命周期可以分为以下几个阶段[3]：ⓐ基础设施建设，通常指发电站建设；ⓑ电站的运行与维护；ⓒ基本附属设施建设，包括水电站管理人员办公设施等的建设、拆除与再投资；ⓓ输电网/配电网的建设、拆除与维护；ⓔ输电/配电，电网的损耗；ⓕ电站退役处置。水电站的能源投入主要包括上述各个阶段的原材料、劳力和燃料等投入(见下表)[11]；能量输出是水电站全生命周期内所输出的电力。通过对水电站全生命周期各阶段的各种类型能量投入的分类统计，可以计算水电站全生命周期的能耗总量：

(2)

式中Ein——水电站全生命周期能耗;

Eij——第j阶段的第i种能耗。

水电站全生命周期的能源投入表

水电站的能源回报率为在全生命周期内产出的所有能源与它所消耗能源的比值：

(3)

式中EPR——能源回报率；

Ein——水电站全生命周期的能耗总量；

Eout——水电站全生命周期能源产出总量。

加拿大魁北克水电公司基于近百年的水电设施相关数据，评估其下属的水库式水电站的能源回报率在50到260之间[12]。

作者选择白鹤滩水电站为例，采用上述方法分析了其能源回报率。白鹤滩水电站位于四川省宁南县和云南省巧家县境内，是金沙江下游干流河段梯级开发的第二个梯级电站，以发电为主，兼有防洪、拦沙、改善下游航运条件和发展库区通航等综合效益。枢纽由拦河坝、泄洪消能设施、引水发电系统等主要建筑物组成。水库正常蓄水位825.00m，相应库容206亿m3，调节库容104亿m3，防洪库容75亿m3。地下厂房装有16台机组，装机容量1600万kW，多年平均发电量602.4亿kW·h。根据文献[13][14]提供的白鹤滩水电站施工期和运行期的能耗量数据，按运行100年考虑，计算得出白鹤滩水电站的能源回报率为95。如前所述，水库式水电站的能源回报率一般在50到260之间，白鹤滩水电站的能源回报率符合水库式水电站的一般数值范围。

4 水电与其他发电形式的能源回报率比较

从20世纪90年代开始，美国国家可再生能源实验室、美国威斯康星大学、世界能源委员会、世界核能协会等机构或单位先后对传统发电模式以及新能源发电的能源回报率进行了评估或归纳总结[10][15-18]。Gagnon比较了各种发电模式的能源回报率[12]，见下图。由下图可见，在各种能源开发中，水电的能源回报率最高，其中水库式水电的能源回报率为205～280，径流式水电的能源回报率为170～267；其次为风电，能源回报率为18～34；核电、生物能与太阳能的能源回报率范围分别为14～16、3～5和3～6；传统火电与碳回收技术火电的能源回报率范围最低，分别为2.5～5.1和1.6～3.3。

各种发电模式的能源回报率图

综上所述，水电、风电、核电具有较高的能源回报率，而传统的煤炭、石油、天然气发电具有较低的能源回报率。矿物质燃料发电的能源回报率相差并不明显，而可再生能源的能源回报率的差别就十分明显。产生差别的原因是多方面的，比如水电站的来水量、风的速度和太阳光的集中程度等。总之，水电在所有发电模式中具有最高的能源回报率，在应对气候变化、节能减排等方面具有明显优势。

5 结 语

能源回报率可以从电站全生命周期的角度计算能源的投入产出比。本文介绍了能源回报率的定义以及计算方法，并应用于水电的能源回报率评估。与其他发电形式相比，水电在所有发电模式中具有最高的能源回报率，在应对气候变化、节能减排等方面具有明显优势。为了实现应对气候变化的目标，有效减少化石能源的消费，未来我国需要继续推进水电又好又快发展。

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