玉瓦水电站生命周期温室气体排放研究

何 坤， 钟 权

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

全球变暖是人类面临的最大挑战之一，随着社会的发展，以火电能源为主的发展方式必然会加剧温室效应。目前，我国水电开发正如火如荼地开展，尤其是在西南地区，已建成或正在建设一大批大中型水电站。水电作为一种可再生的清洁能源，不仅是改善能源结构的重要途径，大力开发水电同时也是改善生态环境、应对气候变化的重要措施。

然而，水电资源的开发与水电工程的建设，归根结底是对自然生态的改造。水电工程的施工、运营及废弃处置，必然存在着能源消耗与污染物排放的问题。因此，研究水电开发与水电工程建设中温室气体的排放特点，对于研究改善能源结构、应对全球气候变化，具有十分重要的意义。

生命周期评价是一种全过程的评价方法，能够揭示隐含在产业链中的温室气体排放。目前，国际上生命周期评价法在水电站建设进行环境影响评价方面有一定的研究，例如中国、泰国、巴西、日本和瑞士等国家进行了水电温室气体的分析及影响评价[1,2]。

本文在充分查阅国内外的研究进展及大量相关数据资料的基础上，以玉瓦水电站为工程背景，研究中小型长引水式电站生命周期温室气体排放，分析了生命周期各阶段温室气体排放情况，并与大型水电站及火力发电的温室气体排放进行比较。

1 工程概况

玉瓦水电站位于四川省九寨沟县境内的白水江次源黑河上，是白水江流域水电梯级开发的第2级，电站装机容量49 MW，年发电量2.046亿千瓦.时。工程为引水式电站，主要由首部枢纽、引水系统和地面厂房系统三部分组成。其中，引水隧洞布置在黑河右岸，全长约14 km，隧洞断面为衬砌后4 m×4.8 m(W×H)的城门洞型。

2 研究方法

2.1 基于全生命周期的评价方法

水电站本身属于清洁能源，其运行过程不消耗一次能源，故人们更多关注水电站建设阶段的温室气体排放，对于运维阶段和处置阶段相对研究较少，但从全生命周期角度考虑，水电站运维时间长达几十年甚至上百年，运维阶段及废弃处置阶段温室气体排放的绝对值仍不可忽视。本文以玉瓦水电站为研究对象，基于生命周期评价方法，研究中小型长引水式电站生命周期温室气体排放特点，并与传统火力发电相比，评估减排效益，阐明水力发电的清洁性与优质性。

2.2 系统边界

水电站系统生命周期可分为三个阶段：建设阶段，运营维护阶段，废弃处置阶段。系统边界如图1所示。温室气体排放主要来源于能源消耗、材料消耗及水库蓄水的温室气体净通量。建设阶段主要包括原材料生产，材料运输，施工过程；运营维护阶段主要包括水电站日常运营过程中能源消耗以及水库温室气体净通量；废弃处置阶段则主要是大坝拆除及垃圾处理等。

3 生命周期清单分析

3.1 主要工程量

在本文为玉瓦水电站设置的边界范围内，涉及到环境影响因素的主要工程量见表1。

表1 主要工程量表

3.2 建设阶段

3.2.1 建设原材料生产

水电工程主要原材料为水泥、钢筋，以及木材、炸药、油料等。以PO42.5水泥为典型对象进行温室气体排放清单分析[3](表2)。

3.2.2 材料运输

本电站所需水泥在绵阳江油、都江堰等地采购，钢筋及钢材等在成都采购，油料在绵阳采购，均采用公路运输方式，运输距离在400～500 km。材料运输产生的温室气体主要来自运输设备燃油，汽车运输过程的温室气体排放清单[4]见表3。

3.2.3 施工过程

表2 PO42.5水泥温室气体排放清单

表3 汽车运输的温室气体排放清单 (t.km)

施工过程主要包括土石方工程、混凝土工程、灌浆工程等，其温室气体主要是各类机械设备耗油、耗电而产生。根据《水电工程施工机械台时费定额》得到单位施工过程的能源消耗情况，计算得到总的耗油、耗电情况。根据柴油及电能的温室气体排放清单，即可得到施工过程温室气体排放情况。其中，柴油的温室气体排放清单[5]见表4。

3.3 运营及维护阶段

在水电站运营及维护阶段，玉瓦水电站是以发电为主的水电工程，在电站运行期间几乎没有污染物的排放[6]；在电站水库淹没的植被和土壤有机物被微生物分解为CO2和CH4，是水库中重要的温室气体来源。

3.4 废弃处置阶段

表4 柴油的温室气体排放清单

在水电站废弃处置阶段，电站退役后往往会继续保留大坝。目前还没有关于水电站废弃处置污染排放方面的基础数据，一般假定该过程CO2排放为建设过程的10%[7]。

3.5 生命周期分析结果

根据各阶段温室气体排放情况，汇总得到生命周期内温室气体排放结果(表5)。

4 讨论与分析

表5 生命周期温室气体分析结果

4.1 温室气体排放分析

根据文献[8]对不同环境影响类型的标准化基准进行了研究，可以将CO及CH4折算为CO2当量，见表6。

表6 温室气体当量因子

据此，玉瓦水电站生命周期温室气体排放量可折算为1.99×108kg，该电站年发电量2.046亿kWh，按设计使用寿命50年考虑，总发电量约102.3亿kWh，单位温室气体排放量为19.55 kg CO2-eq/MWh，介于早期关于水电站温室气体排放系数的研究范围内(2～48 kg/(MW•h))(USNEI，2005)[9,10]。

4.2 各阶段温室气体排放分析

根据玉瓦水电站生命周期温室气体排放量及各阶段温室气体排放量情况，可以得到建设阶段、运营维护阶段及废弃处置阶段的温室气体排放占比情况，见图2。

可以看出，建设阶段对温室气体排放的贡献值最大，达到了80.79%，运营维护阶段及废弃处置阶段仅约20%。其中，原材料生产对温室气体排放占整个建设阶段的约90%，因此应充分重视建设原材料的选择及使用对水电站生命周期内温室气体排放的影响。

图2 各阶段温室气体排放占比

4.3 与火力发电温室气体排放比较

根据相关研究成果得到火力发电生命周期温室气体排放系数[11]为1 083.7～1 341.9 kgCO2eq/MWh。可以看出，玉瓦水电站温室气体排放仅约为火力发电的1/50，彰显了水力发电的清洁属性。

4.4 与大型水电站温室气体排放比较

杜海龙[12]对金沙江下游向家坝等四个大型水电站生命周期温室气体排放进行了研究，电站装机容量达6 400 MW～16 000 MW，生命周期温室气体排放系数为4.39 kgCO2eq/MWh ～9.14 kgCO2eq/MWh。玉瓦水电站与大型水电站温室气体排放系数对比见图3。

图3 与大型水电站温室气体排放系数对比

可以看出，作为中小型长引水式电站，玉瓦水电站生命周期温室气体排放系数高于金沙江下游四个大型水电站生命周期温室气体排放系数，其原因可能是装机规模扩大所带来的发电量增加效益，要大于由此带来的能源消耗与温室气体排放影响。

5 结 语

基于生命周期的角度，以玉瓦水电站为工程背景，对中小型长引水式电站生命周期温室气体排放进行了研究。玉瓦水电站单位温室气体排放量为19.55 kg CO2-eq/MWh，其中，建设阶段对温室气体排放的贡献值最大，约占80%。与传统的火力发电相比，玉瓦水电站生命周期温室气体排放十分优异。大力开发水电能有效的减低温室气体的排放。与大型水电站相比，作为中小型长引水式电站，玉瓦水电站生命周期温室气体排放较高。因此，在确定开发方式及电站规模时，除技术经济因素外，需考虑生命周期内环境影响，评估减排效益，阐明水力发电的清洁性与优质性。