基于生命周期的猴子岩水电站温室气体排放分析

2021-03-26钟权，夏欣

水电站设计 2021年1期

钟权，夏欣

(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 前言

温室效应导致的全球气候变暖，已经成为人类面临的最大挑战之一，大力发展水电是应对全球气候变化的重要选择[1]。水电作为可再生清洁能源，不仅仅是改善能源结构的重要途径，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。随着我国水电的快速发展，水电站温室气体排放问题备受瞩目。国内现有的研究[2-4]或未考虑水电运营及维护期间水库温室气体释放过程，或多以小水电为研究对象，或未考虑水库温室气体通量随库龄增大而变化。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。

本文在充分查阅相关研究数据资料的基础上，以猴子岩水电站为工程案例，对其生命周期内的温室气体排放进行定量的分析，系统边界包括原材料生产及运输、施工过程、运营及维护阶段、拆除阶段等，提出面板堆石坝水电枢纽在生命周期内的温室气体排放特点，并与大型水电站及火力发电的温室气体排放进行比较，验证水力发电的清洁属性。

1 研究方法

1.1 工程概述

猴子岩水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，是大渡河干流水电梯级开发的第9级电站，上游为丹巴水电站，下游为长河坝水电站。电站开发的主要任务为发电，总装机1 700 MW，年平均年发电量74.53亿kW·h。水库正常蓄水位1 842 m，总库容为7.07亿m3，具有季调节能力。枢纽建筑物主要由挡水坝、两岸泄洪消能建筑物、右岸地下引水发电系统等组成。拦河坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高223.50 m。猴子岩水电站主要工程量如表1所示。

表1 猴子岩水电站主要工程量

1.2 研究目标

基于生命周期评价方法，以猴子岩水电站为研究对象，研究混凝土面板堆石坝枢纽工程生命周期温室气体排放特点；将水力发电工程生命周期温室气体排放与传统火力发电相比，评估减排效益，探讨水力发电的清洁性与优质性。

1.3 系统边界

一般而言，水电站系统生命周期可分为三个阶段：建设阶段，运营及维护阶段，拆除阶段，系统边界如图1所示。

图1 系统边界

2 生命周期清单分析

2.1 建设阶段

一般而言，建设阶段主要包括：原材料生产、材料运输和施工过程。

2.1.1 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。以钢材为典型对象进行温室气体排放清单分析[5]，如表2所示。

表2 钢材的温室气体排放清单

2.1.2 材料运输

本电站所需水泥在乐山、西昌等地采购，钢筋及钢材等在成都、攀枝花采购，油料在雅安采购，均采用公路运输方式，运输距离在300～600 km。材料运输产生的温室气体主要来自运输设备燃油产生，汽车运输过程的温室气体排放清单[3]如表3所示。

表3 汽车运输的温室气体排放清单

2.1.3 施工过程

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[6]如表4所示。

表4 柴油的温室气体排放清单

2.2 运营及维护阶段

运营及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。猴子岩水电站是以发电为主的水电工程，在电站运营期间几乎没有污染物的排放[3]；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。

2.3 拆除阶段

拆除阶段则主要是大坝拆除及垃圾处理等。一般而言，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]。

2.4 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，如表5所示。

表5 生命周期温室气体分析结果

3 讨论与分析

3.1 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研究，可以将CO及CH4折算为CO2当量，详见表6。

表6 温室气体当量因子

据此，猴子岩水电站生命周期温室气体排放量可折算为3.734×109kg，该电站年发电量74.53亿kW·h，按设计使用寿命50年考虑，总发电量约3.727×108MW·h，单位温室气体排放量为10.02 kg CO2/MWh。

3.2 各阶段温室气体排放分析

根据猴子岩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、运营及维护阶段和拆除阶段的温室气体排放占比情况，见图2所示。

图2 各阶段温室气体排放占比

由图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66.69%，运营及维护阶段及拆除阶段仅约33.31%。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。

3.3 建设阶段各建筑物温室气体排放分析

猴子岩水电站枢纽建筑物主要包括挡水建筑物(混凝土面板堆石坝)、泄洪消能建筑物及引水发电建筑物，分析得到建设阶段各建筑物温室气体排放占比情况，如图3所示。

图3 建设阶段各建筑物温室气体排放占比

可以看出，尽管混凝土面板堆石坝填筑量大，但挡水建筑物在建设阶段温室气体排放占比仅不到5%，而泄洪消能建筑物及引水发电建筑物占比较大。这是因为挡水建筑堆石料用量大，但混凝土用量较少，根据相关研究[2，9]，单方土石填筑料的温室气体排放系数仅为混凝土的1/100，因此，挡水建筑物建设阶段温室气体排放占比较小。

3.4 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[10]为1 083.7～1 341.9 kg CO2/MW·h。可以看出，猴子岩水电站温室气体排放仅约为火力发电的1/100，彰显了水力发电的清洁属性。

3.5 与其他水电站温室气体排放比较

杜海龙[11]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6 400～16 000 MW，生命周期温室气体排放系数为4.39～9.14 kg CO2/MW·h。庞明月以装机仅3.2MW的观音岩[12]水电站为工程背景，Zhang Qinfen[13]以装机仅为44 MW的三插溪水电站为工程背景，研究了小型水电站生命周期温室气体排放研究。猴子岩水电站与其他水电站温室气体排放系数对比见图4。