水力發電生命周期評價及碳足跡區域化分析

劉 宇, 任品橋, 鄭 焱, 高 峰, 孫博學, 龔先政

(北京工業大學工業大數據應用技術國家工程實驗室, 北京 100124)

電力行業作為供能領域的關鍵組成部分,是我國未來能源戰略的重中之重。2020年我國火力發電CO2排放量近40億t,約占全國能源活動CO2排放量的45%,基于綠色低碳轉型的新型電力系統構建是實現我國碳達峰、碳中和目標的必要支撐[1]。2006年到2019年,我國電力行業通過發展非化石能源、降低煤耗和線損率等措施,累計減少CO2排放約159.4億t,有效減緩了CO2排放總量的增長,其中可再生能源發電技術對碳減排的貢獻巨大,而水力發電由于技術成熟、資源豐富、發電成本低等優點已成為新型電力系統構建的優先選擇,水電建設在支撐國民經濟發展中發揮了重要作用[2-3]。根據相關統計,2021年僅三峽水電站發電量相對于傳統火電可減少CO2排放2.2 億t,且發展水力發電對推動西南地區不同發電方式協同互補的意義重大[4]。另一方面,水力發電在避免化石燃料燃燒排放的同時,可能會帶來其他溫室氣體排放源,例如,水電站運行過程由于周期性的蓄水、放水會淹沒土壤,造成土壤內生物質腐爛,產生一定量的溫室氣體;水電站建設需消耗大量鋼鐵、水泥等基礎材料,其生產過程也會造成大量溫室氣體排放及其他環境影響[5]。因此,需要從全生命周期的角度定量化評估水力發電的優勢與不足。

生命周期評價(life cycle assessment, LCA)方法通過對產品系統生命周期(包括從原材料開采、加工、產品生產、運輸、銷售、使用、回收循環利用和最終處置的全過程)中輸入、輸出及其潛在環境影響的匯編和評價,實現產品綜合環境影響的科學定量。該方法作為目前國內外分析產品環境負荷的主流工具,已應用于對水力發電溫室氣體排放及其他環境影響的定量化研究,如黃躍群等[6]對犬木塘水利工程的生命周期碳排放進行研究后發現,水力發電的碳排放主要來自工程建設階段,占其生命周期(不包括水電站服役過程周期蓄放水造成的土壤排放)碳排放量的92.3%。還有部分學者專門針對水電站運行階段的溫室氣體排放開展了研究,Osamah等[7]的研究結果顯示,水力發電的溫室氣體排放主要集中于運行階段,當考慮蓄水、放水淹沒土壤造成溫室氣體排放時,運行階段對全球變暖指標的貢獻占比超過了80%,目前已知的其他相關研究的該數據范圍為-0.05～256.1 g/(kW·h)[8-14](全文以CO2當量計)。杜海龍等[12]對長江上游某特大型水電站進行研究后發現,水庫被淹沒前溫室氣體的年釋放量約為-4.86萬tCO2eq,淹沒后預測的溫室氣體通量為2 540萬t CO2eq。汪朝輝等[14]對主要研究水庫CO2排放通量的研究進行統計后,得出通量數值范圍為-23.4～184.1 mmol/(m2·d)。楊萌等[15]研究發現該數值與上下游河道的不同位置也有關系。夏欣等[16]綜述了多個水電站全生命周期碳排放的相關研究后發現,水電運行階段對于全生命周期溫室氣體排放的影響顯著,占比達到58.57%～79.45%,且運行階段中CH4排放量和水庫面積成對數分布,其中大型水電站蓄水后溫室氣體通量較大。綜上所述,水庫運行階段釋放的溫室氣體是水電站排放溫室氣體的主要組成部分,也是水電能源清潔性問題的爭議點[17-19]。此外,生命周期評價方法可實現不同發電方式的比較。張社榮等[20]對某大型水電樞紐生命周期的碳排放進行研究后發現,該工程的碳排放因子為14.09 g/(kW·h),僅為火電的1.71%;Mahmud等[21]對光電、生物質發電和水電(抽水蓄能)進行了比較,發現10項影響類型中,水電在全球變暖潛值、富營養化等8項影響類型中的影響均最大。

1 方法與數據

1.1 目的與范圍

基于生命周期評價方法綜合評估水力發電各階段的溫室氣體排放及其他環境影響,考慮我國水力發電的區域差異性,對各省份水電的碳足跡進行量化分析,為我國及省級單位發電溫室氣體排放清單編制及電網結構調整提供支撐。

研究選取1 kW·h水力發電作為功能單位。系統邊界包括水電站建設所需原材料/能源生產及運輸、水電站建設(包括機電設備生產與土建工程施工)和水電站運行階段,如圖1所示。目前我國大部分水電站仍處于服役期,水電站拆除的相關數據較少,且為保護生態環境,避免拆除導致的環境影響,大壩可作為景點供參觀,故本研究的系統邊界不包括水電站廢棄階段。

圖1 水力發電生命周期評價的系統邊界Fig.1 System boundary of life cycle assessment of hydropower

1.2 清單分析數據來源

水電站大壩、廠房和發電機組等建設的原材料/能源消耗及運行階段的溫室氣體排放清單,取自三峽水電站的相關研究報告[10],建設階段單位凈發電量的主要材料及能源消耗如表1所示。上游原材料生產、能源生產與運輸清單取自Sino-center數據庫、Ecoinvent數據庫[22]與相關文獻[23-25]。

表1 水電站的建設階段單位凈發電量的主要材料與能源消耗

1.3 影響評價模型及軟件工具

使用生命周期評價軟件SimaPro 9.0建立三峽水電站單位水電的生命周期模型,影響評價方法選用ReCiPe 2016 midpoint (H)。該方法由荷蘭Pre咨詢公司和萊頓大學共同研發,涵蓋全球變暖、臭氧層損耗和土壤酸化等18 類影響評價指標及人體健康等3類損害評價指標。碳足跡核算基于ReCiPe 2016方法中全球變暖特征化模型進行計算,該模型直接引用IPCC方法學,將各類溫室氣體的全球變暖潛勢作為特征化因子。

2 典型水力發電的生命周期評價

基于上文確定的方法與基礎數據,對水力發電系統邊界內各階段的輸入輸出數據開展生命周期清單分析。文獻[10]預估三峽水電站年均發電量為882億kW·h,機械設備使用壽命設定60年,各類建筑物、壩體、渠道等技術使用壽命根據文獻[26-27]設定150 年,將資源、能源與排放數據分攤到單位發電量上,得到功能單位產品的生命周期清單,進一步基于選取的影響評價方法體系開展碳足跡及其他環境影響分析。

2.1 碳足跡清單分析

本研究計算得到的水力發電在機電設備制造、土建工程與運輸階段的主要溫室氣體排放量如表2所示,進一步考慮水電站運行階段的土壤碳排放量(由于水電站周期性蓄水、放水淹沒土壤,導致土壤內生物腐爛,釋放溫室氣體),得到水力發電生命周期各階段的碳足跡,如圖2所示。結果顯示,單位水力發電碳足跡為12.67 g/(kW·h),主要來源于運行階段,占比達到了89.68%,其次為土建工程階段,占比為9.13%,機電設備制造和原材料運輸階段占比較小。造成運行和土建工程階段碳排放的主要原因是運行階段淹沒的土壤中微生物的腐爛和土建工程中大量鋼鐵和水泥的使用。Osamah等[7]的研究結果顯示,運行階段的溫室氣體排放占比超過80%,與本研究結果相似,故未來水力發電的碳減排工作需重點關注運行階段溫室氣體排放的削減。

表2 水力發電各生命周期階段的溫室氣體排放清單

圖2 水力發電各階段碳足跡Fig.2 Carbon footprint of hydroelectric power generation at each stage

2.2 生命周期影響評價

基于選取的影響評價方法體系,對水力發電生命周期除全球變暖(globle warming potential,GWP)指標的其他環境影響潛力開展評估,如圖3所示。結果顯示,水力發電的其他環境影響主要來源于水電站的建設階段,其中機電設備制造階段貢獻較大的環境影響依次為IRP、FETP和METP,占比分別為95.89%、91.07%和88.10%,主要來源于電力與金屬銅原料的使用,電力與金屬銅原料的生產過程對上述3種環境影響的貢獻占比均在99%以上;土建工程階段貢獻較大的環境影響依次為SOP、FFP和AP,占比分別為92.96%、89.45%和86.89%,主要來源于水泥和鋼鐵的制造階段,該階段中水泥和鋼鐵制造過程對上述3種環境影響的貢獻占比分別為99.89%、60.59%和76.80%。因此,在建設階段減少金屬銅、水泥和鋼鐵的投入,提升可再生能源電力的使用比例,可以有效減少水電的環境影響。運輸階段對環境影響的貢獻較小,僅在個別環境影響類型中有所體現,該階段HOFP、EOFP和FFP指標的貢獻占比分別為25.11%、29.23%和20.00%。由于運行階段僅考慮土壤溫室氣體排放帶來的環境影響,故不涉及GWP外其他環境影響指標。

3 水力發電碳足跡的區域化分析

水力發電受區域可再生資源稟賦、裝機規模等因素影響,其碳足跡相對于火力發電具有更強的區域差異性。本研究基于典型水電站的溫室氣體排放分析結果,考慮大Ⅰ型、大Ⅱ型、中型3類水電站進一步探索不同省份水力發電碳足跡的差異,為區域電力生命周期清單的建立提供支撐。

各省歷年單位水力發電建設階段碳足跡的計算公式為

(1)

式中:M(x,y)為x省第y年水力發電在建設階段的碳足跡,g/(kW·h);Pi為x省內水電站i的年均發電量,kW·h(數據通過《中國水力發電年鑒》及文獻[10]等統計數據獲得);Mi為水電站i單年單位發電量建設階段的碳足跡,g/(kW·h)(將水電站建設期的碳足跡分攤到服役期每年單位發電量上)。

水電站i單年單位發電量建設階段的碳足跡計算公式為

(2)

式中:Ii為x省內水電站i的裝機容量,kW(本研究共搜集了995個水電站的裝機容量,其中614個水電站已投產,不考慮規劃、預備、在建及擱置的水電站及2020年后投產的水電站和無法查明具體投產年份的水電站,其中508 個水電站用于本研究);J為水電站所屬類型(大Ⅰ型、大Ⅱ型、中型)單位裝機容量在服役期內的發電量,kW·h(根據3類水電站中各水電站單位裝機容量對應的發電量分別與其年均發電量Pi計算加權平均得到);h為水電站i所屬類型大Ⅰ型、大Ⅱ型、中型的服役年限,據相關資料將大Ⅰ型、大Ⅱ型、中型3類水電站的服役年限分別設定為150 年、100 年和50 年[27-28];Q為典型水電站單位發電量建設階段的碳足跡,g/(kW·h)(數據采用本研究對三峽水電站的研究結果)。

各省歷年水力發電運行階段碳足跡的計算公式為

(3)

式中:E(x,y)為x省在第y年內水力發電運行階段的碳足跡,g/(kW·h);E大Ⅰ、E大Ⅱ和E中分別為3個工程等級水電站運行階段因蓄放水周期性淹沒土壤造成的溫室氣體排放,數據取自國內相關研究[9-11,13];P大Ⅰ、P大Ⅱ和P中分別為x省第y年3個工程等級水電站的發電量,kW·h(數據通過對y年仍在服役的3類水電站的年均發電量分別求和獲得)。將運行階段碳足跡E(x,y)與建設階段碳足跡M(x,y)相加,得到x省第y年單位水電的碳足跡。

基于上述計算方法,分析我國27個省級行政區的水力發電碳足跡,并計算各省級行政區10年間的平均值,如圖4所示。結果顯示,我國平均水力發電碳足跡為16.76 g/(kW·h),各省級行政區間差異較大。其中,湖北、河南等9 個省級行政區的碳足跡比國家平均水平低60%以上;江西、重慶等6 個省級行政區碳足跡比國家平均水平低20%～60%;甘肅等3 個省級行政區碳足跡在國家平均水平±20%以內;新疆、西藏等8 個省級行政區碳足跡比國家平均水平高出40%以上。我國單位水電碳足跡最大和最小的省級行政區分別為安徽省和湖北省,分別為36.1 g/(kW·h)和2.5 g/(kW·h),原因為: 1) 湖北省的水電站J值較大,即相同的裝機容量,湖北省的水電站發電量較多,單位發電量分攤的碳足跡較小,反之安徽省則較大;2) 由于水電站的碳足跡主要來源于運行階段,且根據計算結果,大Ⅰ型水電站單位發電量的運行階段碳足跡遠小于大Ⅱ型和中型水電站,而湖北省大Ⅰ型水電站發電量在總發電量中占比最大,安徽省則只有單位發電量的運行階段碳足跡最大的中型水電站,從而導致這2個省份的碳足跡結果差異較大。同一省級行政區不同年份水電碳足跡的標準偏差較大的2個省級行政區分別為遼寧和西藏,原因為這2個省級行政區水電站基數小,2011—2020年間新建/拆除對區域水電碳足跡的影響較大,造成了不同年份間存在較大差異,例如遼寧中型水電站恒仁于2018年廢棄,導致2019年單位發電量分攤的碳足跡有明顯下降。

圖4 我國部分省級行政區單位水力發電的碳足跡Fig.4 Carbon footprint of hydropower generation in each province in China

進一步分析各省級行政區水力發電建設(包括機電設備、土建工程與運輸過程)和運行階段對碳足跡的貢獻比例,如圖5所示。結果顯示,我國大多數省級行政區單位水力發電的碳足跡均主要來源于運行階段,湖北、吉林等8 個省級行政區水力發電運行階段的碳足跡比例小于80%;云南、江西等6 個省級行政區運行階段占比在80%～90%;寧夏、陜西等5個省級行政區運行階段占比在90%～95%;新疆、遼寧等8 個省級行政區運行階段占比大于95%;平均占比最大和最小的省級行政區分別為海南省和湖北省,運行階段的碳足跡占比分別為96.82%和47.94%。

圖5 建設階段與運行階段對我國部分省級行政區水力發電碳足跡的貢獻比例Fig.5 Proportion of the construction phase and operation phase in the carbon footprint of hydropower generation by province in China

由圖4、5可知,單位水力發電碳足跡除了受建設階段資源能源投入、服役期發電量等因素影響外,與運行階段土壤溫室氣體排放也有很大關系。根據相關研究數據[9-11,13]計算可知,大Ⅰ型水電站單位發電量運行階段的碳足跡遠小于大Ⅱ型水電站和中型水電站,在我國各省級行政區中,湖北、河南、云南、青海等大Ⅰ型水電站發電量占比較大的省份,單位水電的碳足跡均小于全國平均值。

4 結論

本研究基于生命周期評價方法,對典型水電站水力發電的碳足跡及其他環境影響進行了評估,進一步考慮不同區域水力發電的差異性,分析了我國部分省級行政區水力發電的碳足跡及其構成,取得主要結論如下:

1) 典型水電站的生命周期評價結果顯示,三峽水電站單位水電的碳足跡為12.7 g/(kW·h),其中運行階段占比為89.68%;化石能源耗竭、陸地生態毒性、礦產資源稀缺和水資源消耗等環境影響主要造成于水電站建設階段,其中土建工程階段的貢獻比例超過機電設備制備階段。

2) 各區域水力發電的碳足跡分析結果顯示,我國不同省級行政區的水力發電碳足跡差距較大,24 個省級行政區與全國平均水平相差20%以上,其中最大值為36.1 g/(kW·h),最小值為2.5 g/(kW·h)。

3) 各區域水力發電運行階段對碳足跡的貢獻分析結果顯示,我國各省級行政區水電站運行階段溫室氣體排放對水力發電碳足跡的貢獻比例為47.94%～96.82%,19 個省級行政區運行階段的碳足跡占比超過80%。