欧洲与环境相容的小水电模拟方法

［丹麦］D.克拉布 等

任何人造装置的建立都会产生影响，可再生能源发电装置也不例外。由于发电机的能量来源和类型取决于许多变量，因而需要根据专门的技术基准考虑环境影响。

欧盟各成员国提出的2020 年国家可再生能源行动计划表明，2012～2020 年将额外建立装机464 MW 的微型水电(小于1 MW)、装机2 430 MW 的小型水电(1～10 MW)和装机17 114 MW 的大型水电(大于10 MW)。虽然小水电占预计新增水电容量比例较小，但其发电装置的数量却比大型水电类的数量多。据预测，欧盟27 个成员国的小水电站可能会有几千座。因此，在小范围内将会有明显的环境影响，而对公众、各个行业和政策制定者来说，确定水电潜能很有意义，并尽力从环境方面考虑量化可能会减少总水电潜能的程度。

1 方法

1.1 水道数据

欧洲流域和河流网络系统(ECRINS)是一组由欧洲署建立和管理的微软存取数据库，包含各流域、河流、湖泊、监测站和大坝连接且有地理标志的数据，还可获得与流量相关的辅助数据。ECRINS 包含138 000 个基本流域，其平均集水面积为92 km2。

ECRINS 为评估小水电技术潜能提供了重要基础。在第一个流域内，可识别主要河流(称为主要排水系统)及其支流。大坝位置也包含在数据库中，虽然这方面工作还不够完善。一系列沿主要河流的数据点或节点代表流量测量结果已被记录的测点位置，每个节点都有相关的高程，以便能确定节点之间的垂直位移。

最为理想的是，在每个坝址处都可获得一条流量历时曲线(FDC)，这样就可直接计算技术潜能。通常不易获得这些数据，但对于每个流域要河流上所选择的节点，可获取年均或月均流量的数据。平均流量数据可为小水电资源评估提供近似值。

1.2 技术潜能的假设

就这项研究而言，可将技术潜能定义为一个可开发水电潜能的地理区域，暂不考虑经济或环境因素。假设从选择数据点可获得高度和平均流量数据，则可实现在地区、国家乃至洲的层面上估计小水电的技术潜能。按这种规模估计小水电的方法需要以一系列的假设为基础，这样才能为每个坝址提供合理的近似值。

该研究是基于以下假设进行的:①假设为一个小水电项目安装选定每个节点的位置;②评估电能产量时，假设每个选定的站址都是高水头径流式方案;③每个小水电站站址的引水点紧靠其上游节点，因此，节点之间的高程差就是计算的水头;④每个小水电项目的额定功率及年发电量应根据引水点的平均流量和从引水点至水力发电机组安装处的水头进行计算;⑤基建费(CAPEX)和运行费(OPEX)是以欧洲小水电协会(ESHA)针对不同欧盟国家小水电开发提供的价值范围为依据的。

发电机组功率输出由式(1)给出:

如果假定整个系统的效率为70%，则式(1)可近似地改写为:

方案规模可根据设计流量和发电机容量系数加以评估。假设每个小水电项目都根据平均流量Qmean进行设计，那么一个小水电方案的设计，特别是其装机容量和发电机容量系数的设计，将取决于可获得的流量及允许以这种流量运行的时间。发电机容量系数随设计流量的变化而变化，且成反比关系。该系数有助于以千瓦时为单位计算站址的年发电量。在第一次求解技术潜能的近似计算中，设计流量取为0.75Qmean。假设单位装机容量的造价随电站规模的减小而增加，根据每个小水电站站址的额定功率，可进一步确定技术潜能。此外，运行、维修费是根据ESHA 的数据作为电站投资费的百分比计算得出的。

一旦确定了技术潜能，就可计算成本，进而得出一条资源成本曲线(RCC)。

1.3 环境相容潜能假设

实际上，引水流量的比率可根据符合环境标准的必要性进行变化，其定义为减去一定比例后的技术潜能，扣除的这部分用于确保河流生态系统的最小流量。

这种取水流量比率与站址的具体情况密切相关，但为能在大的空间范围内得出有意义的结果，必须对所有地区做出一般性假设。在此介绍的实例中，已假定采用了相当于0.33Qmean的流量，以说明减少的流量对小水电资源的影响。电站的基建费也要增加1/3。

减少的流量和增加的费用是代表量(proxies)，设计这种代表量旨在应对以下问题:①限制引水流量比率以保持流量，并有助于获得或保持良好的生态潜力或状态;②过鱼及相关基建费;③一个流域或一组流域内小水电开发的相对密度，在环境敏感区，这种相对密度更低;④防止水流进入某些指定区域。

值得注意的是，引水流量选择为0.33Qmean是任意的。在现阶段，几乎没有文献资料表明在现有生态系统功能得到有效发挥的水体中剩余流量的水平。

2 结 果

RCC 是为西班牙庇里牛斯地区的流域制定的，采用该流域作为试点是因为该地区的数据比其他地区更加完整。已采用以下步骤绘制实例流域的一条RCC:①计算每座常规小水电站的额定功率;②由额定功率得出基建费;③假设发电机容量系数为50%，根据额定功率计算发电量;④对该流域地区内的每个小水电站站址，通过贴现现金流量分析，以欧分/ kW·h 为单位计算电能的单位成本;为达到指示性目的，假设每个小水电站的建设工期为1 a，其技术寿命为40 a;还假设需要数额为原基建费20%的资金用于电站运行20 a 后机械部件的整修。

一旦获得安装费，就可为研究中的区域生成一条RCC。在此情况下，RCC 在技术潜能和环境相容方面表明了从最经济的站址到不太有利的站址的进展情况。结果表明，以较低成本可获得大量重要资源(低于0.04欧元/kW·h，可得到21 000 MW·h/a)，但是高出0.04欧元/kW·h 时，开发可获资源的成本就会明显增加。

此外，利用环境相容资源的额外限制条件可计算出潜能。引水流量限制及基建费用的增加对RCC 有明显影响。如果采用0.06欧元/kW·h 作为参考发电成本，那么潜能就会减少约40%。在更广泛的基础上，如果某些站址位于施加额外限制的指定区域内，那么潜在发电量还会进一步减少。

3 讨 论

如果已知不确定量和假设数目，则上述结果仅为指示性的。这些结果表明，如果作为初始技术潜能基础的数据存在，且如果可作出有关环境约束影响的假设，就可计算环境相容潜能。

影响该方法精度不确定性的例子包括以下几个方面:①每个节点都可看作是一个小水电站的站址，每个站址都充分利用前一个节点到本节点的水头，这就可能过高估计潜能;②未考虑节点之间的距离对基建费的影响，而距离和地形会对安装费产生显著影响;③ECRINS 未提供支流的流量信息，这些支流可新增更多潜能;④该方法中未考虑节点至道路和电网的距离;⑤环境相容假设不可跨管理部门应用，因为这样可能过低或过高估计小水电开发的额外费用负担。

这些假设的实例表明，并非每个电站都需修建鱼梯，可利用被保护区来安装水电设备。因此需改善环境，以保持水体的环境整体性，这就会导致费用的增加。

在该方法中做了许多假设，试图评估受潜能、成本增加或更为严格的环境因素的限制。尽管这种评估只是文献中难以获得更加精细的代表量的一种反映，但是有理由认为这种方法具有一定的有效性。

2010 年，有专家就曾表示，为提供足够的剩余流量以确保连续性，可评估发电损失400 GW·h/a，约占每年总发电量的1%。提供足够的剩余流量以获得良好的生态潜力或状态可能会导致约5%的发电损失，难以缓解水电峰荷的影响，且缺乏措施方面的知识。

显然，在找到可应用于洲级估计的环境约束代表量之前，可对合理代表量做更加详细的分析，这可能是未来水电开发工作的一个重要研究领域。

可采取多种措施提高技术潜能，但这些措施通常都依赖于数据集完整性的提高，或依赖于新增站址信息，而这些信息不能公开买到，或是跨越整个欧洲的成本太高。

了解欧洲范围内的水电资源，无论是对政策制定者、环保机构、水务部门而言，还是未来在不同地点预测可再生能源都极为重要。了解水电资源使公共和私人资金能投向最佳目标，以便使技术产量达到最大。但必须认识到，需提高欧洲水道的质量，以符合欧盟《水框架指令》。这次模拟训练是用洲级范围的方法计算欧洲水电潜能的第一步。但欧洲流域和河流网络系的数据库还需要更加完整，以便证明使用这种数据来源做其他尝试的准确性。