基于LCA理论的抽水蓄能系统全生命周期评价

李 栋，李晓宁，黄炜斌，陈仕军，马光文

(1.四川大学水利水电学院，四川成都610065；2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都610065；3.国家电投集团重庆江口水电有限责任公司，重庆408506)

0 引 言

随着我国各产业的快速发展，电力负荷需求和电网规模日益渐增，伴随着系统负荷的峰谷差也越来越大，从而解决调峰填谷的任务也愈发迫切[1]。在电力系统中，抽水蓄能电站由于启动灵活、开机迅速，能够有效调峰调频、节约燃煤并提高火电机组利用效率，给电力调度带来方便，同时其还具有防洪、航运、灌溉等综合效益，为我国的社会发展做出巨大的贡献[2]。然而，目前国内对于抽水蓄能电站，比较常见的是对其进行经济评估，较少从资源的角度开展全生命周期评价。因此，本文结合抽水蓄能电站的节煤效益，对其产出“能量等效转化”，再进行整个生命周期的投入产出研究，这对于更全面的了解和认识抽水蓄能电站，有着积极的意义。

1 LCA方法理论

LCA(Life Cycle Assessment)方法是一种用于评价研究对象(产品或服务)在其全生命周期中，即从产品结构单元的构成直至整个功能系统的泯灭整个过程(包括部件回收利用等)，衡量其所产生影响的技术和方法[3]。上个世纪90年代，LCA方法首次在国外被应用于电力系统评价中，但当时主要是用于评估温室气体的排放，随着经济社会的发展，越来越多的国内外相关组织和科研机构投入到全生命周期领域的研究之中，其研究范围也逐步扩展。

图1 抽水蓄能系统全生命周期边界

2 研究对象与系统边界

2.1 研究对象

本文以湖北省内某抽水蓄能电站为研究对象，电站装机容量为1 200 MW，可替代同等规模的燃煤火电装机；年发峰荷电量5.43亿kW·h，低谷抽水电量7.24亿kW·h，调峰填谷缓解湖北电网的调峰压力，改善系统火电运行工况，降低电网运行成本；可降低火电年最大调峰率4.33%，节约省内燃煤火电标煤量6.42万t/a(等效于年均发电5.23亿kW·h)，提高燃煤机组发电利用小时数157 h。

2.2 系统边界

基于LCA的评价原则，抽水蓄能电站全生命周期研究的系统边界包括上游初始资源投入，直至下游的节煤效益产出和电站退役等整个过程。该抽水蓄能电站的设计运行年限为30年，系统全生命周期边界如图1所示。

3 数据清单

现将抽水蓄能系统分为7个子项进行研究：①原材料开采、加工及运输；②土石方工程开挖；③土石回填；④电站相关工程建设；⑤输电建设；⑥节煤效益产出；⑦电站退役。对每一过程进行描述，计算得到相关能耗与排放数据，并结合电站全生命周期产出，得到等效单位电量的能耗和排放，具体见表1所示。

(1)过程①主要考虑相关材料的运输：共涉及钢材3.52万t、水泥30.5万t，运距均为100 km，运输过程中的能源资源消耗以及污染物排放量参照文献4计算得到。

(2)土石方开挖工程量由设计院内部资料提供，假定开挖过程中挖掘机的铲斗容量为1.2 m3，耗油约为30 L/h，污染物排放量由机械运行时间及相应的排放因子计算得到。

(3)回填工程数据由内部提供，过程中的油耗参照文献[5]计算，污染物排放量计算同前。

(4)该阶段主要考虑挡水工程(坝或闸)、引水工程和泄水工程等枢纽的建造耗材[6]，具体数据如(1)所述，由建造阶段消耗和基础材料全生命周期数据[7]，得到电站建造耗材生产过程中的能耗和排放清单。

(5)在输电建设阶段，需要建设相应的设施及线路，本研究主要考虑水泥、钢材和铝材的消耗。该电站输电距离为1 000 km，由相关研究可知[8]：对于铁塔和基础设施建设，平均每1 km大致需要水泥和钢材分别为37.81、5.25 t；输电导线平均每1 km大致需要铝、钢材分别为2.04、0.93 t。

(6)抽水蓄能电站运行期间考虑其能量的相互转换过程，基本不存在水消耗的问题，电站可以实现少人值班运行，且系统运行阶段机电设备更新消耗较少，在本研究中均忽略不计。

(7)目前水电站拆坝数据匮乏，且水电站寿命较长(经济寿命可达100 a)，电站退役后保留大坝具有灌溉等效益及可能开发的旅游资源，故系统退役期能耗和排放暂不考虑。

表2 抽水蓄能系统全生命周期资源消耗评价

4 生命周期评价

4.1 资源消耗评价

由表1分析可知，该抽水蓄能电站全生命周期中标煤的消耗量最大，约占72.39%，主要在于电站相关工程建设需要水泥和钢材，而水泥和钢材的生产环节需要消耗大量标煤；其次是柴油，约占26.55%，主要是因为水电站土石方工程中动用了挖掘机、压实机等机械，其运行需要消耗大量的柴油；汽油和天然气消耗均较少，合占比约1%。资源消耗绝对值体现了其直接大小，为了对不同类型资源进行比较及体现其稀缺性，现对其进行标准化和加权处理[9]，详见表2。

由生命周期资源评价表可以看出，电站生命周期资源的总消耗为12.31 g/kW·h，其中煤为主要部分，占71.97%；其次是石油，占比为28.02%；最少为天然气，占比不足1%。经过标准化、加权后，石油的耗竭系数为1.36×10-4mPR90，消耗占据主体地位，约占59%；其次分别是煤炭和天然气，其值分别为9.08×10-5mPR90、3.24×10-10mPR90，占比分别为40%和1%，整体来说抽水蓄能发电方式的各类能源资源稀缺性均较低，且油耗最大。将各类资源消耗转化为标煤，其总能耗为12.36 g/kW·h，与超超临界机组相比(每发电1 kW· h，约耗300 g标准煤[10])，抽水蓄能电站等效发电可节约95.88%的标煤量。

4.2 环境影响评价

对计算的各类环境影响潜值采用相应的标准化基准进行标准化[12](标准化基准采用全球人均值)，从而比较其相对大小；对标准化的环境影响潜值进行加权处理(权重采用层次分析法确定)，得到加权后系统对环境的总影响，结果如表3所示。

表3 抽水蓄能系统环境影响潜值

由表3可以看出，经过标准化和加权后的系统全球变暖潜值、酸化潜值、富营养化潜值、粉尘潜值和光化学臭氧合成潜值分别为2.15×10-6人当量、7.16×10-7人当量、1.79×10-7人当量、1.30×10-6人当量和2.77×10-6人当量，总环境影响负荷为7.11×10-6人当量。抽水蓄能系统对环境影响较大的是全球变暖、光化学臭氧合成和粉尘，其占比分别为30.24%、38.96%和18.28%，其它类型的环境影响均较小。且抽水蓄能系统整个生命周期中，开挖、回填土石工程量大，导致其过程中的污染物排放量占比最大；同时电站枢纽工程建设期需消耗大量的钢材和水泥，其生产环节也会产生较大的排放；但抽水蓄能系统运行期间不会产生CO2等排放，因此其开发建设对于温室气体减排能起到较好的作用。

5 结 语

(1)该抽水蓄能系统生命周期的等效总资源消耗为12.31 g/kW·h，其中煤为主要部分，占71.97%；其次是石油，占比为28.02%；最少为天然气，占比不足1%。将能源资源消耗进行标准化和加权，得到石油、煤炭和天然气的耗竭系数分别为1.36×10-4mPR90、9.08×10-5mPR90和3.24×10-10mPR90，占比分别为59%、40%和1%，相比较来说该系统中油耗占据主体地位，其消耗量大、资源稀缺性最高。

(2)将系统产出进行能量等效转换，得到其整个生命周期过程等效产出1 kW·h电总能耗为12.36 g标煤(362.23 kJ)、总排放为38.30 g CO2；与燃煤火电相比，等效发电可节约标煤95.88%、并减少99.96%的CO2排放量。

(3)分析系统影响潜值可知，其等效单位电量的总环境影响负荷为7.11×10-6标准人当量，其中全球变暖、光化学臭氧合成和粉尘为主要影响因素，其占比分别为30.24%、38.96%和18.28%；且电站运行期间不会产生CO2等排放，因此其开发建设对于降低温室效应具有积极作用。