小型水电站生命周期碳足迹研究

邹一雄，刘 羽

(1.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430000；2.湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430000)

可再生清洁能源的使用已成为全球能源转型及实现应对气候变化目标的重大战略举措。全球能源转型的基本趋势是实现化石能源体系向低碳能源体系的转变，最终进入以可再生清洁能源为主的时代。中国水能资源极为丰富，可开发装机容量约6.6亿kW，在常规能源资源剩余可开采总量中仅次于煤炭，水电开发还将继续作为中国在可再生能源领域不断转型升级的主要动力和履行应对全球气候变化责任的重要措施。《水电发展“十三五”规划》提出，2020年水电总装机容量将达到3.8亿kW，年发电量达到1.25万亿kW·h，在非化石能源消费中比重保持在50%以上。

本文通过对小水电站生命周期碳足迹的分析，核算得到单个水电站全生命周期的碳排放量，不仅可为温室气体减排统计提供基础资料，而且对小水电站参与清洁发展机制(CDM)和国内碳交易市场的决策具有一定意义。

1 研究方法

1.1 生命周期评价

生命周期评价方法(Life Cycle Assessment，LCA)，是指对产品或项目在从原材料获取到设计、制造、使用、直至废弃的完整生命周期中，对其所有流程实际或潜在消耗的资源、能源以及产生的环境负荷进行整体定量计算评价[1]。

根据LCA的合理简化原则，在对水电站工程生命周期进行充分分析研究的基础上，确定系统研究范围及时空边界如下：碳足迹产生的范围包括筹建阶段的移民搬迁、库底清理所消耗能源、工程建设所使用的原材料，建设期及运行期的能源消耗，运行期水库区的碳释放及报废拆除阶段的碳释放和能耗；时间边界包括筹建期、建设期、运行期和报废期共4个阶段；空间边界包括水电站建筑物、机电设备、金属结构及附属设施和正常蓄水位时的水库水面范围；水电站生命周期碳足迹研究系统范围及边界见图1。

图1 水电站生命周期碳足迹研究范围图

本文仅分析和研究水电站生命周期的温室气体排放，对水电站生命周期中的潜在环境影响仅考虑温室效应方面，不计其他方面的环境影响。因此本文的LCA范围确定在水电站生命周期与温室气体排放有关的阶段，清单分析项目为温室气体排放，并简化或忽略其他与碳排放关系不密切的环境影响，见表1。

表1 水电站生命周期碳足迹分析清单表

1.2 碳足迹

碳足迹是由生态足迹衍生出来的概念。根据国际标准化组织定义，产品碳足迹是指产品由原料取得、制造、运输、销售、使用以及废弃阶段过程中所直接与间接产生的温室气体排放总量[2]。

1.3 温室气体排放系数

排放到大气中的最主要的温室气体包括CO2、CH4和N2O。在考虑温室气体对全球增温的影响程度时，通常用全球增温潜势值(Global warming Potential，GWP)来衡量。GWP表示不同温室气体在不同时间内在大气中保持综合影响及其吸收外逸热红外辐射的相对作用，即相对于CO2的增温能力。根据国家发改委的统计口径，目前中国在气候变化国家信息通报等报告制定中仍采用联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第二次评估报告中的值，故本文采用的CO2、CH4和N2O的GWP值分别为1、21和310。下文均以此系数将各类温室气体排放量折算为CO2当量(以CO2e表示)。

发电站生命周期的温室气体排放系数(Life cycle GHG emission factor，LCE)通常用作从全球增温角度来进行各类发电方式碳排放量比较的依据。各种类型的发电站在其生命周期内单位发电量(1 kW·h)排放的温室气体计算公式为：

式中：i代表发电站生命周期的第i个阶段；j代表第j种温室气体；Eij为发电站生命周期第i阶段中第j种温室气体的排放量；GWPj代表第j种温室气体的GWP值；M为发电站在全生命周期中的电力输出。

1.4 主要计算参数及来源

碳足迹计算基于工程设计成果，其他参数主要来源包括CLCD基础数据库、EIO-LCA模型、IPCC国家温室气体清单指南报告、中国区域电网基准线排放因子和其他有关研究，综合现有的研究成果和本项目的基本情况，本文中选择的电站工程碳足迹分析项目及其主要数据见表2。

表2 各阶段碳足迹参数及来源表

2 水电站生命周期碳足迹及温室气体排放系数计算

2.1 研究对象

本文选取通城县外环大桥拦河闸枢纽水电站作为研究对象。该电站位于湖北省咸宁市通城县城区的隽水河上，闸址以上流域面积703 km2，是一座结合新建隽水河外环大桥拦河闸枢纽而建设的河床式水电站，电站的开发方式为：在拦河闸枢纽蓄水后，优先保证闸上维持正常蓄水位不变，将闸上来水引入电站厂房发电，发电尾水回归下游河道内。电站安装3台单机300 kW的发电机组，总装机容量900 kW，设计多年平均发电量374.5万kW·h。

2.2 工程筹建阶段

水电站项目筹建阶段的碳足迹主要指库底清理工作的碳足迹。由于本研究项目拦河闸的挡水高度仅为4.5 m，闸址以上水电站库区全部位于现状河道范围内，库区内无居民点拆迁、工矿企业迁建、消毒防疫和库底清理工作，因此本次研究项目可不计工程筹建阶段的碳足迹。

2.3 工程建设阶段

外环大桥拦河闸枢纽水电站建设过程使用的建设材料主要包括水泥、预拌混凝土、砂石、钢筋、燃料等；设备包括机电设备与金属结构。其碳足迹主要根据工程设计成果中各类材料的用量及每种材料各自的碳足迹数据计算得到。其中，砂土主要来自项目区开挖料，因此以建设期的燃料消耗量进行计算。运输过程包括材料及设备的进场和场内运输过程，其碳足迹主要来自于运输过程中柴油等燃料的消耗。施工过程的主要工作包括土石方开挖及回填、混凝土浇筑、钢筋制作、金属结构和机电设备安装等，在施工过程的碳足迹计算中，仅考虑机械设备施工过程中消耗的柴油、电力等能源数据。

根据工程设计成果，水电站建设阶段的碳足迹共计15 959.3 t，见表3。

表3 建设阶段碳足迹表

2.4 工程运行阶段

水电站项目运行阶段的碳足迹主要来自于运行阶段所消耗的能源、燃料以及由于拦河闸蓄水建设淹没造成的库区新增温室气体释放。

在水电站运行阶段，由于电站设备的调度运行和正常维护的需要，进行闸门启闭、机组调控及机械设备养护等工作均需消耗能源，这些能源消耗构成了运行阶段水电站工程的碳足迹。经综合分析，水电站的主要用能设备有水轮机发电机组、电气设备、变压器、闸门启闭设备、水泵等电站生产系统以及厂房照明用电、暖通用电和控制室用电等，运行期以消耗电能为主。采用2017年生态环境部公布的华中电网基准线排放因子和水电站运行期电耗来计算电站运行维护阶段的碳足迹。

水电站运行期电耗为3.5万kW·h/年，折合碳足迹为31.55 t CO2e，运行期按20年计，相应的电耗碳足迹共计631.0 t CO2e。

由于拦河闸蓄水改变了河道区域的原生环境，使水面扩大，原本的陆地环境被水面和湿地所替代，库底原有的有机沉积物的分解和消落带腐烂的生物分解将会新增温室气体的排放，释放的主要气体包括CO2和CH4。根据有关研究，部分国家的典型水库蓄水期的温室气体释放量很大，甚至使水电站的运行期碳排放达到与火电相当的程度[7]。

对于水库蓄水后的温室气体排放，本文主要采用由联合国教科文组织(UNESCO)和国际水电协会(IHA)淡水水库温室气体排放研究项目共同开发的The GHG Reservoir Tool(G-Res)模型进行计算。该模型主要的输入数据包括水库流域参数(流域面积、流域地类、径流深、月平均气温等)，水库参数(水深、库容、库区地类)，输出结果为水库蓄水前、蓄水后及净碳足迹，该模型拟合了多参数作用下水库蓄水过程温室气体通量的变化情况，一定程度地避免了采用单次单地的实测数据来估计水库蓄水前后碳通量的误差性。

水电站库区年平均气温约为17.5℃，年平均径流深870 mm，正常水位下水面面积70万m2，库区主要为河滩地和极少量裸地。模型计算结果表明，电站运行期20年内，温室气体总通量为4 700 t CO2e，其中由于库区淹没而新增的温室气体净通量为255.0 t CO2e。

水电站运行阶段的碳足迹共计886 t CO2e。

2.5 报废拆除阶段

水电站在设计运行期结束后，一般采取报废拆除的方式进行处理，拆除后项目区将逐渐恢复到天然河流生态，达到新的平衡状态。该阶段的碳足迹主要包括建筑物拆除以及水库内淤积物的分解过程。根据已有研究，一般拆除阶段的碳足迹可采用建设阶段碳足迹10%的方式简化处理[8]，因此该水电站退役阶段坝体处理碳足迹为1 595.9 t CO2e。本工程主要拦水建筑物为钢坝闸，其主体建筑物型式和工程运行方式决定了在汛期来水较大时，钢坝闸可全部放平宣泄洪水，因此库区泥沙淤积情况与天然状况下改变不大，泥沙淤积总量很小，同时还可在枯水期通过合理实施采砂予以清理。按泥沙淤积量为总库容的5%计，为8.50万m3。有关水库淤积泥沙碳含量的研究成果表明，淤积泥沙中有机碳含量约为1.10%[9]，因此电站库区淤积泥沙中有机碳含量为935.0 t，淤积物的矿化过程碳足迹情况见表4，碳足迹为384.8 t CO2e。

表4 库区淤积物矿化过程碳足迹表

2.6 生命周期碳足迹及温室气体排放系数计算

根据对外环大桥拦河闸枢纽水电站的生命周期全阶段分析，利用有关碳足迹清单计算出水电站生命周期的碳足迹总量为18 826.0 t CO2e，各阶段排放量详见表5。小型水电站运行期按20年，年平均发电量374.5万kW·h计，全生命周期的LCE为251.35 g CO2e/kW·h。

表5 水电站生命周期碳足迹汇总表 CO2e/t

从上述计算结果分析，在水电站的生命周期各阶段的碳足迹总量中，建设阶段约占84.8%，工程运行阶段约占4.7%；报废拆除阶段约占10.5%。可见，本水电站工程的碳足迹主要发生在建设阶段。

3 与其他发电类型的LCE比较

3.1 与其他水电站的LCE比较

根据其他研究，部分大中型水电站的LCE为：阿都水电站13.05 g CO2eq/kW·h[10]，小浪底水库19.24 g CO2eq/kW·h[11]，峡江水电站47.3 g CO2eq/kW·h[12]。其中阿都水电站为高山峡谷型纯发电型水库电站，另两座为有发电功能的综合利用水库。与以上工程对比，本电站的LCE相对较高，经分析原因主要包括以下几点：

1)外环大桥拦河闸枢纽水电站库容小、调节能力差、发电水头低、装机容量小，功率密度(发电装机容量/水库淹没表面积)仅为1.3 W/m2，而阿都、小浪底和峡江水电站该参数分别为89.8、6.5和3.0 W/m2。由于该工程对河流的水能资源利用不够充分，因此相对温室气体排放系数较高。

2)外环大桥拦河闸枢纽水电站是一座小型水电站，根据《水利建设项目经济评价规范》(SL 72-2013)，工程运行期为20年，运行期长度仅为其他大中型水电站工程50年运行期的40%。由于运行期短，相应每年需分摊的建设期碳足迹也较大。

3.2 与燃煤发电厂的LCE比较

《湖北省2017年碳排放权配额分配方案》(鄂发改气候2018[28]号文)给出了湖北省燃煤电厂机组标杆值，其中超超临界以及60万kW超临界机组参考《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020)》(发改能源〔2014〕2093号)中的先进值，30万kW超临界及亚临界机组采用本省纳入企业同类型机组现役最先进值，相应的单位综合发电量碳排放值范围在752.4～812.54 g CO2eq/kW·h之间。本次对湖北省燃煤发电机组的平均综合碳排放按30万kW超临界机组的标杆值计，即804.95 g CO2/kW·h，相当于外环大桥拦河闸枢纽水电站的3.2倍，可见本电站在全生命周期内减排温室气体的环境效益仍然相当明显，对应相同发电量的火电厂相当于可减少温室气体排放41 464.8 t CO2eq。

4 结 语

1)以通城县外环大桥拦河闸枢纽水电站作为研究案例，通过对水电站生命周期的边界进行清单识别和合理简化，进行了水电站生命周期的碳足迹计算，结果表明该水电站生命周期碳足迹总量为18 826.0 t CO2e，其中建设阶段的碳足迹占比达84.8%。电站全生命周期的温室气体排放系数为251.35 g CO2e/kW·h，显著低于火电运行期的碳排放。

2)与其他水电站及燃煤发电的碳足迹研究成果进行对比，可见外环大桥拦河闸枢纽水电站的碳足迹虽较其他水电站略高，但依然远低于燃煤发电厂，所产生的电能属于清洁能源。

3)研究结果表明，新建外环大桥拦河闸枢纽水电站将可有效削减碳排放，预计工程从筹建至运行期结束后的全生命周期，相比火电可削减碳排放53 294.2 t CO2eq。该工程建设不仅能提供电能，也能发挥碳减排的环保作用。