(1.廣東粵電南水發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東 韶關(guān) 512700； 2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

1 概 述

全球氣候變化問題是人類迄今為止面臨的規(guī)模最

大、范圍最廣、影響最為深遠的挑戰(zhàn)之一，也是影響未來世界經(jīng)濟和社會發(fā)展、重構(gòu)全球政治和經(jīng)濟格局的最重要因素之一[1]。全球氣候變化要求我國必須積極采取有效措施，主動推進能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，降低化石能源在我國能源結(jié)構(gòu)中的占比，減少溫室氣體排放。我國應(yīng)對氣候變化國家方案中，將以水電為主的可再生能源列為能源替代戰(zhàn)略的優(yōu)先領(lǐng)域加以大力發(fā)展，以有效減少化石能源消費。截至2017年底，我國水電總裝機容量達3.4億kW，約占全球水電裝機容量的30%，年發(fā)電量約1.2萬億kW·h，占中國清潔能源發(fā)電量的70%。按發(fā)電量計算，我國目前水電的開發(fā)程度僅為39%，與歐美發(fā)達國家相比仍有較大差距，未來我國需要繼續(xù)大力發(fā)展水電。水電站的建設(shè)和運行自身也需要消耗能源，若從電站全生命周期的角度計算能源的投入產(chǎn)出比，就能夠客觀地評估水電工程的開發(fā)效益，可以更加清晰地了解和認識到水電在應(yīng)對氣候變化、節(jié)能減排等方面的巨大優(yōu)勢。

2 能源回報率的定義及計算

20世紀(jì)70年代初世界石油危機爆發(fā)后，全球能源結(jié)構(gòu)發(fā)生了急劇的變化，產(chǎn)生了包括能源獨立、空氣質(zhì)量，以及后來的氣候變化等一系列問題[2]。許多國家開始尋找石油替代品，能源回報率(Energy Payback Ratio)的概念正是在這一過程中出現(xiàn)的。以一個電站為例，能源回報率定義為電站在運行期內(nèi)產(chǎn)出的所有能源與它在建設(shè)期、運行期、終止期為維持其建設(shè)、運行、拆卸所消耗的能源的比值[3]，可以表達如下：

(1)

式中EnL——電站在運行期內(nèi)產(chǎn)出的能源；

EconL——電站在建設(shè)期所消耗的能源；

EopL——電站在運行期所消耗的能源；

EdecL——電站在終止期所消耗的能源。

從能源回報率定義來看，一個電站的能源回報率主要取決于兩方面：一方面是該電站在運行期內(nèi)所產(chǎn)出的能源，另一方面是建設(shè)以及維持電站運轉(zhuǎn)并使電站能夠正常運行所消耗的能源。如果一個電站的能源回報率值高，從能源投入、產(chǎn)出角度講，該電站具備良好的開發(fā)效益；而如果一個電站的能源回報率值接近于1，就表明它所消耗的能源與它產(chǎn)出的能源一樣多，就不應(yīng)該建設(shè)與使用這樣的電站。

一個電站產(chǎn)出的能源值比較容易確定，而其消耗的能源值往往涉及多種因素故難以確定，因此絕大部分對于能源回報率的研究都集中在確定一個電站全生命周期所消耗的能源上。目前主要有兩種計算方法，包括投入/產(chǎn)出法(Input/Output Method)和過程鏈分析法(Process Chain Analysis)。

1973年，美國伊利諾斯大學(xué)Herendeen首次報道了能源投入/產(chǎn)出矩陣(Input/Output Matrix)，其中的商品和服務(wù)是用消耗的能源而不是貨幣來標(biāo)明的[4]。同年，基于能源投入/產(chǎn)出矩陣，Bullard和Herendeen首次利用投入/產(chǎn)出法進行了能源計算分析[5]。其后，伊利諾斯大學(xué)的能源研究小組分別在1981年和1985年對上述能源投入/產(chǎn)出矩陣進行了更新[6-7]。另外一種評估能源消耗的方法是過程鏈分析法，這種方法直接對過程鏈上的能源消耗進行計算分析。1974年，英國公開大學(xué)Chapman首次報道了過程鏈分析法[8]。過程鏈分析法總結(jié)了全過程每一個步驟的能量消耗，通過確定開采、運輸、加工等每一個步驟所消耗的能量來計算分析獲得成品時所需要的能量。在實際評估能源回報率的應(yīng)用中，通常聯(lián)合使用上述的兩種方法以得到一個合理的評估結(jié)果[9-10]。

3 水電的能源回報率

水電站的全生命周期可以分為以下幾個階段[3]：?基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，通常指發(fā)電站建設(shè)；?電站的運行與維護；?基本附屬設(shè)施建設(shè)，包括水電站管理人員辦公設(shè)施等的建設(shè)、拆除與再投資；?輸電網(wǎng)/配電網(wǎng)的建設(shè)、拆除與維護；?輸電/配電，電網(wǎng)的損耗；?電站退役處置。水電站的能源投入主要包括上述各個階段的原材料、勞力和燃料等投入(見下表)[11]；能量輸出是水電站全生命周期內(nèi)所輸出的電力。通過對水電站全生命周期各階段的各種類型能量投入的分類統(tǒng)計，可以計算水電站全生命周期的能耗總量：

(2)

式中Ein——水電站全生命周期能耗;

Eij——第j階段的第i種能耗。

水電站全生命周期的能源投入表

水電站的能源回報率為在全生命周期內(nèi)產(chǎn)出的所有能源與它所消耗能源的比值：

(3)

式中EPR——能源回報率；

Ein——水電站全生命周期的能耗總量；

Eout——水電站全生命周期能源產(chǎn)出總量。

加拿大魁北克水電公司基于近百年的水電設(shè)施相關(guān)數(shù)據(jù)，評估其下屬的水庫式水電站的能源回報率在50到260之間[12]。

作者選擇白鶴灘水電站為例，采用上述方法分析了其能源回報率。白鶴灘水電站位于四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，是金沙江下游干流河段梯級開發(fā)的第二個梯級電站，以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙、改善下游航運條件和發(fā)展庫區(qū)通航等綜合效益。樞紐由攔河壩、泄洪消能設(shè)施、引水發(fā)電系統(tǒng)等主要建筑物組成。水庫正常蓄水位825.00m，相應(yīng)庫容206億m3，調(diào)節(jié)庫容104億m3，防洪庫容75億m3。地下廠房裝有16臺機組，裝機容量1600萬kW，多年平均發(fā)電量602.4億kW·h。根據(jù)文獻[13][14]提供的白鶴灘水電站施工期和運行期的能耗量數(shù)據(jù)，按運行100年考慮，計算得出白鶴灘水電站的能源回報率為95。如前所述，水庫式水電站的能源回報率一般在50到260之間，白鶴灘水電站的能源回報率符合水庫式水電站的一般數(shù)值范圍。

4 水電與其他發(fā)電形式的能源回報率比較

從20世紀(jì)90年代開始，美國國家可再生能源實驗室、美國威斯康星大學(xué)、世界能源委員會、世界核能協(xié)會等機構(gòu)或單位先后對傳統(tǒng)發(fā)電模式以及新能源發(fā)電的能源回報率進行了評估或歸納總結(jié)[10][15-18]。Gagnon比較了各種發(fā)電模式的能源回報率[12]，見下圖。由下圖可見，在各種能源開發(fā)中，水電的能源回報率最高，其中水庫式水電的能源回報率為205～280，徑流式水電的能源回報率為170～267；其次為風(fēng)電，能源回報率為18～34；核電、生物能與太陽能的能源回報率范圍分別為14～16、3～5和3～6；傳統(tǒng)火電與碳回收技術(shù)火電的能源回報率范圍最低，分別為2.5～5.1和1.6～3.3。

各種發(fā)電模式的能源回報率圖

綜上所述，水電、風(fēng)電、核電具有較高的能源回報率，而傳統(tǒng)的煤炭、石油、天然氣發(fā)電具有較低的能源回報率。礦物質(zhì)燃料發(fā)電的能源回報率相差并不明顯，而可再生能源的能源回報率的差別就十分明顯。產(chǎn)生差別的原因是多方面的，比如水電站的來水量、風(fēng)的速度和太陽光的集中程度等?？傊娫谒邪l(fā)電模式中具有最高的能源回報率，在應(yīng)對氣候變化、節(jié)能減排等方面具有明顯優(yōu)勢。

5 結(jié) 語

能源回報率可以從電站全生命周期的角度計算能源的投入產(chǎn)出比。本文介紹了能源回報率的定義以及計算方法，并應(yīng)用于水電的能源回報率評估。與其他發(fā)電形式相比，水電在所有發(fā)電模式中具有最高的能源回報率，在應(yīng)對氣候變化、節(jié)能減排等方面具有明顯優(yōu)勢。為了實現(xiàn)應(yīng)對氣候變化的目標(biāo)，有效減少化石能源的消費，未來我國需要繼續(xù)推進水電又好又快發(fā)展。

[1] 胡鞍鋼,管清友.應(yīng)對全球氣候變化：中國的貢獻——兼評托尼·布萊爾《打破氣候變化僵局：低碳未來的全球協(xié)議》報告[J].當(dāng)代亞太，2008(4):7-25.

[2] Gagnon,L.Civilisation and energy payback [J].Energy Policy,2008,36(9):3317-3322.

[3] World Energy Council.Comparison of energy systems using life cycle assessment [R].London,2004.

[4] Herendeen,R.A.An energy Input-Output Matrix for the United States,1963:User’s guide [R].CAC Document No.69,Center for Advanced Computation,Univ.of Illinois,1973.

[5] Bullard,C.W.,and Herendeen,R.A.Energy impact of consumption decisions [J].IEEE,1973,63(3):484-493.

[6] Hannon,B.,et al.Energy and labor intensities for 1972 [R].ERG Document 307,Energy Research Group,University of Illinois,1981.

[7] Hannon,B.,et al.Energy and labor intensities for 1977 [R].ERG Document 307,Energy Research Group,University of Illinois,1985.

[8] Chapman,P.F.Energy costs:a review of methods [J].Energy Policy,1974：91-103.

[9] Bullard,C.W.,Penner,P.S.,and Pilati,D.A.Net energy analysis:Handbook for combining process and Input-Output analysis [J].Resources and Energy,1978,1(3):267-313.

[10] White,S.W.,and Kulcinski,G.L.“Birth to Death” analysis of the energy payback ratio and CO2gas emission rates from coal,fission,wind and DT fusion electrical power plants [R].UWFDM-1063,University of Wisconsin-Madison,1999.

[11] 李海英，王東勝.我國水電能源回報率評估框架[C]∥杜祥琬首屆“中國工程院/國家能源局 能源論壇”論文集.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[12] Gagnon,L.Energy Payback Ratio [R].Hydro-Québec,2005.

[13] 金珍宏.白鶴灘水電站施工期能耗量分析方法[J].水利水電技術(shù)，2012,43(11)：34-36.

[14] 金珍宏.白鶴灘水電站運行期能耗指標(biāo)計算分析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2013(4)：35-39.

[15] Spath,P.L.,Mann,M.K.,and Kerr,D.R.Life cycle assessment of coal-fired power production [R].National Renewable Energy Laboratory,USA,1999.

[16] Spath,P.L.,and Mann,M.K.Life Cycle Assessment of a Natural Gas Combined Cycle Power Generation System [R].National Renewable Energy Laboratory,USA,2000.

[17] White,S.W.,and Kulcinski,G.L.Net energy payback and CO2emissions from wind-generated electricity in the Midwest [R].University of Wisconsin-Madison,1998.

[18] Meier,P.J.Life-Cycle Assessment of Electricity Generation Systems and Applications for Climate Change Policy Analysis [D].Ph.D.thesis,University of Wisconsin-Madison,2002.