李 棟，李曉寧，黃煒斌，陳仕軍，馬光文

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都610065；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川成都610065；3.國家電投集團重慶江口水電有限責(zé)任公司，重慶408506)

0 引 言

隨著我國各產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電力負荷需求和電網(wǎng)規(guī)模日益漸增，伴隨著系統(tǒng)負荷的峰谷差也越來越大，從而解決調(diào)峰填谷的任務(wù)也愈發(fā)迫切[1]。在電力系統(tǒng)中，抽水蓄能電站由于啟動靈活、開機迅速，能夠有效調(diào)峰調(diào)頻、節(jié)約燃煤并提高火電機組利用效率，給電力調(diào)度帶來方便，同時其還具有防洪、航運、灌溉等綜合效益，為我國的社會發(fā)展做出巨大的貢獻[2]。然而，目前國內(nèi)對于抽水蓄能電站，比較常見的是對其進行經(jīng)濟評估，較少從資源的角度開展全生命周期評價。因此，本文結(jié)合抽水蓄能電站的節(jié)煤效益，對其產(chǎn)出“能量等效轉(zhuǎn)化”，再進行整個生命周期的投入產(chǎn)出研究，這對于更全面的了解和認識抽水蓄能電站，有著積極的意義。

1 LCA方法理論

LCA(Life Cycle Assessment)方法是一種用于評價研究對象(產(chǎn)品或服務(wù))在其全生命周期中，即從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單元的構(gòu)成直至整個功能系統(tǒng)的泯滅整個過程(包括部件回收利用等)，衡量其所產(chǎn)生影響的技術(shù)和方法[3]。上個世紀(jì)90年代，LCA方法首次在國外被應(yīng)用于電力系統(tǒng)評價中，但當(dāng)時主要是用于評估溫室氣體的排放，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，越來越多的國內(nèi)外相關(guān)組織和科研機構(gòu)投入到全生命周期領(lǐng)域的研究之中，其研究范圍也逐步擴展。

圖1 抽水蓄能系統(tǒng)全生命周期邊界

2 研究對象與系統(tǒng)邊界

2.1 研究對象

本文以湖北省內(nèi)某抽水蓄能電站為研究對象，電站裝機容量為1 200 MW，可替代同等規(guī)模的燃煤火電裝機；年發(fā)峰荷電量5.43億kW·h，低谷抽水電量7.24億kW·h，調(diào)峰填谷緩解湖北電網(wǎng)的調(diào)峰壓力，改善系統(tǒng)火電運行工況，降低電網(wǎng)運行成本；可降低火電年最大調(diào)峰率4.33%，節(jié)約省內(nèi)燃煤火電標(biāo)煤量6.42萬t/a(等效于年均發(fā)電5.23億kW·h)，提高燃煤機組發(fā)電利用小時數(shù)157 h。

2.2 系統(tǒng)邊界

基于LCA的評價原則，抽水蓄能電站全生命周期研究的系統(tǒng)邊界包括上游初始資源投入，直至下游的節(jié)煤效益產(chǎn)出和電站退役等整個過程。該抽水蓄能電站的設(shè)計運行年限為30年，系統(tǒng)全生命周期邊界如圖1所示。

3 數(shù)據(jù)清單

現(xiàn)將抽水蓄能系統(tǒng)分為7個子項進行研究：①原材料開采、加工及運輸；②土石方工程開挖；③土石回填；④電站相關(guān)工程建設(shè)；⑤輸電建設(shè)；⑥節(jié)煤效益產(chǎn)出；⑦電站退役。對每一過程進行描述，計算得到相關(guān)能耗與排放數(shù)據(jù)，并結(jié)合電站全生命周期產(chǎn)出，得到等效單位電量的能耗和排放，具體見表1所示。

(1)過程①主要考慮相關(guān)材料的運輸：共涉及鋼材3.52萬t、水泥30.5萬t，運距均為100 km，運輸過程中的能源資源消耗以及污染物排放量參照文獻4計算得到。

(2)土石方開挖工程量由設(shè)計院內(nèi)部資料提供，假定開挖過程中挖掘機的鏟斗容量為1.2 m3，耗油約為30 L/h，污染物排放量由機械運行時間及相應(yīng)的排放因子計算得到。

(3)回填工程數(shù)據(jù)由內(nèi)部提供，過程中的油耗參照文獻[5]計算，污染物排放量計算同前。

(4)該階段主要考慮擋水工程(壩或閘)、引水工程和泄水工程等樞紐的建造耗材[6]，具體數(shù)據(jù)如(1)所述，由建造階段消耗和基礎(chǔ)材料全生命周期數(shù)據(jù)[7]，得到電站建造耗材生產(chǎn)過程中的能耗和排放清單。

(5)在輸電建設(shè)階段，需要建設(shè)相應(yīng)的設(shè)施及線路，本研究主要考慮水泥、鋼材和鋁材的消耗。該電站輸電距離為1 000 km，由相關(guān)研究可知[8]：對于鐵塔和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，平均每1 km大致需要水泥和鋼材分別為37.81、5.25 t；輸電導(dǎo)線平均每1 km大致需要鋁、鋼材分別為2.04、0.93 t。

(6)抽水蓄能電站運行期間考慮其能量的相互轉(zhuǎn)換過程，基本不存在水消耗的問題，電站可以實現(xiàn)少人值班運行，且系統(tǒng)運行階段機電設(shè)備更新消耗較少，在本研究中均忽略不計。

(7)目前水電站拆壩數(shù)據(jù)匱乏，且水電站壽命較長(經(jīng)濟壽命可達100 a)，電站退役后保留大壩具有灌溉等效益及可能開發(fā)的旅游資源，故系統(tǒng)退役期能耗和排放暫不考慮。

表2 抽水蓄能系統(tǒng)全生命周期資源消耗評價

4 生命周期評價

4.1 資源消耗評價

由表1分析可知，該抽水蓄能電站全生命周期中標(biāo)煤的消耗量最大，約占72.39%，主要在于電站相關(guān)工程建設(shè)需要水泥和鋼材，而水泥和鋼材的生產(chǎn)環(huán)節(jié)需要消耗大量標(biāo)煤；其次是柴油，約占26.55%，主要是因為水電站土石方工程中動用了挖掘機、壓實機等機械，其運行需要消耗大量的柴油；汽油和天然氣消耗均較少，合占比約1%。資源消耗絕對值體現(xiàn)了其直接大小，為了對不同類型資源進行比較及體現(xiàn)其稀缺性，現(xiàn)對其進行標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)處理[9]，詳見表2。

由生命周期資源評價表可以看出，電站生命周期資源的總消耗為12.31 g/kW·h，其中煤為主要部分，占71.97%；其次是石油，占比為28.02%；最少為天然氣，占比不足1%。經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化、加權(quán)后，石油的耗竭系數(shù)為1.36×10-4mPR90，消耗占據(jù)主體地位，約占59%；其次分別是煤炭和天然氣，其值分別為9.08×10-5mPR90、3.24×10-10mPR90，占比分別為40%和1%，整體來說抽水蓄能發(fā)電方式的各類能源資源稀缺性均較低，且油耗最大。將各類資源消耗轉(zhuǎn)化為標(biāo)煤，其總能耗為12.36 g/kW·h，與超超臨界機組相比(每發(fā)電1 kW· h，約耗300 g標(biāo)準(zhǔn)煤[10])，抽水蓄能電站等效發(fā)電可節(jié)約95.88%的標(biāo)煤量。

4.2 環(huán)境影響評價

對計算的各類環(huán)境影響潛值采用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)進行標(biāo)準(zhǔn)化[12](標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)采用全球人均值)，從而比較其相對大?。粚?biāo)準(zhǔn)化的環(huán)境影響潛值進行加權(quán)處理(權(quán)重采用層次分析法確定)，得到加權(quán)后系統(tǒng)對環(huán)境的總影響，結(jié)果如表3所示。

表3 抽水蓄能系統(tǒng)環(huán)境影響潛值

由表3可以看出，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)后的系統(tǒng)全球變暖潛值、酸化潛值、富營養(yǎng)化潛值、粉塵潛值和光化學(xué)臭氧合成潛值分別為2.15×10-6人當(dāng)量、7.16×10-7人當(dāng)量、1.79×10-7人當(dāng)量、1.30×10-6人當(dāng)量和2.77×10-6人當(dāng)量，總環(huán)境影響負荷為7.11×10-6人當(dāng)量。抽水蓄能系統(tǒng)對環(huán)境影響較大的是全球變暖、光化學(xué)臭氧合成和粉塵，其占比分別為30.24%、38.96%和18.28%，其它類型的環(huán)境影響均較小。且抽水蓄能系統(tǒng)整個生命周期中，開挖、回填土石工程量大，導(dǎo)致其過程中的污染物排放量占比最大；同時電站樞紐工程建設(shè)期需消耗大量的鋼材和水泥，其生產(chǎn)環(huán)節(jié)也會產(chǎn)生較大的排放；但抽水蓄能系統(tǒng)運行期間不會產(chǎn)生CO2等排放，因此其開發(fā)建設(shè)對于溫室氣體減排能起到較好的作用。

5 結(jié) 語

(1)該抽水蓄能系統(tǒng)生命周期的等效總資源消耗為12.31 g/kW·h，其中煤為主要部分，占71.97%；其次是石油，占比為28.02%；最少為天然氣，占比不足1%。將能源資源消耗進行標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)，得到石油、煤炭和天然氣的耗竭系數(shù)分別為1.36×10-4mPR90、9.08×10-5mPR90和3.24×10-10mPR90，占比分別為59%、40%和1%，相比較來說該系統(tǒng)中油耗占據(jù)主體地位，其消耗量大、資源稀缺性最高。

(2)將系統(tǒng)產(chǎn)出進行能量等效轉(zhuǎn)換，得到其整個生命周期過程等效產(chǎn)出1 kW·h電總能耗為12.36 g標(biāo)煤(362.23 kJ)、總排放為38.30 g CO2；與燃煤火電相比，等效發(fā)電可節(jié)約標(biāo)煤95.88%、并減少99.96%的CO2排放量。

(3)分析系統(tǒng)影響潛值可知，其等效單位電量的總環(huán)境影響負荷為7.11×10-6標(biāo)準(zhǔn)人當(dāng)量，其中全球變暖、光化學(xué)臭氧合成和粉塵為主要影響因素，其占比分別為30.24%、38.96%和18.28%；且電站運行期間不會產(chǎn)生CO2等排放，因此其開發(fā)建設(shè)對于降低溫室效應(yīng)具有積極作用。