歐洲與環境相容的小水電模擬方法

［丹麥］D.克拉布 等

任何人造裝置的建立都會產生影響，可再生能源發電裝置也不例外。由于發電機的能量來源和類型取決于許多變量，因而需要根據專門的技術基準考慮環境影響。

歐盟各成員國提出的2020 年國家可再生能源行動計劃表明，2012～2020 年將額外建立裝機464 MW 的微型水電(小于1 MW)、裝機2 430 MW 的小型水電(1～10 MW)和裝機17 114 MW 的大型水電(大于10 MW)。雖然小水電占預計新增水電容量比例較小，但其發電裝置的數量卻比大型水電類的數量多。據預測，歐盟27 個成員國的小水電站可能會有幾千座。因此，在小范圍內將會有明顯的環境影響，而對公眾、各個行業和政策制定者來說，確定水電潛能很有意義，并盡力從環境方面考慮量化可能會減少總水電潛能的程度。

1 方法

1.1 水道數據

歐洲流域和河流網絡系統(ECRINS)是一組由歐洲署建立和管理的微軟存取數據庫，包含各流域、河流、湖泊、監測站和大壩連接且有地理標志的數據，還可獲得與流量相關的輔助數據。ECRINS 包含138 000 個基本流域，其平均集水面積為92 km2。

ECRINS 為評估小水電技術潛能提供了重要基礎。在第一個流域內，可識別主要河流(稱為主要排水系統)及其支流。大壩位置也包含在數據庫中，雖然這方面工作還不夠完善。一系列沿主要河流的數據點或節點代表流量測量結果已被記錄的測點位置，每個節點都有相關的高程，以便能確定節點之間的垂直位移。

最為理想的是，在每個壩址處都可獲得一條流量歷時曲線(FDC)，這樣就可直接計算技術潛能。通常不易獲得這些數據，但對于每個流域要河流上所選擇的節點，可獲取年均或月均流量的數據。平均流量數據可為小水電資源評估提供近似值。

1.2 技術潛能的假設

就這項研究而言，可將技術潛能定義為一個可開發水電潛能的地理區域，暫不考慮經濟或環境因素。假設從選擇數據點可獲得高度和平均流量數據，則可實現在地區、國家乃至洲的層面上估計小水電的技術潛能。按這種規模估計小水電的方法需要以一系列的假設為基礎，這樣才能為每個壩址提供合理的近似值。

該研究是基于以下假設進行的:①假設為一個小水電項目安裝選定每個節點的位置;②評估電能產量時，假設每個選定的站址都是高水頭徑流式方案;③每個小水電站站址的引水點緊靠其上游節點，因此，節點之間的高程差就是計算的水頭;④每個小水電項目的額定功率及年發電量應根據引水點的平均流量和從引水點至水力發電機組安裝處的水頭進行計算;⑤基建費(CAPEX)和運行費(OPEX)是以歐洲小水電協會(ESHA)針對不同歐盟國家小水電開發提供的價值范圍為依據的。

發電機組功率輸出由式(1)給出:

如果假定整個系統的效率為70%，則式(1)可近似地改寫為:

方案規模可根據設計流量和發電機容量系數加以評估。假設每個小水電項目都根據平均流量Qmean進行設計，那么一個小水電方案的設計，特別是其裝機容量和發電機容量系數的設計，將取決于可獲得的流量及允許以這種流量運行的時間。發電機容量系數隨設計流量的變化而變化，且成反比關系。該系數有助于以千瓦時為單位計算站址的年發電量。在第一次求解技術潛能的近似計算中，設計流量取為0.75Qmean。假設單位裝機容量的造價隨電站規模的減小而增加，根據每個小水電站站址的額定功率，可進一步確定技術潛能。此外，運行、維修費是根據ESHA 的數據作為電站投資費的百分比計算得出的。

一旦確定了技術潛能，就可計算成本，進而得出一條資源成本曲線(RCC)。

1.3 環境相容潛能假設

實際上，引水流量的比率可根據符合環境標準的必要性進行變化，其定義為減去一定比例后的技術潛能，扣除的這部分用于確保河流生態系統的最小流量。

這種取水流量比率與站址的具體情況密切相關，但為能在大的空間范圍內得出有意義的結果，必須對所有地區做出一般性假設。在此介紹的實例中，已假定采用了相當于0.33Qmean的流量，以說明減少的流量對小水電資源的影響。電站的基建費也要增加1/3。

減少的流量和增加的費用是代表量(proxies)，設計這種代表量旨在應對以下問題:①限制引水流量比率以保持流量，并有助于獲得或保持良好的生態潛力或狀態;②過魚及相關基建費;③一個流域或一組流域內小水電開發的相對密度，在環境敏感區，這種相對密度更低;④防止水流進入某些指定區域。

值得注意的是，引水流量選擇為0.33Qmean是任意的。在現階段，幾乎沒有文獻資料表明在現有生態系統功能得到有效發揮的水體中剩余流量的水平。

2 結 果

RCC 是為西班牙庇里牛斯地區的流域制定的，采用該流域作為試點是因為該地區的數據比其他地區更加完整。已采用以下步驟繪制實例流域的一條RCC:①計算每座常規小水電站的額定功率;②由額定功率得出基建費;③假設發電機容量系數為50%，根據額定功率計算發電量;④對該流域地區內的每個小水電站站址，通過貼現現金流量分析，以歐分/ kW·h 為單位計算電能的單位成本;為達到指示性目的，假設每個小水電站的建設工期為1 a，其技術壽命為40 a;還假設需要數額為原基建費20%的資金用于電站運行20 a 后機械部件的整修。

一旦獲得安裝費，就可為研究中的區域生成一條RCC。在此情況下，RCC 在技術潛能和環境相容方面表明了從最經濟的站址到不太有利的站址的進展情況。結果表明，以較低成本可獲得大量重要資源(低于0.04歐元/kW·h，可得到21 000 MW·h/a)，但是高出0.04歐元/kW·h 時，開發可獲資源的成本就會明顯增加。

此外，利用環境相容資源的額外限制條件可計算出潛能。引水流量限制及基建費用的增加對RCC 有明顯影響。如果采用0.06歐元/kW·h 作為參考發電成本，那么潛能就會減少約40%。在更廣泛的基礎上，如果某些站址位于施加額外限制的指定區域內，那么潛在發電量還會進一步減少。

3 討 論

如果已知不確定量和假設數目，則上述結果僅為指示性的。這些結果表明，如果作為初始技術潛能基礎的數據存在，且如果可作出有關環境約束影響的假設，就可計算環境相容潛能。

影響該方法精度不確定性的例子包括以下幾個方面:①每個節點都可看作是一個小水電站的站址，每個站址都充分利用前一個節點到本節點的水頭，這就可能過高估計潛能;②未考慮節點之間的距離對基建費的影響，而距離和地形會對安裝費產生顯著影響;③ECRINS 未提供支流的流量信息，這些支流可新增更多潛能;④該方法中未考慮節點至道路和電網的距離;⑤環境相容假設不可跨管理部門應用，因為這樣可能過低或過高估計小水電開發的額外費用負擔。

這些假設的實例表明，并非每個電站都需修建魚梯，可利用被保護區來安裝水電設備。因此需改善環境，以保持水體的環境整體性，這就會導致費用的增加。

在該方法中做了許多假設，試圖評估受潛能、成本增加或更為嚴格的環境因素的限制。盡管這種評估只是文獻中難以獲得更加精細的代表量的一種反映，但是有理由認為這種方法具有一定的有效性。

2010 年，有專家就曾表示，為提供足夠的剩余流量以確保連續性，可評估發電損失400 GW·h/a，約占每年總發電量的1%。提供足夠的剩余流量以獲得良好的生態潛力或狀態可能會導致約5%的發電損失，難以緩解水電峰荷的影響，且缺乏措施方面的知識。

顯然，在找到可應用于洲級估計的環境約束代表量之前，可對合理代表量做更加詳細的分析，這可能是未來水電開發工作的一個重要研究領域。

可采取多種措施提高技術潛能，但這些措施通常都依賴于數據集完整性的提高，或依賴于新增站址信息，而這些信息不能公開買到，或是跨越整個歐洲的成本太高。

了解歐洲范圍內的水電資源，無論是對政策制定者、環保機構、水務部門而言，還是未來在不同地點預測可再生能源都極為重要。了解水電資源使公共和私人資金能投向最佳目標，以便使技術產量達到最大。但必須認識到，需提高歐洲水道的質量，以符合歐盟《水框架指令》。這次模擬訓練是用洲級范圍的方法計算歐洲水電潛能的第一步。但歐洲流域和河流網絡系的數據庫還需要更加完整，以便證明使用這種數據來源做其他嘗試的準確性。