基于LCA理論的抽水蓄能系統全生命周期評價

李 棟，李曉寧，黃煒斌，陳仕軍，馬光文

(1.四川大學水利水電學院，四川成都610065；2.四川大學水力學與山區河流開發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任公司，重慶408506)

0 引 言

隨著我國各產業的快速發展，電力負荷需求和電網規模日益漸增，伴隨著系統負荷的峰谷差也越來越大，從而解決調峰填谷的任務也愈發迫切[1]。在電力系統中，抽水蓄能電站由于啟動靈活、開機迅速，能夠有效調峰調頻、節約燃煤并提高火電機組利用效率，給電力調度帶來方便，同時其還具有防洪、航運、灌溉等綜合效益，為我國的社會發展做出巨大的貢獻[2]。然而，目前國內對于抽水蓄能電站，比較常見的是對其進行經濟評估，較少從資源的角度開展全生命周期評價。因此，本文結合抽水蓄能電站的節煤效益，對其產出“能量等效轉化”，再進行整個生命周期的投入產出研究，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(產品或服務)在其全生命周期中，即從產品結構單元的構成直至整個功能系統的泯滅整個過程(包括部件回收利用等)，衡量其所產生影響的技術和方法[3]。上個世紀90年代，LCA方法首次在國外被應用于電力系統評價中，但當時主要是用于評估溫室氣體的排放，隨著經濟社會的發展，越來越多的國內外相關組織和科研機構投入到全生命周期領域的研究之中，其研究范圍也逐步擴展。

圖1 抽水蓄能系統全生命周期邊界

2 研究對象與系統邊界

2.1 研究對象

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

2.2 系統邊界

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

3 數據清單

現將抽水蓄能系統分為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電站相關工程建設；⑤輸電建設；⑥節煤效益產出；⑦電站退役。對每一過程進行描述，計算得到相關能耗與排放數據，并結合電站全生命周期產出，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計院內部資料提供，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的排放因子計算得到。

(3)回填工程數據由內部提供，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]，具體數據如(1)所述，由建造階段消耗和基礎材料全生命周期數據[7]，得到電站建造耗材生產過程中的能耗和排放清單。

(5)在輸電建設階段，需要建設相應的設施及線路，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，由相關研究可知[8]：對于鐵塔和基礎設施建設，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換過程，基本不存在水消耗的問題，電站可以實現少人值班運行，且系統運行階段機電設備更新消耗較少，在本研究中均忽略不計。

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

表2 抽水蓄能系統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煤的消耗量最大，約占72.39%，主要在于電站相關工程建設需要水泥和鋼材，而水泥和鋼材的生產環節需要消耗大量標煤；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了其直接大小，為了對不同類型資源進行比較及體現其稀缺性，現對其進行標準化和加權處理[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%。經過標準化、加權后，石油的耗竭系數為1.36×10-4mPR90，消耗占據主體地位，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。將各類資源消耗轉化為標煤，其總能耗為12.36 g/kW·h，與超超臨界機組相比(每發電1 kW· h，約耗300 g標準煤[10])，抽水蓄能電站等效發電可節約95.88%的標煤量。

4.2 環境影響評價

對計算的各類環境影響潛值采用相應的標準化基準進行標準化[12](標準化基準采用全球人均值)，從而比較其相對大小；對標準化的環境影響潛值進行加權處理(權重采用層次分析法確定)，得到加權后系統對環境的總影響，結果如表3所示。

表3 抽水蓄能系統環境影響潛值

由表3可以看出，經過標準化和加權后的系統全球變暖潛值、酸化潛值、富營養化潛值、粉塵潛值和光化學臭氧合成潛值分別為2.15×10-6人當量、7.16×10-7人當量、1.79×10-7人當量、1.30×10-6人當量和2.77×10-6人當量，總環境影響負荷為7.11×10-6人當量。抽水蓄能系統對環境影響較大的是全球變暖、光化學臭氧合成和粉塵，其占比分別為30.24%、38.96%和18.28%，其它類型的環境影響均較小。且抽水蓄能系統整個生命周期中，開挖、回填土石工程量大，導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期需消耗大量的鋼材和水泥，其生產環節也會產生較大的排放；但抽水蓄能系統運行期間不會產生CO2等排放，因此其開發建設對于溫室氣體減排能起到較好的作用。

5 結 語

(1)該抽水蓄能系統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準化和加權，得到石油、煤炭和天然氣的耗竭系數分別為1.36×10-4mPR90、9.08×10-5mPR90和3.24×10-10mPR90，占比分別為59%、40%和1%，相比較來說該系統中油耗占據主體地位，其消耗量大、資源稀缺性最高。

(2)將系統產出進行能量等效轉換，得到其整個生命周期過程等效產出1 kW·h電總能耗為12.36 g標煤(362.23 kJ)、總排放為38.30 g CO2；與燃煤火電相比，等效發電可節約標煤95.88%、并減少99.96%的CO2排放量。

(3)分析系統影響潛值可知，其等效單位電量的總環境影響負荷為7.11×10-6標準人當量，其中全球變暖、光化學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生CO2等排放，因此其開發建設對于降低溫室效應具有積極作用。