［丹麥］D.克拉布 等

任何人造裝置的建立都會產(chǎn)生影響，可再生能源發(fā)電裝置也不例外。由于發(fā)電機的能量來源和類型取決于許多變量，因而需要根據(jù)專門的技術(shù)基準考慮環(huán)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(yù)計新增水電容量比例較小，但其發(fā)電裝置的數(shù)量卻比大型水電類的數(shù)量多。據(jù)預(yù)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(nèi)將會有明顯的環(huán)境影響，而對公眾、各個行業(yè)和政策制定者來說，確定水電潛能很有意義，并盡力從環(huán)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(shù)據(jù)

歐洲流域和河流網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(ECRINS)是一組由歐洲署建立和管理的微軟存取數(shù)據(jù)庫，包含各流域、河流、湖泊、監(jiān)測站和大壩連接且有地理標志的數(shù)據(jù)，還可獲得與流量相關(guān)的輔助數(shù)據(jù)。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(shù)潛能提供了重要基礎(chǔ)。在第一個流域內(nèi)，可識別主要河流(稱為主要排水系統(tǒng))及其支流。大壩位置也包含在數(shù)據(jù)庫中，雖然這方面工作還不夠完善。一系列沿主要河流的數(shù)據(jù)點或節(jié)點代表流量測量結(jié)果已被記錄的測點位置，每個節(jié)點都有相關(guān)的高程，以便能確定節(jié)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(shù)潛能。通常不易獲得這些數(shù)據(jù)，但對于每個流域要河流上所選擇的節(jié)點，可獲取年均或月均流量的數(shù)據(jù)。平均流量數(shù)據(jù)可為小水電資源評估提供近似值。

1.2 技術(shù)潛能的假設(shè)

就這項研究而言，可將技術(shù)潛能定義為一個可開發(fā)水電潛能的地理區(qū)域，暫不考慮經(jīng)濟或環(huán)境因素。假設(shè)從選擇數(shù)據(jù)點可獲得高度和平均流量數(shù)據(jù)，則可實現(xiàn)在地區(qū)、國家乃至洲的層面上估計小水電的技術(shù)潛能。按這種規(guī)模估計小水電的方法需要以一系列的假設(shè)為基礎(chǔ)，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(shè)進行的:①假設(shè)為一個小水電項目安裝選定每個節(jié)點的位置;②評估電能產(chǎn)量時，假設(shè)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(jié)點，因此，節(jié)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(fā)電量應(yīng)根據(jù)引水點的平均流量和從引水點至水力發(fā)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(xié)會(ESHA)針對不同歐盟國家小水電開發(fā)提供的價值范圍為依據(jù)的。

發(fā)電機組功率輸出由式(1)給出:

如果假定整個系統(tǒng)的效率為70%，則式(1)可近似地改寫為:

方案規(guī)?？筛鶕?jù)設(shè)計流量和發(fā)電機容量系數(shù)加以評估。假設(shè)每個小水電項目都根據(jù)平均流量Qmean進行設(shè)計，那么一個小水電方案的設(shè)計，特別是其裝機容量和發(fā)電機容量系數(shù)的設(shè)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(fā)電機容量系數(shù)隨設(shè)計流量的變化而變化，且成反比關(guān)系。該系數(shù)有助于以千瓦時為單位計算站址的年發(fā)電量。在第一次求解技術(shù)潛能的近似計算中，設(shè)計流量取為0.75Qmean。假設(shè)單位裝機容量的造價隨電站規(guī)模的減小而增加，根據(jù)每個小水電站站址的額定功率，可進一步確定技術(shù)潛能。此外，運行、維修費是根據(jù)ESHA 的數(shù)據(jù)作為電站投資費的百分比計算得出的。

一旦確定了技術(shù)潛能，就可計算成本，進而得出一條資源成本曲線(RCC)。

1.3 環(huán)境相容潛能假設(shè)

實際上，引水流量的比率可根據(jù)符合環(huán)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(shù)潛能，扣除的這部分用于確保河流生態(tài)系統(tǒng)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(guān)，但為能在大的空間范圍內(nèi)得出有意義的結(jié)果，必須對所有地區(qū)做出一般性假設(shè)。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(shè)計這種代表量旨在應(yīng)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(tài)潛力或狀態(tài);②過魚及相關(guān)基建費;③一個流域或一組流域內(nèi)小水電開發(fā)的相對密度，在環(huán)境敏感區(qū)，這種相對密度更低;④防止水流進入某些指定區(qū)域。

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

2 結(jié) 果

RCC 是為西班牙庇里牛斯地區(qū)的流域制定的，采用該流域作為試點是因為該地區(qū)的數(shù)據(jù)比其他地區(qū)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(guī)小水電站的額定功率;②由額定功率得出基建費;③假設(shè)發(fā)電機容量系數(shù)為50%，根據(jù)額定功率計算發(fā)電量;④對該流域地區(qū)內(nèi)的每個小水電站站址，通過貼現(xiàn)現(xiàn)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(shè)每個小水電站的建設(shè)工期為1 a，其技術(shù)壽命為40 a;還假設(shè)需要數(shù)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(qū)域生成一條RCC。在此情況下，RCC 在技術(shù)潛能和環(huán)境相容方面表明了從最經(jīng)濟的站址到不太有利的站址的進展情況。結(jié)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(fā)可獲資源的成本就會明顯增加。

此外，利用環(huán)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(fā)電成本，那么潛能就會減少約40%。在更廣泛的基礎(chǔ)上，如果某些站址位于施加額外限制的指定區(qū)域內(nèi)，那么潛在發(fā)電量還會進一步減少。

3 討 論

如果已知不確定量和假設(shè)數(shù)目，則上述結(jié)果僅為指示性的。這些結(jié)果表明，如果作為初始技術(shù)潛能基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)存在，且如果可作出有關(guān)環(huán)境約束影響的假設(shè)，就可計算環(huán)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(jié)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(jié)點到本節(jié)點的水頭，這就可能過高估計潛能;②未考慮節(jié)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(chǎn)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(jié)點至道路和電網(wǎng)的距離;⑤環(huán)境相容假設(shè)不可跨管理部門應(yīng)用，因為這樣可能過低或過高估計小水電開發(fā)的額外費用負擔。

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

在該方法中做了許多假設(shè)，試圖評估受潛能、成本增加或更為嚴格的環(huán)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(xù)性，可評估發(fā)電損失400 GW·h/a，約占每年總發(fā)電量的1%。提供足夠的剩余流量以獲得良好的生態(tài)潛力或狀態(tài)可能會導(dǎo)致約5%的發(fā)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(yīng)用于洲級估計的環(huán)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(fā)工作的一個重要研究領(lǐng)域。

可采取多種措施提高技術(shù)潛能，但這些措施通常都依賴于數(shù)據(jù)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(nèi)的水電資源，無論是對政策制定者、環(huán)保機構(gòu)、水務(wù)部門而言，還是未來在不同地點預(yù)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(shù)產(chǎn)量達到最大。但必須認識到，需提高歐洲水道的質(zhì)量，以符合歐盟《水框架指令》。這次模擬訓(xùn)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(wǎng)絡(luò)系的數(shù)據(jù)庫還需要更加完整，以便證明使用這種數(shù)據(jù)來源做其他嘗試的準確性。