基于碳足迹理论的水电枢纽工程能耗分析研究

摘要

随着社会经济的快速发展，全球环境问题日益严重，各行各业的节能降耗工作迫在眉睫。我国“十二五”规划首次明确指出：“要把大幅度降低能源消耗强度和二氧化碳排放强度作为约束性指标，有效控制温室气体排放。其中，能源强度下降16％，碳排放强度下降17%”。水电是可再生的绿色能源，优先、大力发展水电是全球能源政策的现实选择，但任何能源的开发都会产生能耗和碳排放。目前水电项目的决策，是在综合考虑经济、技术和环境等多方面因素的基础上进行的。然而，其中的环境影响评价尚未考虑水电枢纽工程的能耗和碳排放。
　　为了响应我国“十二五”规划的能源强度和碳减排强度目标，以更全面的指标严格控制水电建设项目对环境的影响，实现水电的可持续发展，本文首次、系统地基于碳足迹理论对水电枢纽工程的能耗分析进行了研究，从生命周期的角度研究了水电枢纽工程的碳足迹理论、碳足迹分析方法、碳足迹在水电枢纽工程上的应用、考虑碳足迹的生态效应评价方法、碳足迹分析与生态效应评价系统。在深化理论、探索方法的基础上，主要回答“一个大型水电枢纽工程在全生命周期内所排放的温室气体有多少，等效消耗的标准煤有多少？”、“混凝土坝坝型和堆石坝坝型的能耗对比如何？”、“在整个生命周期阶段中，各阶段排放的温室气体和能耗情况比例如何？”、“哪些因素对碳排放和能耗影响最大，如何挖掘水电枢纽工程的节能潜力？”“碳足迹指标在水电项目综合环境影响中所占的比例如何？”“如何快速、精确得到大型复杂水电枢纽工程的碳排放及能耗情况？”等问题，旨在为水电行业的能耗分析工作提供系统、全面的理论基础和应用平台。主要研究内容和成果如下：
　　（1）探索水电枢纽工程的碳足迹理论，并提出大型水电枢纽工程碳足迹分析的混合生命周期评价方法（Hybrid-LCA）。包括确定水电枢纽工程能耗分析的目的和定位，提出水电枢纽工程碳足迹的概念，研究碳足迹与能耗的转换关系，划定水电枢纽工程能耗分析的系统边界，讨论水电枢纽工程碳足迹分析的标准。并根据大型水电枢纽工程生命周期长、过程相当繁杂的特点，将水电枢纽工程生命周期分为材料设备生产阶段、运输阶段、施工阶段、运行维护阶段四个阶段，并考虑所有相关的主要材料、设备和能源消耗。基于结合过程分析法（PA-LCA）和投入产出分析法（IO-LCA）各自优势的混合生命周期评价方法（Hybrid-LCA）研究大型水电枢纽工程的碳足迹，提出水电枢纽工程生命周期各阶段碳足迹的计算思路和计算公式，并收集、对比、确定水电枢纽工程能耗分析中所用到的碳排放数据，为水电行业的碳足迹分析提供基础数据资料。
　　（2）采用碳足迹分析方法对水电枢纽工程的碳足迹和能耗进行探讨和评价。基于糯扎渡水电枢纽工程的两种布置方案：常态混凝土重力坝枢纽布置方案和直心墙堆石坝枢纽布置方案，定量对比不同结构型式、布置方式、材料种类、材料用量以及施工过程等条件下的水电枢纽工程的碳足迹和能耗差异，为水电枢纽工程布置方案的选择提供重要依据。结果表明，重力坝枢纽和堆石坝枢纽在生命周期内总的碳足迹分别为903.19×104t CO2e（合347.38万吨标准煤）和615.57×104t CO2e（合236.76万吨标准煤），心墙堆石坝枢纽布置方案的碳足迹和能耗比混凝土重力坝枢纽方案减少了31.84%。材料生产阶段的能耗>运行维护阶段的能耗>施工阶段的能耗>运输阶段的能耗。其中，水泥、钢材的生产过程以及土石方开挖工程、混凝土浇筑工程和堆石坝填筑工程的能耗以及所产生的碳足迹较多。
　　（3）研究考虑碳足迹在内的水电枢纽工程生态效应评价方法。将碳足迹因素引入能值分析方法，定量分析水电枢纽工程全生命周期的碳足迹在水电枢纽工程综合生态效应中的影响程度，全面、综合地评价水电枢纽工程的生态效应。以糯扎渡库区生态系统为例，其生命周期碳足迹对环境的影响在生态效应中的比例约为1%，糯扎渡库区生态系统的环境负载率仅为0.35，系统对环境的干扰非常弱，且可持续发展指标为32.2，水电可持续发展的能力非常强。碳能值产出率为814.75，表明糯扎渡水电工程的碳资源利用效率较高。
　　（4）开发水电枢纽工程碳足迹分析与生态效应评价系统。在.NET平台下运用C＃面向对象编程语言，结合数据库管理等技术，开发水电枢纽工程碳足迹分析与生态效应评价系统，实现水电枢纽工程全生命周期碳足迹的分析过程，以及生态效应评价过程，为水电行业的节能降耗工作提供方便、快捷、高效的操作平台。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 能耗分析方法的研究进展

1.3 碳足迹分析方法的研究进展

1.4 研究内容及创新点

第二章 水电枢纽工程碳足迹理论研究

2.1 水电枢纽工程能耗分析的目的与定位

2.2 水电枢纽工程碳足迹的概念

2.3 碳足迹与能耗的转换关系

2.4 水电枢纽工程能耗分析系统边界的确定

2.5 水电枢纽工程碳足迹分析标准

2.6 本章小结

第三章 基于混合LCA的水电枢纽工程碳足迹分析方法研究

3.1 引言

3.2 生命周期评价方法[87,99]

3.3 主要碳排放数据的收集

3.4 基于混合LCA的水电枢纽工程碳足迹分析方法

3.5 本章小结

第四章 不同水电枢纽布置方案的碳足迹及能耗对比分析

4.1 引言

4.2 糯扎渡水电工程介绍

4.3 两种水电枢纽布置方案的碳足迹及能耗分析

4.4 水电碳足迹评价

4.5 本章小结

第五章 考虑碳足迹的水电枢纽工程生态效应评价

5.1 引言

5.2 能值分析方法

5.3 糯扎渡水电枢纽工程能值分析的原始资料

5.4 糯扎渡水电枢纽工程的能值分析

5.5 本章小结

第六章 水电枢纽工程碳足迹分析与生态效应评价系统开发

6.1 系统开发目的和原则

6.2 系统架构设计

6.3 系统功能实现

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 主要研究成果和结论

7.2 研究工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢