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903.19104t CO2（e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。 【关键词】：水电枢纽工程 碳足迹 能耗 混合生命周期评价方法 生态效应 系统开发
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X82;TV632
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-27
• 1.1 研究背景及意义11-15
• 1.1.1 目前全球环境问题的严重性11-12
• 1.1.2 大力开展水电可再生能源建设12-13
• 1.1.3 水电开发的环境影响及研究意义13-15
• 1.2 能耗分析方法的研究进展15-19
• 1.2.1 其他行业能耗分析方法现状15-17
• 1.2.2 水电行业节能降耗分析方法现状17-18
• 1.2.3 能耗分析软件方面18-19
• 1.3 碳足迹分析方法的研究进展19-24
• 1.3.1 碳足迹分析理论的研究现状19-20
• 1.3.2 碳足迹分析方法及在其他行业的应用20-22
• 1.3.3 碳足迹分析方法在水电行业的应用22-24
• 1.4 研究内容及创新点24-27
• 1.4.1 研究内容24-25
• 1.4.2 创新点25-27
• 第二章 水电枢纽工程碳足迹理论研究27-36
• 2.1 水电枢纽工程能耗分析的目的与定位27-28
• 2.2 水电枢纽工程碳足迹的概念28-31
• 2.3 碳足迹与能耗的转换关系31-32
• 2.4 水电枢纽工程能耗分析系统边界的确定32-33
• 2.5 水电枢纽工程碳足迹分析标准33-34
• 2.6 本章小结34-36
• 第三章 基于混合 LCA 的水电枢纽工程碳足迹分析方法研究36-57
• 3.1 引言36
• 3.2 生命周期评价方法36-41
• 3.2.1 过程分析方法（PA-LCA）37-38
• 3.2.2 投入产出分析方法（EIO-LCA）38-39
• 3.2.3 混合生命周期评价方法（Hybrid-LCA）39-40
• 3.2.4 水电枢纽工程碳足迹分析方法的选择40-41
• 3.3 主要碳排放数据的收集41-54
• 3.3.1 不同坝型所需的主要物资清单41-42
• 3.3.2 主要材料、设备生产阶段的碳排放数据42-51
• 3.3.3 运输阶段的碳排放数据51-52
• 3.3.4 施工阶段的碳排放数据52-54
• 3.3.5 运行阶段的碳排放数据54
• 3.4 基于混合 LCA 的水电枢纽工程碳足迹分析方法54-56
• 3.5 本章小结56-57
• 第四章 不同水电枢纽布置方案的碳足迹及能耗对比分析57-91
• 4.1 引言57
• 4.2 糯扎渡水电工程介绍57-63
• 4.2.1 常态混凝土重力坝枢纽布置方案58-60
• 4.2.2 直心墙堆石坝枢纽布置方案60-63
• 4.3 两种水电枢纽布置方案的碳足迹及能耗分析63-82
• 4.3.1 材料设备生产阶段碳足迹及能耗分析63-65
• 4.3.2 运输阶段碳足迹及能耗分析65-72
• 4.3.3 施工阶段碳足迹及能耗分析72-78
• 4.3.4 运行阶段碳足迹及能耗分析78-80
• 4.3.5 生命周期碳足迹及能耗分析80-82
• 4.4 水电碳足迹评价82-89
• 4.4.1 敏感度分析82-88
• 4.4.2 与其他发电系统对比88
• 4.4.3 糯扎渡水电站的环境效益88-89
• 4.5 本章小结89-91
• 第五章 考虑碳足迹的水电枢纽工程生态效应评价91-110
• 5.1 引言91-92
• 5.2 能值分析方法92-99
• 5.2.1 能值分析方法的基本概念93-94
• 5.2.2 能值评价的基本方法和步骤94-96
• 5.2.3 能值分析方法的研究进展96-97
• 5.2.4 考虑温室气体排放的能值评价方法97-99
• 5.3 糯扎渡水电枢纽工程能值分析的原始资料99-103
• 5.3.1 河流规划概况99
• 5.3.2 工程任务与效益99-100
• 5.3.3 泥沙100-101
• 5.3.4 水工建筑物101
• 5.3.5 金属结构101
• 5.3.6 水库淹没处理补偿投资101-103
• 5.4 糯扎渡水电枢纽工程的能值分析103-108
• 5.4.1 能值分析表的建立103-107
• 5.4.2 能值指标评价107-108
• 5.5 本章小结108-110
• 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110-141
• 6.1 系统开发目的和原则110-112
• 6.1.1 系统开发目的110-111
• 6.1.2 系统开发原则111-112
• 6.2 系统架构设计112-113
• 6.3 系统功能实现113-140
• 6.3.1 水电枢纽工程基本信息管理模块113-114
• 6.3.2 水电枢纽工程碳足迹与能耗评价模块114-127
• 6.3.3 水电枢纽工程生态效应评价模块127-128
• 6.3.4 水电枢纽工程能耗及碳足迹可视化模块128-138
• 6.3.5 系统管理功能138-140
• 6.4 本章小结140-141
• 第七章 结论与展望141-144
• 7.1 主要研究成果和结论141-143
• 7.2 研究工作展望143-144
• 参考文献144-153
• 发表论文和参加科研情况说明153-155
• 致谢155

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