應用生命週期評估方法探討水力發電

應用生命週期評估方法探討水力發電(Using Life Cycle Assessment to Evaluate Hydroelectric Power)
國立臺灣大學環境工程學研究所 陳欣沛

根據國際能源署於 2013 年的統計資料（圖一）顯示，全球電力來源中，水力是可再生能源中占最高比例者，可知水力發電為目前人類最大量使用的再生能源 (renewable energy)。水力發電雖具有營運成本較低、能減少洪水氾濫、發電時幾乎無污染物排放等優點，然而水力發電的建造工程需要消耗龐大的資源，其造成的生態環境破壞使得水力發電是否符合再生能源的永續性 (sustainability) 原則備受爭議。如本研究群許桓瑜於先前所介紹（生命週期評估，2013），生命週期評估方法 (life cycle assessment, LCA) 的使用可以幫助我們完整盤查水力發電系統從起點至終點，其投入能資源和排放之潛在環境衝擊，幫助我們了解水力發電可能會對環境造成的影響，提供決策者作為方案選擇參考。

圖一、2013 年度全球電力來源。（資料來源：參考文獻 1，本文作者陳欣沛繪）

一般將水力發電 (hydroelectric power) 依其發電廠內的機組裝置容量分為小型水力發電站 (small hydro) 和大型水力發電站 (large hydro)，小型水力發電站的裝置容量通常為 25 萬千瓦以下，由於小型水力發電站的水壩以及發電廠房等設備的興建工程相對於大型水力發電而言規模較小，對於環境的影響較低，因此目前普遍認為小型水力發電站為清潔 (clean) 的可再生能源。不過根據近期文獻研究顯示，小型水力發電站對於環境的衝擊並不一定亞於大型水力發電；多篇關於小型水力發電站之生命週期評估文獻指出，小型水力發電站因水壩容量較小，淤積以及優養化問題反而較大型水力發電嚴重，這些水體的變化對於環境生態造成破壞，導致生物多樣性大幅下降。此外，即便在已開發國家中，小型水力發電站的環境監測以及相關環境管理措施經常被忽略，使得小型水力發電站的環境衝擊容易被低估。除了環境面之外，在經濟方面，小型水力發電站單位發電量的環境保護成本也較大型水力發電高。

為求完整評估小型水力發電站的環境影響，在生命週期評估方法中的系統邊界應包含整個發電系統從資源開採、設備的建造、所有材料運送至發電站的過程到最後廢棄物棄置的所有「從搖籃到墳墓」所有生命週期過程的分析。除了上述提到的項目，所有生命週期過程中的排放也必須納入考量，如下圖二為完整的小型水力發電站系統邊界。

圖二、完整的小型水力發電站系統邊界。（資料來源：參考文獻 2，本文作者陳欣沛繪） ＊虛線表示不包含在系統模型內，實線表示包含在系統模型內

除環境影響之外，文獻亦提出可進行簡化的經濟分析來比較水力發電中各系統（例如發電機組、燃料成本、零件更換等）在水力發電站運作壽命中花費的總成本，作為後續決策者制定電價或相關資金投入政策之考量。假設水力發電站運作壽命為 20 年，計算總成本的公式如式 (1) 所表示：

$$\displaystyle NPC(system)\\\displaystyle=\sum^{20}_{n=0}(Sum~of~costs~in~year~n)\times\left[\frac{(1+inflation)}{(1+discount~rate)}\right]^n~~~~~~~~~(1)$$

NPC(system)：NPC 即淨現值(net present cost)，此處指整個水力發電系統之淨現值。
Sum of costs in year n：第 n 年的總花費
Inflation：通貨膨脹率
Discount rate：貼現率

實際上，其他常見的可再生能源如太陽能、風能、生質能或潮汐能等都和水力發電相似，應用過程中皆可能對環境造成程度不一的不良影響，藉由生命週期評估方法，可以幫助我們了解再生能源對於環境的友善性。透過生命週期評估方法得知，就目前水力發電的現況而言，雖然小型水力發電站並不一定如我們過去所認為具有較優良的環境友善性，但在大多數情況下，小型水力發電站實施適當的環境保護措施後，仍可作為可再生能源中較佳的替代方案。

參考文獻

1. International Energy Agency. iea.org
2. Pascale, A., Urmee, T., & Moore, A. (2011). Life cycle assessment of a community hydroelectric power system in rural Thailand. Renewable Energy, 36(11), 2799-2808. doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.renene.2011.04.023
3. Premalatha, M., Tabassum, A., Abbasi, T., & Abbasi, S. A. (2014). A critical view on the eco-friendliness of small hydroelectric installations. Science of The Total Environment, 481, 638-643. doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2013.11.047