中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)
中國(guó)大壩協(xié)會(huì)
中國(guó)水利水電科學(xué)研究院
滔滔江水經(jīng)三峽機(jī)組轉(zhuǎn)化成電力,源源不斷送往全國(guó) 攝影/微光
何謂綠色能源
綠色能源一般具有相對(duì)低碳排放特性、相對(duì)環(huán)境友好特性。
綠色能源又稱清潔能源,可分為狹義和廣義兩種。
狹義的綠色能源是指可再生能源,如水能、生物能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮芎秃Q竽艿?。它們具有低碳排放特性、環(huán)境友好特性、可持續(xù)利用特性等三個(gè)特征。
廣義的綠色能源則包括:一是在能源的生產(chǎn)、消費(fèi)過(guò)程中,利用現(xiàn)代技術(shù),開(kāi)發(fā)選用對(duì)生態(tài)環(huán)境低污染或無(wú)污染的能源,如天然氣、清潔煤(將煤通過(guò)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成煤氣或“煤”油,通過(guò)高新技術(shù)嚴(yán)密控制的燃燒轉(zhuǎn)變成電力)和核能等。二是化害為利,同改善環(huán)境相結(jié)合,充分利用城市垃圾淤泥等廢物,從中提取的能源。廣義的綠色能源一般具有:相對(duì)低碳排放特性、相對(duì)環(huán)境友好特性。
溫室氣體排放本身不是罪過(guò),而是地球生態(tài)平衡所必需的正常的現(xiàn)象。
快速的、過(guò)量的釋放埋藏于地下的化石能源,是地球溫室氣體排放問(wèn)題的本質(zhì)所在。
水電的可持續(xù)利用不存在問(wèn)題。當(dāng)前,社會(huì)各界對(duì)于水電綠色能源特性的懷疑,主要是質(zhì)疑它的低碳排放和環(huán)境友好。因此,要闡釋水電的綠色能源特性,也只需從低碳排放、環(huán)境友好兩個(gè)方面進(jìn)行。
英國(guó)著名雜志《Nature》(《自然》)2007年曾刊載一篇題為“水力發(fā)電:溫室氣體的元兇?”的文章。文中說(shuō):“水力發(fā)電站長(zhǎng)期以來(lái)被視為清潔能源。但是科學(xué)家警告說(shuō),熱帶水庫(kù)所釋放的溫室氣體可能多于使用化石燃料的發(fā)電廠?!?/p>
盡管宣布水庫(kù)是釋放溫室氣體來(lái)源之一的人是頗具權(quán)威的專家,但是,我們?nèi)圆浑y發(fā)現(xiàn),這些學(xué)者的研究方向存在一些問(wèn)題。要知道溫室氣體排放本身決不是什么罪過(guò),而是地球生態(tài)平衡所必需的正?,F(xiàn)象。所有的動(dòng)植物都是由碳水化合物構(gòu)成,動(dòng)物吸收氧氣放出二氧化碳,植物在光合作用下將二氧化碳還原成氧氣。這種二氧化碳與氧氣之間的碳循環(huán),是地球生態(tài)系統(tǒng)中生命現(xiàn)象的重要特征。每時(shí)每刻,地球上各種動(dòng)、植物都在生長(zhǎng)的過(guò)程中,進(jìn)行著碳元素的吸收和排放。
在地球日常進(jìn)行的碳循環(huán)中,森林的覆蓋率會(huì)對(duì)空氣中的二氧化碳濃度有較大影響。森林中的樹(shù)木在生長(zhǎng)過(guò)程中,通過(guò)光合作用,不僅將大量的二氧化碳轉(zhuǎn)換為氧氣,而且其樹(shù)干、根系本身和周圍的土壤中也會(huì)保持大量的有機(jī)碳。因此,森林的覆蓋率對(duì)地球二氧化碳濃度有較大的影響。
然而,由于受到人類人口膨脹對(duì)土地需求的影響,想讓全球森林覆蓋率大幅度提高幾乎是沒(méi)有可能的。同時(shí)由于人類環(huán)保意識(shí)的提高和對(duì)森林作用的重視,雖然世界局部地區(qū)的森林覆蓋率可能會(huì)有所減少,但是,總體變化的幅度也不會(huì)太大,目前尚不足以構(gòu)成對(duì)整個(gè)世界碳循環(huán)的巨大威脅。
水電具有明顯的低碳排放特性制圖/田宗偉
三峽電力源源送出 攝影/微光
除此之外,各種動(dòng)植物體本身都是碳元素的載體。在人類出現(xiàn)以前的遠(yuǎn)古時(shí)代,由于沒(méi)有火的使用,所有動(dòng)植物死亡之后的軀體最終都被埋藏于地下,形成了現(xiàn)在大量沉積在地殼中的煤炭和石油。經(jīng)過(guò)數(shù)億年的演變,地下沉積的碳元素(煤炭和石油)越來(lái)越多,而直接參與日常大氣循環(huán)的碳元素變得越來(lái)越少。隨著地球空氣中的二氧化碳濃度逐漸減少,最后也就形成了近代適應(yīng)我們?nèi)祟惿娴臍夂蛩健?/p>
在人類的工業(yè)化之前,人們還沒(méi)有能力大規(guī)模開(kāi)采煤炭、石油。因此,人類活動(dòng)對(duì)地球碳循環(huán)的影響是極其有限的。但是,當(dāng)我們學(xué)會(huì)了開(kāi)采利用煤炭、石油這些礦物化石能源之后,現(xiàn)代社會(huì)對(duì)能源的巨大需求,導(dǎo)致大量的化石能源被燃燒。燃燒不斷產(chǎn)生出二氧化碳和其它溫室氣體,使得原來(lái)沉積在地下的碳元素,大量地被釋放到空氣中去。這必然會(huì)導(dǎo)致地球大氣中的二氧化碳等溫室氣體含量急劇升高,帶來(lái)強(qiáng)烈的溫室效應(yīng),可能會(huì)產(chǎn)生溫度增高、冰山融化、海水上漲、淹沒(méi)大陸、氣候環(huán)境變化異常等一系列可怕的后果。
最近美國(guó)《科學(xué)》雜志刊發(fā)的一篇研究報(bào)告也指出:如果人類將地球上所有的礦物資源耗盡,大氣中二氧化碳的含量將增加到3億年前古生代晚期時(shí)2000ppm的水平。科學(xué)研究證實(shí):快速的、過(guò)量的釋放了埋藏于地下的化石能源,就是地球溫室氣體排放問(wèn)題的本質(zhì)所在。為此,我們必須改變現(xiàn)在快速把幾億年以前就已經(jīng)不參與碳循環(huán)的地下碳源(礦物能源)不斷釋放出來(lái)的趨勢(shì)。目前,全世界公認(rèn)的解決這種非正常的溫室氣體過(guò)量排放的辦法,就是減少礦物能源的燃燒,除此之外似乎還沒(méi)找到更好的解決途徑。這也是全球需要制定和實(shí)施《京都議定書》的原因和目的。
水庫(kù)淹沒(méi)將釋放甲烷氣體的現(xiàn)象,就好像沼氣發(fā)酵。
甲烷在自然界中長(zhǎng)期保存的幾率不大。
2008年,路透社《中國(guó)水電建設(shè)或許成為全球變暖的定時(shí)炸彈》的文章,引起了人們對(duì)水庫(kù)溫室氣體排放問(wèn)題的關(guān)注。的確,目前溫室氣體引起的全球變暖,是全人類所面的臨最大難題,應(yīng)該引起高度重視。然而,越是重要的問(wèn)題,就越應(yīng)該慎重對(duì)待。
關(guān)于水庫(kù)淹沒(méi)將釋放甲烷氣體的現(xiàn)象,就好像沼氣發(fā)酵。但是,路透社的文章所說(shuō)的“如果一個(gè)國(guó)家的水力發(fā)電能力增長(zhǎng)一倍,其釋放甲烷氣體的量也將增加8%”的說(shuō)法,絕對(duì)是不可能成立的。因?yàn)?,甲烷氣體并非只有水庫(kù)才排放,每一個(gè)國(guó)家的水電在其所有的甲烷氣體排放中的比重差距極大(例如,聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織報(bào)告養(yǎng)牛業(yè)大量排放甲烷的問(wèn)題),再加上每個(gè)水庫(kù)溫室氣體的排放與水庫(kù)所處的緯度(類似沼氣制造中的溫度作用)關(guān)系極為密切,因此,我們可以明確的肯定這種定量研究的結(jié)論,只能針對(duì)某些特別的國(guó)家或者地區(qū),不可能具有普遍意義。
此外,關(guān)于甲烷的溫室氣體作用要比二氧化碳高出若干倍的警告,也不夠全面。首先,至今我們還不能非常確切地解釋溫室氣體產(chǎn)生的全部機(jī)理,對(duì)于溫室氣體造成的危害的認(rèn)識(shí)不夠全面。因?yàn)槿祟悓?duì)地球空間的認(rèn)識(shí)還有很大的局限性。我們還不能肯定某些實(shí)驗(yàn)條件下得到的結(jié)論,是否完全反映了地球大氣的實(shí)際情況。再者,甲烷是一種可燃?xì)怏w,在自然界中的狀態(tài)極不穩(wěn)定,燃燒后將會(huì)與氧氣結(jié)合產(chǎn)生二氧化碳,甲烷在自然界中長(zhǎng)期保存的幾率不大。溫室氣體作用長(zhǎng)期影響的因素,最終可以統(tǒng)一歸納為大氣成分中的碳含量,并以考慮其中最為穩(wěn)定的二氧化碳含量為主。所以,從宏觀的層面上看,我們不必過(guò)分關(guān)注所排放溫室氣體的種類,以及其可能產(chǎn)生的全球溫室氣體效應(yīng)的差別。
向家壩水電站大壩施工 攝影/陳業(yè)青
三峽地下電站施工現(xiàn)場(chǎng) 攝影/劉華
溪洛渡水電站大壩澆筑 攝影/陳濤
水庫(kù)屬于人工濕地,其本質(zhì)與天然濕地沒(méi)有什么差別。
一般情況下,人造濕地(水庫(kù))會(huì)比天然濕地造成的溫室氣體排放更小。
水電的溫室氣體排放高于火電的說(shuō)法,更是一種邏輯上的錯(cuò)誤。水庫(kù)屬于人工濕地,其本質(zhì)與天然濕地沒(méi)有什么差別。所有濕地都會(huì)有溫室氣體的排放,這是幾萬(wàn)年來(lái)濕地參與地球生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的一部分。即使我們現(xiàn)在為了解決天然水資源的時(shí)空分布不均的矛盾(同時(shí)包括發(fā)電獲取水能資源),需要有建造很多水庫(kù),但是,水庫(kù)這種人造濕地的出現(xiàn),相對(duì)由于近代人類的社會(huì)化活動(dòng)造成的濕地面積縮小,并沒(méi)有從總體上改變地球表面的濕地面積下降的趨勢(shì)。
濕地是維持地球生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要組成部分,素有地球之腎的美譽(yù)。濕地具有滋潤(rùn)養(yǎng)育動(dòng)植物的重要作用,其功能既能夠幫助濕地周圍的植物把二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣,也有可能會(huì)由于季節(jié)或水位的變化,把某些植物淹沒(méi)在水中,產(chǎn)生一定的溫室氣體。類似南美的熱帶雨林遭遇洪水后被淹沒(méi)在水中,釋放出大量的溫室氣體的現(xiàn)象,在自然界中并不算少。相反,巴西的那種人造水庫(kù)造成的熱帶雨林被淹沒(méi)的情況反倒是極其罕見(jiàn)。因?yàn)?,水?kù)的淹沒(méi)是人們有意識(shí)的行為,大多數(shù)情況下,人們都會(huì)在蓄水前盡可能的清理庫(kù)區(qū),減少未來(lái)水庫(kù)水體中的雜質(zhì)。因此在一般情況下,人造濕地(水庫(kù))會(huì)比天然濕地造成的溫室氣體排放更小。
關(guān)于水庫(kù)會(huì)釋放二氧化碳的問(wèn)題,也是出于對(duì)生態(tài)學(xué)的誤解。任何土地都會(huì)釋放二氧化碳,只有有機(jī)質(zhì)含量很低、微生物活動(dòng)微弱的冰原、裸巖和荒漠的二氧化碳釋放速度相對(duì)低些,因此單獨(dú)強(qiáng)調(diào)二氧化碳釋放速度是沒(méi)有意義的,真正對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響的是二氧化碳的凈釋放速度。從這一點(diǎn)說(shuō),成熟的原始森林對(duì)控制全球變暖是無(wú)用的,因?yàn)槌墒斓纳稚鷳B(tài)系統(tǒng)光合作用與呼吸作用相等,二氧化碳的凈吸收速度基本為零。
將水庫(kù)和火電站釋放二氧化碳等同起來(lái),實(shí)際上是混淆了兩種不同類型的碳釋放。在森林區(qū)修建水庫(kù),由于淹沒(méi)土地上每公頃森林中可能儲(chǔ)存著的幾百噸有機(jī)質(zhì),這些林木在水下慢慢腐爛,可能產(chǎn)生大量的二氧化碳,但這是可以通過(guò)清庫(kù)避免的。即使水庫(kù)有碳釋放,但這種碳釋放也是一次性的,和火電不同。因?yàn)橘|(zhì)量守恒是化學(xué)的最基本原理,當(dāng)被淹沒(méi)植被腐爛殆盡后,水庫(kù)就不會(huì)有二氧化碳凈釋放,水庫(kù)即使有二氧化碳釋放也只存在于蓄水的前期,這與火電廠只要工作就有大量的二氧化碳不斷持續(xù)釋放是不同的。
向家壩水電站施工 攝影/陳業(yè)青
大型水電站應(yīng)該與小水電一樣,享有清潔的可再生能源的地位。
水庫(kù)和發(fā)電功率問(wèn)題根本沒(méi)有可比性。
幾年前,曾有文章如《大壩經(jīng)濟(jì)學(xué)》(美國(guó)McCully, P.著,周紅云等譯,中國(guó)發(fā)展出版社出版)說(shuō):
“有機(jī)物在分解過(guò)程中大量消耗水體中的氧氣,產(chǎn)生大量二氧化碳并排放到大氣中,形成溫室效應(yīng)。巴西一座名叫土庫(kù)魯衣的水庫(kù)建成后,對(duì)其6年的連續(xù)監(jiān)測(cè)表明,在此期間該庫(kù)共排放了945萬(wàn)噸二氧化碳和9萬(wàn)噸甲烷,其對(duì)溫室效應(yīng)產(chǎn)生的影響約相當(dāng)于同等電力的燃煤電廠的60%;而另一座名叫巴爾比拉的水庫(kù)在蓄水后的3年中,共排放了2375萬(wàn)噸二氧化碳和4萬(wàn)噸甲烷,其產(chǎn)生的溫室效應(yīng)影響比同等電力的燃煤電廠還要多出20%。加拿大一個(gè)淡水研究所對(duì)兩個(gè)大型水庫(kù)的研究表明,其中一座水庫(kù)每千瓦小時(shí)電力所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)方面影響,與一個(gè)燃煤火電廠基本相等?!?/p>
即使我們不考慮上述資料中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的可信度。實(shí)際上,所謂水庫(kù)和發(fā)電功率的問(wèn)題根本就沒(méi)有可比性。有的水庫(kù)有幾十億的庫(kù)容也可能沒(méi)有裝機(jī),有的水電站幾乎沒(méi)有水庫(kù),比如葛洲壩水電站(裝機(jī)270萬(wàn)千瓦)就是徑流式電站。所以,要說(shuō)“水庫(kù)每千瓦小時(shí)”可能是一個(gè)從零到接近無(wú)窮大的變量,只能具體針對(duì)某一個(gè)特定水庫(kù)才有意義。排放比較的結(jié)果也只適用于那個(gè)特定的水庫(kù)和電站,離開(kāi)了那個(gè)水庫(kù)就沒(méi)有意義了。這種比較的百分?jǐn)?shù)根本說(shuō)明不了什么問(wèn)題。只有在水庫(kù)很大,而水電站裝機(jī)很小的時(shí)候,才可能會(huì)出現(xiàn)文章敘述的情況。如果僅僅根據(jù)這種極為少見(jiàn)的特例,就推論出“其產(chǎn)生的溫室效應(yīng)影響比同等電力的燃煤電廠還要多出20%”和“一座水庫(kù)每千瓦小時(shí)電力所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)方面影響,與一個(gè)燃煤火電廠基本相等”可以說(shuō)完全是一種詭辯性的誤導(dǎo)。
為了否定水電的清潔性,國(guó)內(nèi)外很多媒體的宣傳都大量的引用這段關(guān)于水電產(chǎn)生溫室氣體的敘述,可是所有引用者似乎都沒(méi)注意到,就在這本書的同一章節(jié)里,作者指出“這個(gè)結(jié)論不能隨意推廣,因?yàn)椴煌乃畮?kù)和發(fā)電站發(fā)電量之間沒(méi)有一定的比例關(guān)系,其誤差可能達(dá)到8萬(wàn)倍”。
這種水電的溫室氣體排放與一個(gè)燃煤火電廠基本相等的說(shuō)法,有極大的殺傷力。它直接影響人們對(duì)大型水電是清潔能源的定義。上個(gè)世紀(jì)90年代,這種誤導(dǎo)曾經(jīng)迷惑了不少國(guó)家。甚至聯(lián)合國(guó)的有關(guān)機(jī)構(gòu)也曾多次爭(zhēng)論過(guò)水電的清潔性問(wèn)題。2002年世界可持續(xù)發(fā)展高峰會(huì)議之前,聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展委員會(huì)也一直把大型水電與小水電區(qū)別對(duì)待。1997年,世界銀行委托國(guó)際上著名的反壩組織“世界水壩委員會(huì)”對(duì)全球125座大型水壩進(jìn)行調(diào)查。盡管有的調(diào)查案例確實(shí)反映出水庫(kù)淹沒(méi)前后溫室氣體的排放會(huì)有所增加,但是,調(diào)查承認(rèn),這與不同水庫(kù)所處的地區(qū)和淹沒(méi)前的清理工作有關(guān)。最后,該組織2000年提供的最終調(diào)查結(jié)論已經(jīng)將大壩的這一“罪狀”排除在外。
2002年在南非約翰類斯堡舉行的聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展委員會(huì)的高峰會(huì)議上,根據(jù)該調(diào)查報(bào)告和非洲國(guó)家的強(qiáng)烈要求,通過(guò)激烈的辯論,會(huì)議最終明確了大型水電站應(yīng)該與小水電一樣,享有清潔的可再生能源的地位。此后,在日本京都舉行的《第三屆世界水論壇》的部長(zhǎng)級(jí)會(huì)議上,170多個(gè)國(guó)家的部長(zhǎng)或代表團(tuán)團(tuán)長(zhǎng)通過(guò)的“部長(zhǎng)宣言”再一次明確:“水電(不僅是小水電,也包括大型水電)作為一種可再生、清潔能源的作用”。
水庫(kù)排放的數(shù)量是有限的,根本不會(huì)出現(xiàn)排放量很大持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的情況,而且,實(shí)際排放會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸遞減為零。
另外,從定性分析來(lái)看,水庫(kù)淹沒(méi)產(chǎn)生二氧化碳的主要來(lái)源只是殘留在水庫(kù)中的有機(jī)物(按照要求,蓄水前都應(yīng)該進(jìn)行清理),這種情況即便在天然濕地中也會(huì)發(fā)生,其最高排放極限也不過(guò)是把所有有機(jī)碳水化合物中的碳元素,全部轉(zhuǎn)化為二氧化碳。有些資料中強(qiáng)調(diào)熱帶地區(qū)的水庫(kù)溫室氣體排放嚴(yán)重,還有些資料中又強(qiáng)調(diào)寒冷地區(qū)的水庫(kù)溫室氣體排放將持續(xù)很長(zhǎng)的時(shí)間。但是,把這兩個(gè)結(jié)論結(jié)合到一起強(qiáng)加給水庫(kù)就有問(wèn)題了。實(shí)際上熱帶地區(qū)的水庫(kù)由于氣溫高,植物分解腐化快,短時(shí)間內(nèi)的排放量必然會(huì)加大。而寒冷地區(qū)的氣溫底,水庫(kù)中的植物不易分解,所以,單位時(shí)間內(nèi)的排放量較小,但是持續(xù)時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)??傊?,可以肯定的說(shuō),水庫(kù)排放的數(shù)量必定是有限的,根本不會(huì)出現(xiàn)排放量很大持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的情況,而且,實(shí)際排放會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸遞減為零。這與依靠不斷的輸入原料進(jìn)行燃燒,產(chǎn)生大約煤炭數(shù)量2.5倍的二氧化碳的火電廠相比完全是兩種不同性質(zhì)的排放。兩者之間根本不具可比性。比較的結(jié)論完全是一種用特定時(shí)間、特定環(huán)境的特例代替一般情況的欺騙性宣傳。那么,這種水電排放高于火電的特例,在實(shí)際中的可能性到底有多大呢?全世界的情況我們不好下結(jié)論,但是從中國(guó)的情況看,根據(jù)中國(guó)水利部部長(zhǎng)的報(bào)告,一例都沒(méi)有。
自然狀態(tài)下的碳排放量,不論其大小,都為地球生命系統(tǒng)所必需。只有那些把幾億年來(lái)沉積于地下的礦物化石能源過(guò)量燃燒的行為,才會(huì)打亂目前地球生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán),增加大氣中的碳濃度,造成地球的溫室效應(yīng)。
任何探索溫室氣體排放的研究工作,都應(yīng)該首先保證在大方向上正確。數(shù)萬(wàn)年以來(lái)的人類社會(huì)發(fā)展已經(jīng)證明,地球的自然生態(tài)系統(tǒng)本身的正常碳循環(huán)是平衡的。自然狀態(tài)下的碳排放量,不論其大小,都為地球生命系統(tǒng)所必需。只有那些把幾億年來(lái)沉積于地下的礦物化石能源過(guò)量燃燒的行為,才會(huì)打亂目前地球生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán),增加大氣中的碳濃度,造成地球的溫室效應(yīng)。
工業(yè)化以來(lái),全球水電的開(kāi)發(fā)應(yīng)用是減少世界溫室氣體排放的最大功臣。盡管目前一些發(fā)達(dá)國(guó)家的水電資源幾乎開(kāi)發(fā)殆盡,已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)能等新型可再生能源的階段。各種媒體所宣傳的可再生能源,也大都以風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能為主。但是,事實(shí)上由于受到技術(shù)水平和能量密度的局限,水電仍然是當(dāng)前最有效率、最起作用的可再生能源。在發(fā)電領(lǐng)域內(nèi),目前全球可以利用的其它所有形式的新型可再生能源量的總和,恐怕還與水電的作用相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。這就是世界的現(xiàn)實(shí),而且這種局面在短期內(nèi)不可能被改變。因此,在一些發(fā)展中國(guó)家還有很多水能資源等待開(kāi)發(fā)的情況下,某些不科學(xué)、不客觀的水庫(kù)溫室氣體評(píng)價(jià),阻礙了水電的開(kāi)發(fā)應(yīng)用,不僅會(huì)誤導(dǎo)公眾,而且還將對(duì)全球的溫室氣體減排產(chǎn)生極為不利的負(fù)面影響。