黃志軍

(湖南節(jié)能評價技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410006)

1 引言

能源、材料和信息被譽(yù)為當(dāng)今人類社會發(fā)展的三大支柱，直接影響人類的生產(chǎn)生活，進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展全球能源消費(fèi)呈現(xiàn)增長趨勢，能源問題已經(jīng)成為國家發(fā)展的關(guān)鍵因素而備受關(guān)注，2018年全球煤、石油等一次能源消費(fèi)增長2.9%，成為2010年以來增速最快年份[1]。2018年我國一次能源產(chǎn)量達(dá)37.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，同比增長5.0%，化石燃料能源占比81.8%；能源消費(fèi)總量為46.4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，同比增長3.3%，能源對外依存18.75%[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2018年全球能源使用導(dǎo)致碳排放量增加2%，新增CO2排放6億噸，化石燃料的急劇增加，導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇、生態(tài)平衡失衡及燃燒余熱排入水體中造成的熱污染，加劇了全球性氣候問題。

為應(yīng)對化石能源消耗所帶來在全球性氣候問題，2015年11月巴黎氣候大會計(jì)劃就氣候問題達(dá)成具有全球一體約束力的協(xié)議，確保本世紀(jì)末全球溫升不超過2 ℃，意味著在2060年到2080年左右化石能源退出能源消費(fèi)的歷史舞臺。為此，積極開發(fā)新能源，提高新能源使用占比，減少CO2、NOx及SO2等氣體排放，倡導(dǎo)綠色清潔發(fā)展將成為未來能源消費(fèi)利用的發(fā)展趨勢。

核能在民用方面廣為熟知的便是核能發(fā)電，1942年著名物理學(xué)家費(fèi)米在芝加哥大學(xué)建立全球首座可控核反應(yīng)堆，自此人類進(jìn)入原子能時代 ，核能利用為人類能源安全穩(wěn)定供給問題提供了長遠(yuǎn)解決思路，作為一種清潔低碳、高能量密度的非化石能源，核能發(fā)電本身不產(chǎn)生CO2等溫室氣體。據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2019年6月，全球在運(yùn)449個核電機(jī)組，裝機(jī)容量390 GW，占全球發(fā)電量的10.15%，年減少CO2排放20多億噸，在應(yīng)對氣候變化、環(huán)境保護(hù)挑戰(zhàn)等方面，成為全球減碳的主要貢獻(xiàn)者。

本文以火電、水電、核電、太陽能等不同能源發(fā)電模式為研究對象，從發(fā)電成本、運(yùn)營安全性及環(huán)境保護(hù)等方面著手，研究探討各能源鏈存在的優(yōu)勢與缺陷，為綠色能源發(fā)展提供參考建議。

2 不同能源鏈發(fā)電分析對比

當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)下，主要有化石燃料發(fā)電、核電、再生能源發(fā)電等，據(jù)BP[3]報告，2013年～2018年全球電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)及發(fā)電量如表1所示。

表1 全球電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)/(TW·h)

結(jié)果表明，從2013年至2018年全球能源消費(fèi)總量分析，以煤炭、石油等傳統(tǒng)化石燃料生產(chǎn)電力在總發(fā)電量中的占比呈逐年下降趨勢，但仍占據(jù)主導(dǎo)地位?？稍偕茉窗l(fā)電量占比呈穩(wěn)步增長趨勢，因水利資源開發(fā)利用已接近資源上限，水電發(fā)電量維持較平穩(wěn)的水平，風(fēng)電與太陽能等受政策導(dǎo)向支持增速較快。

核電是目前唯一可替代化石燃料發(fā)電的能源，因受2011年日本福島核事故影響，增長呈放緩趨勢，近年來受全球性氣候問題及環(huán)境污染等社會問題加劇，核能重新納入能源新議程，中國、印度等發(fā)展中國家均制定本國的核電發(fā)展規(guī)劃。

2.1 碳排放量分析

因人類大規(guī)模燃燒化石燃料， CO2、N2O等溫室氣體排放量呈逐年上升態(tài)勢，導(dǎo)致全球溫度升高，其中CO2貢獻(xiàn)度超過60%，碳排放量與全球性溫室效應(yīng)存在必然的正相關(guān)關(guān)系。世界核能協(xié)會(WNA)整理了近20年來各機(jī)構(gòu)關(guān)于不同發(fā)電方式單位發(fā)電的碳排放量，如表2所示。

表2 不同發(fā)電方式所致碳排放對比

從上述數(shù)據(jù)中，同一能源單位發(fā)電及不同能源發(fā)電碳排放量均存在較大差距，可相差2個量級。從碳排放強(qiáng)度分析，燃煤、燃油、天然氣等傳統(tǒng)能源發(fā)電碳排放主要來源于化石燃料碳氧化，其單位發(fā)電碳排放量最高；核電及風(fēng)電等能源運(yùn)行發(fā)電過程中本身不排放CO2，因此，學(xué)界對核電與風(fēng)電劃分低碳排放具有較高共識。

綜上，根據(jù)2018年全球不同能源鏈發(fā)電量及單位發(fā)電碳排放強(qiáng)度，研究分析不同能源發(fā)電所產(chǎn)生的碳排放量，分析結(jié)果如表3所示。

表3 不同能源發(fā)電模式下的碳排放量分析

結(jié)果表明，全球因發(fā)電產(chǎn)生的CO2排放量達(dá)到146億噸，其中以化石燃料為能源的發(fā)電模式仍是全球電力生產(chǎn)碳排放的主要貢獻(xiàn)者，碳排放量達(dá)到143.20億噸，占比達(dá)到97.79%；可再生能源碳排放量2.01億噸，對碳排放量的貢獻(xiàn)達(dá)到1.38%；核電本身不產(chǎn)生CO2排放，碳排放量主要來源于附屬生產(chǎn)設(shè)施、電力輸送等環(huán)節(jié)，其碳排放量為7 834萬噸，占比為0.54%。

2.2 安全性分析

核電廠核安全因使用具有放射性的核燃料及發(fā)生核事故時釋放放射性物質(zhì)備受公眾及政府關(guān)注，為此本節(jié)將從兩方面闡述煤電與核能發(fā)電的安全性，①分析煤電、核電等對公眾受照劑量；②根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究，歸一化不同能源造成的健康風(fēng)險，結(jié)果[4]如表4所示。

表4 不同能源鏈安全性綜合影響表

在公眾及工作人員受照劑量方面，煤電所致公眾輻射照射劑量為420人·Sv(GWa)-1，是核電的50倍，對工作人員劑量90人·Sv(GWa)-1，為核電的10倍；根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法統(tǒng)計(jì)得到煤電歸一化健康風(fēng)險為35人(GWa)-1，是核電的60倍。可見，核電對公眾及工作人員的輻射危害及歸一化健康風(fēng)險值顯著低于煤電。

2.3 發(fā)電成本分析

核電以235U/239Pu為核燃料，通過中子點(diǎn)火裝置(如252Cf中子源)產(chǎn)生中子轟擊235U/239Pu發(fā)生裂變反應(yīng)釋放能量，同時放出2～3個中子誘發(fā)其他鈾核裂變，以維持裂變，以235U為例，其核裂變原理式如下：

2018年國際經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)與國際能源署聯(lián)合研究，指出能源供應(yīng)成本包括①電廠級成本(Plant-level Costs)，即電廠建設(shè)中消耗的鋼筋、混凝土及燃料等；②電網(wǎng)級系統(tǒng)成本(Grid-level system costs)，指電廠擴(kuò)建、加固、電網(wǎng)連接等方面對系統(tǒng)構(gòu)成的成本，同時包括輸出不確定或顯示間歇性時，維持旋轉(zhuǎn)儲備或額外可調(diào)度容量的成本；③外部或社會成本(External or social costs outside the electricity system)。根據(jù)OECD與國際能源署研究方法，采用基于平準(zhǔn)化電力成本(LCOE)方法評估，各能源發(fā)電技術(shù)電廠級成本及電網(wǎng)系統(tǒng)成本如表5所示。

針對電廠級成本，研究采用3%、7%及10% 3種現(xiàn)時價值換算率下分析不同類型發(fā)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)期間的平均發(fā)電成本[5]，分析指出在3%和7%現(xiàn)時價值換算率下，核電電廠級成本均優(yōu)于其它能源發(fā)電類型；在10%現(xiàn)時價值換算率下，核電與陸上風(fēng)電成本相當(dāng)，但仍優(yōu)于其它能源。235U單次核裂變可釋放200 MeV能量， 1 kg235U完全核裂變所釋放的能量約相當(dāng)于2 700 t標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒釋放的熱量，以一座百萬千瓦發(fā)電機(jī)組為例，核電廠年消耗核燃料20～25 t，換料周期一般為12～18個月，三代(或三代+)核電技術(shù)核電廠設(shè)計(jì)壽命達(dá)到60年，相比其他能源發(fā)電方式，核電在燃料消耗量及連續(xù)運(yùn)行時間上，具有其他類型發(fā)電廠無可比擬的優(yōu)越性。當(dāng)前核電站主要建設(shè)在人因稀少，水源充足、地質(zhì)穩(wěn)定的偏僻地帶，在輸配電方面其電網(wǎng)級系統(tǒng)成本稍高于煤電、燃?xì)怆娬镜?，同時電網(wǎng)連接復(fù)雜程度低于風(fēng)電。

表5 不同發(fā)電技術(shù)電廠級成本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

注：數(shù)據(jù)來源于IEA/NEA.2015。

電廠外部或社會成本主要體現(xiàn)在氣候變化(邊際減排成本)、空氣污染(外部成本)等方面，根據(jù)巴黎氣候會議達(dá)成確保溫度升高在2 ℃以內(nèi)的協(xié)議，Kuik等[6]對大量氣候與能源模型建立的2 ds對應(yīng)的邊際減排成本進(jìn)行綜合分析，其結(jié)果如表6所示。

根據(jù)Kuik等研究，預(yù)測到2050年，在CO2濃度達(dá)到450 ppm時，意即邊際減排成本至少需要225EUR/tCO2，原則上對應(yīng)于所需的碳稅水平。

眾所周知， CO2、SO2、NOx等污染氣體在煤炭、石油、天然氣等化石能源燃燒過程中產(chǎn)生，當(dāng)出現(xiàn)污染物超標(biāo)時破環(huán)地區(qū)生態(tài)環(huán)境，嚴(yán)重時將影響人類健康甚至威脅生命，為此，為分析不同能源發(fā)電引起空氣污染所產(chǎn)生的外部成本，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)、美國核管理委員會(NRC)等研究機(jī)構(gòu)總結(jié)了過去20多年中不同發(fā)電模式下的外部成本[7]，結(jié)果如表7所示。

表6 電廠邊際減排成本預(yù)測表

注：數(shù)據(jù)來源于Kuik et al.

表7 各研究機(jī)構(gòu)不同發(fā)電模式下的外部成本匯總表

綜合上述研究機(jī)構(gòu)的研究，核燃料循環(huán)外部成本在整個能源發(fā)電結(jié)構(gòu)中均處于較低水平，其中歐共體(EC ExternE)研究給出的外部成本數(shù)據(jù)核電稍高于生物質(zhì)、風(fēng)電等發(fā)電模式，這是在考慮了核電發(fā)生極端事故時放射性物質(zhì)外泄環(huán)境中產(chǎn)生的外部風(fēng)險及后果，因此增加了核電外部成本。

3 綠色能源發(fā)展趨勢

當(dāng)前全球能源結(jié)構(gòu)已形成了以煤電、水電、核電、風(fēng)電、太陽能及生物質(zhì)等組成的多元化格局，其中煤電仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但在全球能源格局中逐漸失去競爭優(yōu)勢，主要有兩個方面的因素：(1)全球性的環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，燃煤發(fā)電將排放大量的CO2、SO2及NOx等污染物，與當(dāng)前形勢下倡導(dǎo)的綠色發(fā)展道路相悖；(2)煤電技術(shù)發(fā)展遇到瓶頸，燃煤發(fā)電效率、發(fā)電煤耗等技術(shù)指標(biāo)尚未取得突破性進(jìn)展，導(dǎo)致單位發(fā)電煤耗量較大，此外煤電布局不合理等綜合因素導(dǎo)致煤電在全球能源電力結(jié)構(gòu)中的競爭力日益下降。水電裝機(jī)容量正趨于平穩(wěn)，因人類大規(guī)模的開發(fā)利用，水利資源開發(fā)已接近了其上限值。

風(fēng)電、太陽能等新興再生能源發(fā)展迅速，在運(yùn)行過程中存在發(fā)電成本較高、維護(hù)困難等問題，限制了其大規(guī)模的開發(fā)利用。

為推動全球綠色能源發(fā)展，解決煤電所帶來的環(huán)境問題，降低CO2、SO2及NOx等污染物排放，走綠色低碳發(fā)展模式；降低風(fēng)電、太陽能等發(fā)電成本，改變現(xiàn)有能源格局。核電技術(shù)成熟，因其低碳排放、高能量密度、運(yùn)行壽命長及發(fā)電成本低等優(yōu)勢，是當(dāng)前人類唯一能夠大規(guī)模替換煤電的能源。研究總結(jié)了當(dāng)前及預(yù)測的核能裝機(jī)容量及核電占比情況，如表8所示。

表8 2018年及2030年預(yù)測全球及我國核電裝機(jī)容量及核電占比

由此可見，隨著全球及我國能源需求的快速增長，核能將成為未來能源發(fā)展趨勢，成為全球電力生產(chǎn)減碳排放的主要貢獻(xiàn)者。

4 結(jié)論

面對日益嚴(yán)重的全球性環(huán)境問題，以煤電等化石燃料為主的發(fā)電模式發(fā)電占比將逐步下降，積極發(fā)展成熟的環(huán)境友好型發(fā)電模式改變現(xiàn)有能源格局將勢在必行，本文對比分析了不同能源發(fā)電模式，得出：

(1)核能單位發(fā)電產(chǎn)生的碳排放量為29 g/kW·h，是煤電的1/36，燃?xì)怆娬镜?/17，按2018年核電發(fā)電量折算煤電，全球減少CO2排放量27.69億噸。

(2)在公眾及工作人員受照劑量方面，煤電所致公眾輻射照射劑量為420人·Sv(GWa)-1，是核電的50倍，對工作人員劑量90人·Sv(GWa)-1，為核電的10倍；根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法統(tǒng)計(jì)得到煤電歸一化健康風(fēng)險為35人(GWa)-1，是核電的60倍。核電對公眾及工作人員的輻射危害及歸一化健康風(fēng)險值顯著低于煤電。

(3)綜合對比分析，在3%、7%的現(xiàn)時價值換算率下核電能源供應(yīng)成本綜合指標(biāo)優(yōu)于其他能源；在10% 現(xiàn)時價值換算率下，核電與陸上風(fēng)電成本相當(dāng)，但仍優(yōu)于其它能源。

綜上，為實(shí)現(xiàn)全球能源綠色健康發(fā)展，改變現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)，安全平穩(wěn)提高核電等清潔能源在能源結(jié)構(gòu)中的占比，平緩降低煤炭等化石能源使用，從源頭上減少CO2等溫室氣體及SO2、NOx等污染性氣體排放，從當(dāng)前凸顯的環(huán)境問題來看發(fā)展核能是必要的。