核能與綠色發(fā)展探析

黃志軍

(湖南節(jié)能評(píng)價(jià)技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410006)

1 引言

能源、材料和信息被譽(yù)為當(dāng)今人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的三大支柱，直接影響人類(lèi)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(zhǎng)趨勢(shì)，能源問(wèn)題已經(jīng)成為國(guó)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(zhǎng)2.9%，成為2010年以來(lái)增速最快年份[1]。2018年我國(guó)一次能源產(chǎn)量達(dá)37.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，同比增長(zhǎng)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(zhǎng)3.3%，能源對(duì)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(wèn)題。

為應(yīng)對(duì)化石能源消耗所帶來(lái)在全球性氣候問(wèn)題，2015年11月巴黎氣候大會(huì)計(jì)劃就氣候問(wèn)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(guò)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(tái)。為此，積極開(kāi)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(lái)能源消費(fèi)利用的發(fā)展趨勢(shì)。

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(lèi)進(jìn)入原子能時(shí)代 ，核能利用為人類(lèi)能源安全穩(wěn)定供給問(wèn)題提供了長(zhǎng)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(guó)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(gè)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(duì)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(yáng)能等不同能源發(fā)電模式為研究對(duì)象，從發(fā)電成本、運(yùn)營(yíng)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(shì)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(duì)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(bào)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(shì)，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(zhǎng)趨勢(shì)，因水利資源開(kāi)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(yáng)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(zhǎng)呈放緩趨勢(shì)，近年來(lái)受全球性氣候問(wèn)題及環(huán)境污染等社會(huì)問(wèn)題加劇，核能重新納入能源新議程，中國(guó)、印度等發(fā)展中國(guó)家均制定本國(guó)的核電發(fā)展規(guī)劃。

2.1 碳排放量分析

因人類(lèi)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(shì)，導(dǎo)致全球溫度升高，其中CO2貢獻(xiàn)度超過(guò)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(huì)(WNA)整理了近20年來(lái)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(duì)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(gè)量級(jí)。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(lái)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(guò)程中本身不排放CO2，因此，學(xué)界對(duì)核電與風(fēng)電劃分低碳排放具有較高共識(shí)。

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(duì)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(lái)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(wàn)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(shí)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(duì)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(xiǎn)，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(duì)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(xiǎn)為35人(GWa)-1，是核電的60倍。可見(jiàn)，核電對(duì)公眾及工作人員的輻射危害及歸一化健康風(fēng)險(xiǎn)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(guò)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(shí)放出2～3個(gè)中子誘發(fā)其他鈾核裂變，以維持裂變，以235U為例，其核裂變?cè)硎饺缦拢?/p>

2018年國(guó)際經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)與國(guó)際能源署聯(lián)合研究，指出能源供應(yīng)成本包括①電廠級(jí)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(jí)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(duì)系統(tǒng)構(gòu)成的成本，同時(shí)包括輸出不確定或顯示間歇性時(shí)，維持旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)備或額外可調(diào)度容量的成本；③外部或社會(huì)成本(External or social costs outside the electricity system)。根據(jù)OECD與國(guó)際能源署研究方法，采用基于平準(zhǔn)化電力成本(LCOE)方法評(píng)估，各能源發(fā)電技術(shù)電廠級(jí)成本及電網(wǎng)系統(tǒng)成本如表5所示。

針對(duì)電廠級(jí)成本，研究采用3%、7%及10% 3種現(xiàn)時(shí)價(jià)值換算率下分析不同類(lèi)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(shí)價(jià)值換算率下，核電電廠級(jí)成本均優(yōu)于其它能源發(fā)電類(lèi)型；在10%現(xiàn)時(shí)價(jià)值換算率下，核電與陸上風(fēng)電成本相當(dāng)，但仍?xún)?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(wàn)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(gè)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(shí)間上，具有其他類(lèi)型發(fā)電廠無(wú)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(jí)系統(tǒng)成本稍高于煤電、燃?xì)怆娬镜?，同時(shí)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(jí)成本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

注：數(shù)據(jù)來(lái)源于IEA/NEA.2015。

電廠外部或社會(huì)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(huì)議達(dá)成確保溫度升高在2 ℃以?xún)?nèi)的協(xié)議，Kuik等[6]對(duì)大量氣候與能源模型建立的2 ds對(duì)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(cè)到2050年，在CO2濃度達(dá)到450 ppm時(shí)，意即邊際減排成本至少需要225EUR/tCO2，原則上對(duì)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(guò)程中產(chǎn)生，當(dāng)出現(xiàn)污染物超標(biāo)時(shí)破環(huán)地區(qū)生態(tài)環(huán)境，嚴(yán)重時(shí)將影響人類(lèi)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(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)、美國(guó)核管理委員會(huì)(NRC)等研究機(jī)構(gòu)總結(jié)了過(guò)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(cè)表

注：數(shù)據(jù)來(lái)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(gè)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(shí)放射性物質(zhì)外泄環(huán)境中產(chǎn)生的外部風(fēng)險(xiǎn)及后果，因此增加了核電外部成本。

3 綠色能源發(fā)展趨勢(shì)

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(yáng)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，主要有兩個(gè)方面的因素：(1)全球性的環(huán)境污染問(wèn)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(shì)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(jìng)爭(zhēng)力日益下降。水電裝機(jī)容量正趨于平穩(wěn)，因人類(lèi)大規(guī)模的開(kāi)發(fā)利用，水利資源開(kāi)發(fā)已接近了其上限值。

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

為推動(dòng)全球綠色能源發(fā)展，解決煤電所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)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(yáng)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(zhǎng)及發(fā)電成本低等優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前人類(lèi)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(cè)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(cè)全球及我國(guó)核電裝機(jī)容量及核電占比

由此可見(jiàn)，隨著全球及我國(guó)能源需求的快速增長(zhǎng)，核能將成為未來(lái)能源發(fā)展趨勢(shì)，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(duì)日益嚴(yán)重的全球性環(huán)境問(wèn)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(shì)在必行，本文對(duì)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(duì)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(xiǎn)為35人(GWa)-1，是核電的60倍。核電對(duì)公眾及工作人員的輻射危害及歸一化健康風(fēng)險(xiǎn)值顯著低于煤電。

(3)綜合對(duì)比分析，在3%、7%的現(xiàn)時(shí)價(jià)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(shí)價(jià)值換算率下，核電與陸上風(fēng)電成本相當(dāng)，但仍?xún)?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(wèn)題來(lái)看發(fā)展核能是必要的。