開發水電可以有效減少二氧化碳的排放

秦定龍

(四川電力職業技術學院,四川成都 610072)

1 氣候變化與全球氣候變暖的概念

氣候總是不斷變化的,這種變化的起伏通常被看成是一種自然現象。從定義上講,氣候變化是指氣候平均狀態統計學意義上的巨大改變或者持續較長一段時間的氣候變量的明顯變化,氣候變量包括氣溫、降雨量、氣流及其它變量。氣候變化可以是自然因素或自然過程引起的,也可以是由人類活動造成的?！堵摵蠂鴼夂蜃兓蚣芄s》(U N F C C C)第一款中,將“氣候變化”定義為:“經過相當一段時間的觀察,在自然氣候變化之外由人類活動直接或間接地改變全球大氣組成所導致的氣候改變。”U N F C C C因此將因人類活動而改變大氣組成的“氣候變化”與歸因于自然原因的“氣候變率”區分開來。筆者在文中探討的氣候變化是專門指由人類活動所導致的氣候變量的改變。

氣候變化主要表現在三個方面:全球氣候變暖、酸雨和臭氧層破壞。其中全球氣候變暖是人類目前最迫切需要解決的問題,關系到人類的未來。而全球氣候變暖則是用來描述全球地表氣溫普遍升高的現象,這種現象可以是自然原因造成的,也可以是由人類活動引發的。兩者相比,全球氣候變暖是專指氣溫升高這一變化,因此,氣候變化所涵蓋的范圍更廣,不但包括氣溫升高還包括其它氣候變量的變化,這兩者在其本質上來講是相互關聯的,全球氣候變暖是導致氣候變化的原因,而氣候變化則因為全球氣候變暖才成為熱門問題。在分析開發水電可以有效減少二氧化碳排放的因果關系上,必須首先弄清楚氣候變化與全球氣候變暖的基本概念。科學界普遍認為,氣候變化與全球氣候變暖都可以導致產生同樣觸目驚心的惡果。

2 引起全球氣候變暖的原因和后果

全球氣候變暖對地球的影響最大,是目前全人類迫切需要解決的共同難題。

(1)引起全球氣候變暖的主要原因。

根據物理學原理,自然界的任何物體都在向外輻射能量,被稱為熱輻射。一般物體熱輻射的波長有一定的范圍,由該物體的絕對溫度決定。溫度越高,熱輻射的強度越大,短波所占的比重越大;溫度越低,熱輻射的強度越低,長波所占的比例越大。太陽表面溫度約為絕對溫度6 000 K,熱輻射的最強波段為可見光部分;地球表面的溫度約為 288 K,地表熱輻射的最強波段位于紅外區。太陽輻射透過大氣層到達地球表面后,被巖石土壤等吸收,地球表面溫度上升;與此同時,地球表面物質向大氣發射出紅外輻射。大氣層對紅外輻射具有強烈的吸收作用,這就造成地球表面從太陽輻射獲得的熱量相對多,而散失到大氣層以外的熱量相對少,從而使得地球表面的溫度得以增高,這就是大氣的溫室效應。溫室效應主要是因為人類活動增加了溫室氣體的數量和種類,阻止了地面熱量的散發,從而使地球變暖。最終,地球接受到的太陽輻射的能量和它散失的紅外輻射的能量達到平衡,形成地球表面現有的平均氣溫。

地球大氣是多種氣體的混合物,其中氮氣和氧氣占其總量的 99%,但起到溫室效應的卻主要是一些微量氣體,它只占地球大氣體積的 1%,這些氣體對太陽輻射的主體部分——短波和可見光吸收很弱,而對地面發出的長波輻射吸收強烈。因此,當它們在大氣中的濃度增加時,大氣的溫室效應就會加劇,引起地球表面和大氣層下部的溫度升高。這些氣體被稱為“溫室氣體”。“溫室氣體”主要包括二氧化碳、臭氧、甲烷、氯氟烴、一氧化碳和水蒸汽等。近百年來的氣候變暖被認為是二氧化碳等溫室氣體在大氣中的濃度大幅度上升的結果。

二氧化碳和水蒸汽是最重要的兩種溫室氣體,其中二氧化碳在大氣中的含量僅占 0.03%左右,自然環境中的溫室效應正是依靠這兩種氣體的存在才得以正常進行。研究表明,溫室氣體都有保溫和增溫作用。由于二氧化碳在溫室氣體中的含量高,二氧化碳分子在大氣中的存在時間很長(約為 50～200年),因此,二氧化碳的增溫作用最強。二氧化碳含量的大量增加,會導致地球表面附近的大氣溫度持續增加。也就是說,二氧化碳是造成全球氣候變暖的罪魁禍首。

綜合分析表明,引起溫室氣體增加的主要原因是人類活動。以二氧化碳為例,在人類社會實現工業化以前的 19世紀初,大氣中的二氧化碳的含量僅占 0.028%,而到了 2010年,二氧化碳的含量達到了 0.037%以上。據科學界推測,溫室效應加劇 70%以上的原因是由于大氣中二氧化碳含量的增加。大氣中二氧化碳濃度增加的原因主要有兩個:首先,由于人口的劇增和工業化的發展,人類社會消耗的化石燃料急劇增加,估計人類向大氣中排放了 1 600億 t二氧化碳。如此大量的二氧化碳進入大氣,使大氣中的二氧化碳濃度增加;其次,森林毀壞使得被植物吸收利用的二氧化碳量的減少,造成二氧化碳被消耗的速度降低,同樣會造成大氣中二氧化碳濃度升高。

(2)全球氣候變暖對地球和人類世界的危害。

英國倫敦智庫機構——國際戰略研究所于最近發表的報告稱:宗教極端勢力、全球氣候變暖和核擴散是世界今后幾年中面臨的主要安全威脅,而全球氣候變暖的危害堪比爆發核戰爭。報告認為:人類活動是全球氣候變暖的原因,人類需要立即采取行動控制溫室氣體減排。報告說:“如果溫室氣體排放仍得不到控制,其災難性后果不亞于發生一場核戰爭。”這樣的災難性后果“如果沒有發生在本世紀,必然會發生在下個世紀”。

氣候變暖會導致重大自然災害增加和國家間爭斗等問題,危及人類安全。概括起來,全球氣候變暖對地球和人類世界的危害如下。

①氣候變暖使冰川消融,海平面升高,引起海岸灘涂濕地、紅樹林和珊瑚礁等生態群喪失,海岸侵蝕,海水入侵沿海地下淡水層,沿海土地鹽漬化等,從而造成海岸、河口、海灣自然生態環境失衡,給海岸帶生態環境帶來極大的災難。

②水域面積增大,水分蒸發更多,雨季延長,水災正變得越來越頻繁,遭受洪水泛濫的機會增大、遭受風暴影響的程度和嚴重性加大,水庫大壩壽命縮短。

③氣溫升高會使地球兩級的冰雪融化,北極熊和海象會漸漸滅絕。

④許多小島將會無影無蹤,小島上的一切會被淹沒在海水面以下,后果可怕。

⑤因為還有熱力慣性的作用,現有的溫室氣體還將繼續影響人類的生活。

⑥溫度升高將影響人的生育,進而影響到人類的繁衍和生息。

⑦造成原有生態系統的改變和破壞。

⑧對人類生產領域影響巨大,農、林、牧、漁業等部門會失去常態運轉。

⑨將感染疾病等傳染病,病菌通過極端天氣和氣候事件(厄爾尼諾現象、干旱、洪澇、熱浪等)傳遞,擴大疫情的流行,對人體健康危害增加等。

⑩會改變世界的政治格局。

要阻止全球氣候變暖,就必須限制二氧化碳的排放量,這就等于是限制了對能源的消耗,必將對世界各國的經濟發展產生制約性的影響。二氧化碳如何在各國“減排”已成為各國討論的焦點問題。發展中國家和發達國家關于溫室氣體“減排”的爭吵,致使阻止全球氣候變暖的科學問題必然引發“南北關系”問題,從而使氣候問題成為一個國際性政治問題,進而會改變世界的政治格局。

3 減緩全球氣候變暖的有效措施

由于全球氣候變暖將對人類世界帶來災難性后果,因此各國政府與公眾對變暖問題產生了極大的關注。全球氣候變暖問題不僅是科學問題、環境問題,而且是能源問題、經濟問題和政治問題。氣候變暖問題是當今全人類面臨的挑戰,是全人類需要共同解決的難題。

在目前的認識水平下,二氧化碳在大氣中的含量增加是造成全球氣候變暖的罪魁禍首。而二氧化碳含量的增加主要又是由于人類大量使用煤炭、石油等化石燃料造成的。要減緩全球氣候變暖的目標,順理成章的主要措施就是減少二氧化碳向大氣中的排放量。因此,減排問題就是居住在地球村內每一個居民應盡的責任和義務,如果不減排,大家就一起毀滅。目前來看,有效的減少二氧化碳的排放量是減緩全球氣候變暖的有效措施。一些組織和國家在減排問題上已采取了重大措施。

(1)歐盟加大開發可再生能源。

為應對全球氣候變暖問題,歐盟準備在 2013年前投資 1 050億歐元發展“綠色經濟”。加大開發可再生能源力度,減少對化石能源的依賴,計劃到 2020年將溫室氣體排放量在 1990年的基礎上減少 20%。到 2020年把可再生能源的比例提高到 20%,把用于交通的生物燃料至少提高到10%,將煤、石油、天然氣的消耗減少 20%。

(2)美國出臺應對措施。

美國政府擬出臺一整套應對措施:啟動“總量控制和碳排放交易”體系;每年確定目標,最終在 2020年前將溫室氣體排放降低到 1990年的水平,并到 2050年再減少 80%;另將投資 150億美元開發清潔能源,發展安全核能與清潔煤炭技術。

(3)中國廣泛參與國際合作。

中國一直積極推進減緩氣候變化的政策和行動,是遏制溫室氣體排放的積極參與者。在調整經濟結構、轉變發展方式、大力節約能源、提高能源利用效率、優化能源結構等方面做出了不懈努力,并取得了顯著成效。在 2009年末舉行的哥本哈根國際氣候變化大會中,中國政府表現出了解決世界氣候問題的態度、誠意和決心。

遏制全球氣候變暖需要各國聯手,落實《聯合國氣候變化框架公約》和《京都議定書》相關條款,提高能源能效,開發新能源,節能減排,最后達到減緩全球氣候變暖的目標。

4 開發水電可以有效減少二氧化碳的排放

2009年 6月 22日,《美國清潔能源安全法案》獲得眾議院通過。該法案規定,從2020年起,美國總統將獲權對來自沒有達到溫室氣體減排標準的國家的產品采取“邊界調節稅”,亦稱“碳關稅”。從而使減少二氧化碳排放這樣一個純技術問題上升為國與國之間的經濟問題、政治問題。對于以出口為經濟推動的發展中國家來說,“碳關稅”是一把懸在頭上的“達摩克利斯劍”。

為了落實《京都議定書》相關條款和溫家寶總理提出的節能減排目標:到 2020年,我國單位國內生產總值二氧化碳排放比 2005年下降 40%～45%,同時不受制于美國的“碳關稅”控制。根據中國本身在能源開發和利用方面的特點,制定出適合本國國情的二氧化碳減排方案,才是強國大計。

(1)中國的水能資源非常豐富,理論蘊藏量世界第一。

我國水能資源非常豐富,2005年 11月 26日,全國水力資源復查工作領導小組辦公室發布了全國水力資源復查的主要成果:中國大陸水力資源理論蘊藏量在 1萬 k W及以上的河流共計 3 886條,水力資源理論蘊藏量年電量為 60 829億 k W?h,平均功率為 69 440萬 k W;技術可開發裝機容量為54 164萬 k W,年發電量為 24 740億 k W?h;經濟可開發裝機容量為40 180萬 k W,年發電量 17 534億 k W?h。中國水力資源理論蘊藏量、技術可開發量、經濟可開發量及已建和在建開發量均居世界首位。水力資源是我國能源資源的最重要的組成部分之一,如果將其折算成標準煤,相當于我國能源總量的 40%左右。水能是可再生能源,優先發展水電是我國能源發展戰略之一;利用水能,開發水電也是我國的基本國策之一。

(2)中國水能資源開發程度遠低于世界發達國家水平。

截至到 2010年底,我國的水電裝機容量已達到 2.134億 k W,占技術可開發量的 39.4%,與發達國家開發程度已達到 70%相比,我國水力資源的開發程度相當低,因此,水力資源開發利用的潛力相當巨大,任重而道遠,水電開發前景一片光明。水電、風電等清潔能源在我國能源中所占的比重如表 1所示。

表 1 中國一次能源消費構成及其變化表(1957～2007年) /%

統計數據表明,新中國成立 60余年以來,水能、核能和風能等清潔能源成逐步上升的趨勢,但總體上升幅度不大。2008年以前,清潔能源最高消費僅占總能源年消費的 7.5%左右,這其中的絕大部分是水能消費,而核能和風能僅占很少的比例,說明中國在開發利用水電方面還有巨大的潛力。

(3)中國與西歐和北美等發達國家相比水能開發利用程度差距很大。

有關世界組織 1992年發表的統計數據表明:在 1991年,加拿大的水電發電量已占全國總發電量的 61.9%、瑞士占 56.2%、奧地利占 67%、巴西占 88%、秘魯占 82%,而當時美國的水電裝機容量居世界第一位,占可開發量的 50%。挪威現有電力裝機容量 2 700萬 k W,其中 99%是水電,僅有 1%(即 27萬 k W)的工廠備用火電機組,年發電量中 99.6%為水電。到目前為止,西歐和北美等發達國家的水能開發程度已普遍超過 70%,個別國家已無水能可開發。而中國截至到 2009年,水能開發程度僅為 35%左右,其發電量僅占15.91%,說明中國的水能開發程度遠遠低于西歐和北美、日本等西方發達國家,差距很大,還有很多路要走。在大力減少二氧化碳排放量的當今世界,中國只有加快水能開發的力度,經濟才能持續、穩定、安全、高速的發展。

(4)水電比太陽能和風能的優點更為突出。

在單獨驅動大功率機械方面,太陽能顯然不及水能。太陽能和風能不能為大型工廠提供充足的電力,不能牽引火車在鐵軌上飛奔。目前,水力發電機組的單機容量可達到(80～100)萬 k W,而太陽能的最大輸出功率則無法與水能相提并論。

太陽能是窮人的奢侈品,其成本居高不下。與傳統能源——水、火電相比沒有任何優勢。按照 2006年的經濟發展水平,太陽能單位發電成本為 2.38元/k W?h,而同期的煤電僅為 0.21元/k W?h,水電則更低。因為發展中國家有大量的傳統能源但因其排放較多的溫室氣體而被限制使用,需從發達國家購買昂貴的風力、太陽能發電設備而花掉大量外匯,反而失去了更多的發展機會,所以說太陽能是窮人的奢侈品。

太陽能和風能很不穩定,陰天和下雨天太陽能發電會受到很大的影響。此外,大氣影響風的因素很多,影響風的因素人類不可控,風的變化隨機性很大。

太陽能和風能發電的核心技術掌握在歐美等發達國家的手中,而發展中國家始終處于被動受控的狀態,因此,不能因為“二氧化碳排放”問題影響發展中國家的發展。

太陽能是否就是真正絕對清潔的能源嗎?答案是否定的。經調查發現,太陽能發電所需要的初硅提純是一個高耗能、重污染的行業,而主要的生產基地就在中國。

目前,中國已經成為世界最大的光伏產業市場,太陽能最重要的原料多晶硅的生產效率低下,國內部分企業多晶硅制造技術陳舊,耗電量大,同時伴隨著巨大的污染。每提純 1 t多晶硅就會有8 t以上的四氯化硅產出,以及三氯氫硅、氯氣等廢液、廢氣排出。中國太陽能產業的繁榮是以犧牲脆弱偏遠地區的環境為代價的。

中國太陽能市場“兩頭在外”,即核心技術、重要原料、銷售市場均在國外,中國只是一個簡單的加工廠,將便利輸送到了國外,自己卻變得滿身灰濁。

風力發電也有污染。來自日本的風力發電監測數據表明,風力發電機組工作時會產生很大的噪音,對附近居民的生活和休息都有影響。此外,風力發電機高度一般均在 10～20 m左右,都是“龐然大物”,再加上風機“嗡嗡”作響的噪音,遷徙的候鳥不敢降落覓食休息,生活在附近的海鳥紛紛“搬家”,生態環境受到了影響。

綜上所述,水能比太陽能和風能還是要占很大的優勢。

(5)水電的碳排放系數最低。

表 2列出了各類發電的碳排放系數。

表 2 各類發電碳排放系數表

由表 2可以看出:對于水電、核電、風電和太陽能的減排力度,水電的碳排放系數是最低的。

(6)提高水電在一次能源消費中的比重,可以大大減少二氧化碳排放量。

2009年,全國全社會用電量為 36 506.23億k W?h。其中煤電和水電等各種類型的發電量和所占比重如表 3所示。

表 3 中國 2009年發電量及分類情況表

可見,中國一次能源的構成主要是煤電和水電,其它類型發電量所構成的比重很小。根據中國能源構成的國情和實際情況,如何加快開發水電和加重水電在能源消費中的比重,是減少二氧化碳排放量的有效途徑。

以 2009年全國全社會用電量為基準計算出的 2009年二氧化碳排放量及火、水電比例發生變化時的碳排放量如表 4所示。

由表 4中的計算可以看出,假設以 2009年的總發電量為基數,適當增加水電在一次能源消費中的比重,可以較快的減少碳排放量,這是因為水電的碳排放系數是所有發電種類中最低的(它只有煤電的 1/55)緣故。假如水電發電量增加 1%,則一年可減少二氧化碳排放量約為 968萬 t。根據中國能源構成的實際情況,如果把水電發電量增加 10%,即水電發電量占到中國一次能源消費的 25%左右,則可每年減少碳排放量大約為9 677萬 t,這是一個不小的數字,只有這樣,才能履行中國到 2020年我國單位國內生產總值碳排放比 2005年下降 40%～45%的承諾。減少了碳的排放量,也就是減少了二氧化碳的排放量。既使把中國水電發電量提升到一次能源消費 25%的水平,與西歐和北美等國家相比,差距還是很大。

表 4 2009年火、水電及比重變化時碳排放量變化表 /萬 t

(7)美國的研究成果表明:水電站的存在可以減少二氧化碳排放。

美國西北電力規劃委員會最近的一項研究表明,在美國西北部地區,由于水電站的存在,使發電排放的二氧化碳量明顯低于其它區域。其研究結果顯示,2005年,在正常的水資源條件下,美國西北部地區發電站每兆瓦時(M W?h)的二氧化碳排放量為 236 k g,而整個西部地區電網的排放量為每兆瓦時 408 k g。

5 結 語

中國水能資源理論蘊藏量和年發電量占常規能源資源量的 40%左右,是世界上水能資源總量最多的國家。水能是無污染的清潔能源,可再生、便于開發、可以拉動落后地區經濟的發展;水力發電成本低廉,運行的可靠性高,故其發展極為迅速;水力發電工程的設計理論、建設技術、水輪發電機組制造技術和輸電技術等都趨于完善,單機容量也不斷增大,中國的水力發電技術已是世界一流水平;水力發電是絕對的綠色環保能源,其水利工程還能調沙、防洪、防干旱、調節航運、利于農業發展和河道治理,一舉多利,是工程建設中綜合利用的典范。

水力發電還可以克服太陽能設備制造中造成的環境污染、克服太陽能和風能發電不穩定、其功率不能拖動大型機械設備、不能為大型工程提供充足電力和成本過高的諸多缺點。當然,在建設水力發電工程中也可能造成對生態環境的一定影響,但這些問題在目前的技術經濟條件下是完全可以克服和解決的。

太陽能和風能是窮人的奢侈品。在水能和太陽能及風能的發展選擇上,發達國家是盡可能選擇太陽能及風能,而發展中國家則是優先選擇水能。

2004年 10月 29日,聯合國水電與可持續發展國際會議在北京通過了《水電與可持續發展北京宣言》,指明了水電建設必須走可持續發展之路,可持續發展之路也就是水電建設的未來之路。

在中國要持續、穩定、低碳和經濟的發展,基于水能占常規能源資源量的 40%左右這樣一個事實,走中國自己的能源發展之路,提升加大水能的開發和利用,提高水能在一次能源消費中達到25%以上的比重,應該是一個極好的選擇。

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