典型核電國家溫室氣體排放現狀

嚴密，王同濤，李嫣

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典型核電國家溫室氣體排放現狀

嚴密1，2，王同濤1，李嫣1

（1中國科學技術交流中心，北京100045；2浙江工業大學能源與動力工程研究所，浙江杭州310014）

通過分析全球能源消費數據和核電數據，得到了核電發展最快、核電反應堆關閉最快、核電裝機量最大和核電占比最大等特征的典型核電國家。對這些國家的能源結構、電力組成、CO2排放和核電減排作用進行了深入研究。通過研究得到：電力是各國CO2排放的主要源頭，但單位發電量的CO2放電量均呈逐年下降趨勢，這和各國能源結構調整存在密切關系；美國是人均CO2排放第一大國，但韓國人均CO2排放量增速最快；基于煤電CO2排放因子，2011年全球核電CO2年減排量約占全球年總排放量8.3%，而中國核電CO2年減排量占國內總排放量的1.1%。

核電；二氧化碳；氣候變化；減排

溫室氣體（GHG）排放引起的氣候變化問題日益受到全球關注。溫室氣體主要指CO2、CH4和N2O等。工業化前，大氣CO2濃度穩定在280mL/L，進入工業化后迅速增加到394mL/L（2012年），增長了約40%[1]。由于GHG排放導致的氣候變化將對地球生態系統和人類社會造成一系列重大影響，包括糧食安全、淡水資源和疾病蔓延等[2]。需通過多種手段減少GHG排放，減少危害。

《聯合國氣候變化框架公約》（UNFCCC）提供了國際減少GHG排放的行動公約。根據UNFCCC，全球GHG主要來源于能源消耗（>80%），并且超過90%是CO2氣體。控制能源利用過程CO2排放的途徑多樣，包括能源結構調整、能效提升和捕集利用等[3-4]。核電作為低碳能源，成為了我國實現節能減排國際承諾的必然選擇。2014年APEC期間，中美元首會晤就碳減排達成一致：美國將以2005年為基準，在2025年實現26%～28%的碳減排，中國承諾在2030年之后碳排放不再增加；同時中國在2030年之前可再生能源將占到全部能源生產的20%。因此中國必須進行能源供給和消費革命，核電作為低碳能源，發展核電是優化能源結構的重要手段。根據《核電中長期發展規劃（2005—2020年）》，到2020年我國在運行核電裝機容量4000萬千瓦，在建核電裝機容量1800萬千瓦，核電占全部電力裝機量將提高到4.0%[5]。但日本福島事件及德國宣稱將逐漸關閉核電站等國際外部環境的變化對我國核電發展產生了顯著沖擊，政府和民眾也產生了更多的困惑[6]。

為此本文致力于理清國際核電發展趨勢，深入挖掘典型核電國家的能源結構和核電發展特征，較全面研究核電發展對各國碳減排的作用。

1 全球核電發展和現狀

1.1 全球能源消費變化

圖1顯示了全球能源消費發展和主要能源結構變化[7]。全球能源消費總量逐年增長，尤其是2000年后出現了顯著增速（2.69%）。2012年，全球能源消費量達到了172.2億噸標煤，主要能源依次是原油、煤炭、天然氣、核電及其他。煤炭呈現快速增長態勢，天然氣和原油消費量穩步增長，而核電在快速發展后2010年出現拐點，年消費量從8.95億噸標煤降低到8.01億噸標煤。

截至2013年12月，全球商業化投用核電反應堆434臺，總裝機容量37.12萬兆瓦[8]。其中核電反應堆最多的5個國家分別是美國（100個）、法國（58個）、日本（48個）、俄羅斯（33個）和韓國（23個），中國排在第7位。圖2顯示了21世紀全球核電反應堆的變化情況。核電反應堆數量總體保持穩定，2001年達到438家，大部分是在20世紀70年代因石油漲價引發的能源危機而快速建設[9]。核電裝機量從2001年的35.3萬兆瓦增加到了2013年37.17萬兆瓦[8]。分析核電反應堆在建數得到，2010年前增長顯著，如2009—2010年在建數增加了11個，但2010年后出現了滯漲；同樣核電新建數在2010年急劇下降，從2010年的新建16個降低到2011年的4個；我國是在建和新建核電站最多的國家。同時通過對2000年后各國核電數據分析得到了典型核電國家，如表1所示。

表1 典型核電國家（2000—2013年）

1.2 典型核電國家

典型核電國家是指具有核電發展最快、核電反應堆關閉最快、核電裝機量最大和核電占比最大等特征的國家。從表1發現，具備2個特征的典型國家有法國和日本。法國是全球裝機量第2大，同時也是核電占比最大的國家；日本是核電裝機量第3大國，同時也是核電關閉第3快的國家。而中國是近年來核電發展最快的國家，也是能源消費量最大的國家。

1.3 核電技術發展

核電站開發與建設始于20世紀50年代，從實驗性和原型核電機組逐漸發展成壓水堆、沸水堆、重水堆等成熟核電機組；為解決切爾諾貝利核電站嚴重事故的負面影響，提高防范與緩解嚴重事故能力，歐美發展了以AP-1000、EPR為代表的核電壓水堆[9]。中國在內的一些核電業主已經選用或準備選用更安全、更經濟的AP-1000、EPR等技術進行新的核電機組建設。根據IAEI2014年的Nuclear Technology Review報告，目前全球運行的核電廠采用的核電技術種類主要有6種，并且各技術占總反應堆比例排序分別為壓水堆（62.9%）、沸水堆（18.7%）、加壓重水堆（11.1%）、輕水堆（3.5%）、氣冷堆（3.5%）和快堆（0.5%）。

世界各國依然重視先進核電技術的進一步研發，多國聯合組建“第四代國際核能論壇”（GIF），約定共同合作研究開發第四代核能系統（Gen Ⅳ），中國也積極參與這方面的工作，2008年10月啟動了華能石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程；為進一步突破核裂變的資源制約，包括中國在內的7國2006年正式啟動了國際熱核聚變實驗堆計劃（ITER）[10]，這是規模僅次于國際空間站的一項重大的多邊大科學國際合作計劃，國家科技部專門成立了ITER中心，以協調和支持計劃的開展。

2 典型核電國家能源結構

2.1 典型核電國家能源及電力來源結構

需進一步了解各典型核電國家的能源結構和發電結構，才能更深入分析核電發展規律以及其必然性。圖3顯示了典型核電國家的能源結構，瑞典以核電為第一能源；日本、德國、美國和韓國的最大能源是石油；英國和斯洛伐克則以天然氣為第一能源；印度和中國兩個最大的發展中國家以煤炭為第一能源。煤電相對其他電力類型不僅常規污染更嚴重，二氧化碳排放因子也最大，見表2。

表2 多種發電方式全生命周期CO2平均排放因子[11]

電力是重要的能源消費方式，較大比例的一次能源用于電力生產。圖4為典型核電國家的電力來源結構分布[12]。由圖4可知以核電為第一電力來源的國家是法國（79.4%）和斯洛伐克（53.2%）；瑞典以水電（44.2%）為第一電力供應來源，核電（40.2%）其次；英國和日本的天然氣發電為第一電力供應源；中國、德國、美國和韓國則以燃煤發電為最主要的電力來源；也可發現各國在燃油發電和其他可再生能源發電的比例都很小。同時作為核電關閉最快的3個國家，日本、德國和英國相對于中國不僅具有更高的核電比例，同時天然氣和可再生能源發電比例也遠高于中國；典型核電國家中，中國的煤電比例最大。中國天然氣氣源供應不足，原油依賴進口的情況下，發展核電和可再生能源是調整能源結構的必然選擇。

2.2 中國核電應用現狀和發展

目前我國發電主要依靠燃煤火電，核能發電量還很低。根據國家統計局國家數據網報道，我國2012年總發電量為49875.5億千瓦時，其中火電和核電發電量分別為38928.1億千瓦時和973.9億千瓦時，即占總發電量的78.1%和1.95%[13]。但我國核電發展迅速，圖5顯示了我國核電發展情況。尤其是2002年和2003年快速增長，2003年相對2002年增加了72.5%，隨后進入了平穩期，2010年后又得到了快速發展。核電的發展也受到多種因素的影響，2002年和2003年電力增長是由于我國工業生產用電需求快速增加，而前期電力建設滯后，造成的刺激性增長；2010年后，我國核電發展受到的影響因素更多，除工業增長因素外，和我國應對氣候變化和作為負責任的大國政治需求有關，同時也受國際環境影響。截至2013年年底，我國實際已投運的核電堆20個，發電裝機容量為1597.7萬千瓦。我國一直重視核電發展過程中的安全，目前被認為最先進、安全的AP1000（浙江三門）和EPR技術（如廣東臺山）都已經引進，并開展實際應用。

3 核電對溫室氣體減排作用

3.1 典型核電國家溫室氣體排放

能源消費及電力生產是CO2的主要排放源。根據IEA數據，2000年后CO2年排放量以2.7%速度增長，2011年全球CO2排放量達到了31.3Gt。排放總量前5的國家分別是中國、美國、印度、俄羅斯和日本[1]。電力和供熱行業排放量最大，占總排放量的42%。在電力和供熱行業，燃煤發電CO2排放量占比最大，達到了72%（2011年），高于1990年的占比（66%）。從表2可知，各個發電方式CO2的排放因子存在較大差異，最大的煤電達到了1001g/kWh，水電最低，核電為16g/kWh。所以有必要研究電力行業CO2排放情況，分析通過能源結構調整對CO2減排的作用。

表3是典型核電國家能源過程CO2排放和電力生產排放情況。從表3可知，電力排放比例最大的國家是印度（51.6%），最小的是法國（13.7%）；同時低于全球平均水平（41.7%）的國家有法國、瑞典、斯洛伐克和英國。這和各國的能源結構、電力結構具有密切關系，將燃煤、燃氣和燃油歸為燃燒源電力，其他方式作為非燃燒源電力，進一步分析圖4可得到法國、瑞典、斯洛伐克是非燃燒源電力比例最高的國家。從表3還可發現，日本作為GDP總量全球第3的國家，CO2排放量遠低于中國和美國，甚至低于印度。

表3 典型核電國家CO2排放量和電力源排放情況 （2011年）[1]

圖6顯示了典型核電國家單位發電量產生的CO2水平。從圖6中可清晰的得到三個層次的排放國家：排放最低的第一個層次有瑞典、法國和斯洛伐克，這3個國家是非燃燒電力比例最高的國家，也是非化石能源比例最高的國家；其次是處于全球平均水平的日本、英國、德國、美國和韓國；排放量因子最大的第三層次有印度和中國，其以煤電為主要電力組成。從圖6中也可發現，斯洛伐克在1975年后CO2排放因子迅速下降，認為斯洛伐克電力CO2因子的下降主要與其煤電下降（減少了約38%）和核電開發有關[14]；而中國呈現穩步下降的趨勢，主要由于火電技術的升級和低碳能源的開發，核電技術做出了普遍認可的貢獻。

圖7顯示了典型核電國家單位GDP二氧化碳排放水平。從圖7中得到，2011年單位GDP二氧化碳排放量最高的是中國（1.81kg/USD），最低的是瑞典（0.11kg/USD）；全球平均水平為0.6kg/USD，只有中國和印度（1.32kg/USD）高于全球平均水平。從圖7中也可發現各國在21世紀后單位GDP溫室氣體排放量都呈現了下降趨勢，尤其是中國、印度和斯洛伐克下降顯著。分析認為中國早于印度出現排放因子降低，是因為中國經濟對外開放、產業調整和電力改革方面都先于印度開始；核能是斯洛伐克第二大能源，第一大電力來源，其第一臺核電站（11.0萬千瓦）于1972年并網發電，1980年又新增了2×44.0萬千瓦時核電機組，同時煤消耗量也下降了43%，這有效改善了國家的能源結構[14]；而美國等發達國家主要通過高能耗、低附加值產業的轉移、可再生能源和新能源的發展來實現。2014年6月，美國針對火電廠二氧化碳減排推出了“清潔電力計劃（Clean Power Plan）”，要求2030年之前將電廠的碳排放在2005年排放水平上削減至少30%[15]。

典型核電國家不僅在能源結構、經濟規模，在人口上也存在巨大差異。典型核電國家囊括了中國、印度、美國這3個人口大國[16]。圖8顯示了典型核電國家人均CO2排放水平。2011年人均CO2排放因子最大國家是美國（16.94噸/人×年），最小的是印度（1.41噸/人×年），小于世界平均水平（4.5噸/ 人×年）的也只有印度；多國人均排放因子普遍呈現出降低趨勢，但印度、中國和韓國穩步增長，尤其是韓國增長幅度明顯。分析韓國CO2排放量，從1971年的52.1Mt上升到2011年的587.7Mt，平均年增長率為7.2%，是增速最快的國家。韓國經濟發展迅速（平均年增長4%），并且2008年經濟危機后迅速恢復。經濟的發展直接導致了能源需求和消費的大量增長，成為世界天然氣最大進口國和亞洲原油進口第三大國[17]。2011年能源消費總量達到了271.1百萬噸油當量（Mtoe），其中核電為34.0Mtoe；能源消費總量比1973年增加了約9.4倍，但人口只增加了51.4%。

3.2 核電對溫室氣體減排的意義

從《京都議定書》到《聯合國氣候變化框架公約》，世界各國都在致力于GHG的減排，尤其是歐盟各國相繼出臺了多個行業減排計劃。繼美國出臺“總統氣候行動計劃”和“清潔電力計劃”后，我國發展與改革委員會頒布了《中國應對氣候變化規劃（2014—2020年）》[18]。

核電是技術成熟、供能穩定的清潔能源。與火電相比，核電不直接排放二氧化硫、煙塵、氮氧化物和二氧化碳。發展核電是電力工業污染物減排的有效途徑，也是減緩地球溫室效應的重要措施。根據表2和各國電力結構可初步估算出各國發展核電CO2減排量，如表4。從表4可知，如果全球不發展核電，而是用燃煤或燃氣發電，2011年將新增2602.1Mt或1196.7Mt的CO2，占目前排放量的8.3%或3.8%；典型核電國家核電減排比例最大的是瑞典和法國，最小的是中國和印度，并且只有中國和印度低于全球平均水平。

表4 典型核電國家核電CO2減排效果（2011年）

①如果用煤電代替核電多產生的CO2量和占總排量的比例。②如果用燃氣發電代替核電多產生的CO2量和占總排量的比例。

中國是當前能源消費第一大國，同時2011年能源消費產生的CO2量近80億噸，超過美國成為CO2第一大排放國。我國一次能源以煤炭為主，燃煤電廠給環境保護帶來巨大壓力，全國的大氣狀況不容樂觀。重點調查的火電廠排放二氧化硫、氮氧化物和粉塵分別是706.3萬噸、981.6萬噸、144.2萬噸，分別占全國排放總量的33.4%、42.0%和11.7%[19]。核電廠在生產過程中不產生SO2、NO和PM等污染物，核電技術的發展對常規污染物的減排具有積極作用。發展核電技術不僅能夠進一步保障能源供應的安全，同時可有效降低污染物和溫室氣體的排放。

4 結 論

進入21世紀后，核電反應堆數量保持穩定，但核電裝機量逐年增長，核電新技術逐步得到應用，并且新裝機量主要在中國和印度等國。通過對全球能源消費結構和核電發展分析，得到4個特征的10個典型核電國家，并且對這些國家的能源結構、電力組成、CO2排放特征和核電減排作用進行了分析，得到如下結論。

（1）電力生產過程是各國CO2排放的主要源頭，近年來單位發電量和單位GDP的二氧化碳放電量均呈現逐年下降趨勢，這和各國能源結構調整、核電發展存在密切關系；美國雖然是人均排放第一大國，但韓國、中國和印度人均排放量逐年增加，尤其韓國增速最快。

（2）核電作為技術成熟、供能穩定的低碳能源，對各國溫室氣體減排具有關鍵作用，相對煤電，全球因為核電發展CO2年減排量占總排放量的8.3%；中國的核電發展迅速，但溫室氣體減排量依然很低。

[1] International Energy Agency （IEA）. CO2Emission from fuel combustion 2013 edition[R/OL]. 2013. http：//www.iea.org/ publications / freepublications / publication / co2emissionsfromfuel combustion highlights 2013.pdf.

[2] Vijaya V R S，Iniyan S，Goic R. A review of climate change，mitigation and adaptation[J].，2012，16（1）：878-897.

[3] Yang H，Xu Z，Fan M，et al. Progress in carbon dioxides separation and capture：A review[J].，2008，20：14-27.

[4] Stewart C，Hessami M A. A study of methods of carbon dioxide capture and sequestration：The sustainability of photosynthetic bioreactor approach[J].，2005，46：403-420.

[5] 國家發展和改革委員會.核電中長期發展規劃（2005—2020年）[EB/OL]. 2007. http：//www.gov.cn/gzdt/2007-11/02/content_ 793797.htm.

[6] International Atomic Energy Agency （IAEA）. Nuclear technology review 2012[R/OL]. 2012-7-22. http：//www.iaea.org/Publications/ Reports/ntr2012.pdf.

[7] BP. Statistical review of world energy 2013[R/OL]. 2013. http：// www.bp.com/en/global/corporate/about-bp/energy-economics/statistical-review-of-world-energy/2013-in-review.html.

[8] IAEA. Nuclear technology review 2014[R/OL]. 2014. http：//www. iaea.org/Publications/ Reports/ntr2014.pdf.

[9] 張江峰，張憲銘. 低碳經濟帶動核電材料發展[J]. 中國有色金屬，2010（8）：40-41.

[10] 盧蘇燕.開發新能源的國際熱核計劃開始啟動[EB/OL]. 2006-05-25.新華網. http：//news.xinhuanet.com/tech/2006-11/22/content_ 5360223_1.htm.

[11] Burgherr P，Heath G，Lenzen M，et al. Annex II：Methodology，In IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation[EB/OL]. 2011. http：//en.wikipedia.org/wiki/ Electricity_generation.

[12] The World Bank. Environment 2014[R/OL]. 2014. http：//wdi. worldbank.org/table/3.7.

[13] 國家統計局. 國家數據[DB/OL]. 2014. http：//data.stats.gov.cn/.

[14] IEA. Energy Policies of IEA Countries-The Slovak Republic 2012 review[R/OL]. 2013. http：//www.iea.org/countries/membercountries/ slovakrepublic/.

[15] USEPA. Clean Power Plan Proposed Rule[EB/OL]. 2014. https：// www.federalregister.gov/articles/2014/06/18/2014-13726/carbon-pollution-emission-guidelines-for-existing-stationary-sources-electric-utility-generating.

[16] 維基百科. 國家人口列表[EB/OL]. 2014. http：//zh.wikipedia.org/ wiki.

[17] IEA. Energy Policies of IEA Countries—The Republic of Korea 2012 review[R/OL]. 2013. http：//www.iea.org/publications/ freepublications/publication/Korea2012_free.pdf.

[18] 國家發改委.《中國應對氣候變化規劃（2014—2020年）》解讀[EB/ OL]. 2014-09-1. http：//www.ccchina.gov.cn/Detail.aspx? newsId= 48356&TId=93.

[19] 環境保護部. 環境統計年報[R/OL]. 2013-12-25. http：//zls.mep.gov. cn/hjtj/nb/ 2012tjnb/201312/t20131225_265552.htm.

Greenhouse gas emission in typical nuclear power countries

YAN Mi1，2，WANG Tongtao1，LI Yan1

（1China Science and Technology Exchange Center，Beijing 100045，China；2Institute of Energy and Power Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，Zhejiang，China）

Through the analysis of world energy consumption and nuclear power statistic，the typical countries with nuclear power were recognized by rapid developing，fast shut down ability，large capacity and high ratio of nuclear power on total energy consumption. In additional，energy and electricity distribution，CO2emission and reduction by nuclear power in these countries were deeply investigated. This study shows that power plant is the main source for CO2emission in these countries，while CO2emission per kWh gradually decreased year by year，which is closely related to the adjustment of energy construction. At present，the country with the largest emissions per capita is USA，in addition，the country with the fast increase on this value is South Korea in recent years. Based on the CO2emission factor of coal power plant，CO2emission reductions of nuclear power accounted for 8.3% of total global CO2emissions in 2011，while CO2emissions reduction by nuclear power accounted for 1.1% of the total annual emissions in China.

nuclear power；carbon dioxide；climate change；carbon emission reduction

X 382.1

A

1000–6613（2015）09–3256–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.09.008

2014-12-29；修改稿日期：2015-01-21。

國家科技支撐計劃項目（2012BAC20B00）。

嚴密（1985—），男，博士，主要是從事清潔能源和氣候變化研究。E-mail yanmi1985@zjut.edu.cn。聯系人：王同濤，博士，副研究員，主要從事清潔能源科技政策研究和管理。E-mail wangtt@ cstec.org.cn。