電力供應技術的生命周期溫室氣體排放指南

【摘要】本文為一篇翻譯節選報告。所選原文為丹尼爾·偉瑟所著的《電力供應技術相關的生命周期溫室氣體排放總量指南》。文中通過對目前的主流發電技術進行分析，比較不同發電方法所產生的溫室氣體排放量，指出了不同技術之間的優劣，并特別點明了在發電過程中容易被忽略的問題，這些問題會直接導致溫室氣體排放量。本文圍繞不同電力技術在其生命周期內產生的溫室氣體排放量，以及不同技術可以改進、提高的方面，呼吁各國改進發電技術，采用新能源，緩解全球變暖。

【關鍵詞】化石燃料 新能源技術 溫室氣體 全球變暖 氣候政策

一、溫室氣體的排放

1.化石燃料。對化石燃料技術來說，大部分的生命周期溫室氣體排放產生在燃燒發電的運行過程中。直接排放過程的變化，是碳/熱含量的組合燃料技術的類型和它的效率的組合。雖然發電過程中煤炭、天然氣和石油之間的溫室氣體排放很突出，但在電力運輸及后續維護活動產生的溫室氣體排放通常可以忽略不計。

表1展示了一個記錄在歐洲多國燃料之間的上游溫室氣體排放的差異。令人驚訝的是，西歐的煤和石油（重油）的上游溫室氣體排放量大約比褐煤的要高15-25倍。天然氣和輕油的溫室氣體排放要更高。在接下來的部分中將會展示，化石燃料發電廠的直接排放量也因隨數量級的排列而不同，但只有當考慮采用CCS技術時才會體現出來。

2.新型能源。

（1）核能：在輕水反應堆操作過程中所排放的溫室氣體與累積溫室氣體排放生命周期相比，其數據要小很多，在0.74-1.3gCO2eq/kWhe的范圍里。而與核電不同的是，化石燃料發電技術中溫室氣體的排放大多在發電運行環節，其溫室氣體排放數據大致在1.5-20gCO2eq/kWhe的范圍內。

（2）可再生能源技術：與化石燃料技術相比，來自可再生能源的溫室氣體排放絕大多數來自發電過程中的上游部分，尤其是在用技術方面和建設發電設施方面。盡管對于生物質系統，大部分排放在燃料循環（具體取決于生物質的選擇）中產生，但在技術間歇方面，生命周期是否應該包括或不包括備用項目（比如旋轉備用）中所產生的溫室氣體排放成了難題。原則上來說，這些并沒有被現有調查中包括進來。

（3）光伏發電：各種光伏系統使用壽命中溫室氣體排放情況的研究數據在43-73CO2eq/kWhe之間。包括單晶硅系統、多晶硅系統、非晶系統和CIGS（銅銦鎵硒系統）。不同于化石燃料發電系統，光伏發電中的溫室氣體排放大多出現在發電生產上，約占50%-80%。而操作層面，使用壽命結束以及相關的運輸活動并不會產生明顯的累積溫室氣體排放。

（4）風能：對于風力渦輪發電而言，大部分的溫室氣體是在風力渦輪機的制造過程和電站建造的過程中產生的，這二者所產生的氣體占總排量的72%到90%不等。除了風力渦輪機和電站的建造過程會產生大量溫室氣體外，在電站運行，維修，拆除及材料和發動機運輸的過程中都會產生溫室氣體。由于風力受地理條件的影響所以不同地方的差別巨大，這一問題在調查研究結果上就可以體現出來。

（5）水電：大多數的案例分析都表明，水利發電產生的溫室氣體主要是在水電站的建造過程中產生的（尤其是蓄水大

壩）。在建造過程中產生的廢氣排放量在2-9CO2eq/kWhe. 總的來說，在評估的案例之中，水電的生命周期性溫室氣體排放量約在1-34gCO2eq/kWhe不等，

（6）生物能：生物的溫室氣體排放量主要取決于燃料能源循環利用率、生物燃料的性質、電站的技術水平以及熱轉化率。溫室氣體排放量的數值大約是35-99gCO2eq/kWhe，這些氣體排放主要是在燃料循環這一階段產生的，其他的階段產生量可以忽略不計。

3.討論與總結。這里所提的生命周期分析是為了說明在一些情況下，我們需要研發一種系統或者合適的機制來說明源頭性以及運輸維護環節溫室氣體排放的空間尺度標準，這不僅是為了在制定氣候政策時更具有效率性和整體性，同時也給那些不會造成大量間接排放的科技鋪平了發展的道路。就化石燃料而言，間接的排放量高達300gCO2eq/kWhe，相比之下，核能和可再生能源技術產生的累計的間接溫室氣體就會比化石產生的大幅減少。

從全球的角度來看，在2006年國家能源署的世界能源展望計劃中，其中的參考方案指出在2004-2030年間，因發電發產生的二氧化碳將占到全球二氧化碳總排放的一半左右。因此，有效的減排手段對于減少因發電帶來溫室氣體以及簽約國（京都協議書和聯合國氣候變化框架公約）在履行自己的義務上，起著至關重要的作用。

盡管這里的報告中指出了，關于減少生命周期循環溫室氣體排放在發電方面的技術贏家是——可再生能源以及核能，相較于化石燃料發電技術而言。但是這里必須指出的是，電量不僅在數量上小，而且成本高，并且在社會和政治層面上難以被接受，所以要想在能源供應中占主導地位的話，兩種手段在中短期內基本不可能實現。想要滿足不斷增長的能源需求，可能需要要求多項（如果不是全部）溫室氣體減排政策的結合，來幫助減少溫室氣體在能源領域的排放強度。

二、五個關于碳排放減少的案例

1.更有效地轉化化石燃料。在火力發電廠中，那些通過煤炭發電的案例，比如火電站的轉化效率大致在30%-50%，而溫室氣體排放量在低效的電廠要比高效的電站多接近兩倍。然而，要想在中短期實現的話，這就要求市場和出臺管理框架來促進投資幫助新科技的發展，來提高煤炭能源發電率，從而減少二氧化碳的排放。在2006年的國際能源署的世界能源展望會中估計這個數值可能會增加到百分之六十七，我們需要制定政策來為建立高效的石化能源發電站鋪平道路，并且吸引投資者和市場的目光。

來源：褐煤[10，17，26]，煤[10，17，22，26，27，28]，石油[10，17，18，22，28]，天然氣[10，12，17，22，26，28，29，30]，碳捕獲和儲存（CCS）以及能源貯存系統[21，31，32]，核[10，12，17，18，27，28，34，35]，太陽能光伏發電[17，26，28，36，37]，風[17，18，26，28，38，39，40，41]，水[28，42，43，44]，生物質能[26，42，45]endprint

圖二數據5顯示出不同的化石燃料科技手段所產生的生命周期溫室氣體排放量相差懸殊——在最先進和落后的科技之間相差量基本至少在兩倍以上，在最先進的科技和中等水平之間也至少相差30%。由于大部分溫室氣體都是由發電造成的，所以應用更好的科技技術可以大幅減小其排放量，正如上述幾個例子所講的那樣。

2.通過使用低碳化石燃料來控制排放物的產生。數據五的結果及總結顯示出，將使用煤炭（尤其是褐煤）和燃油發電的技術換為現有最先進的天然氣發電技術，可以減少溫室氣體排放（如天然氣電廠的生命周期溫室氣體排放量大約是褐煤或煤炭發電廠的一半）。不過，我們必須清醒的認識到——從一種燃料或技術轉變為另一種燃料或技術僅僅只是一個技術層面的選擇。然而潛在的經濟現實層面才會決定到底要不要使用這個技術，比如從使用煤炭/褐煤到使用天然氣之間的轉變只有價格適當的時候才能實現。此外，大規模的從使用煤炭轉換到使用天然氣會導致天然氣價格承受過大的壓力，并且潛在的讓天然氣的經濟效益受損。再提一點，從一種燃料的使用轉換到另一種可能還會需要更多的投資，因為燃料的轉換也要求其他相關的基礎設施（如新的發電廠和發電設施等）要相配套。

3.增加核能的使用。從溫室氣體排放角度來看，核電站

（如輕水反應堆）具有相當廣闊的前景，它有很大的減排潛力，以及能為大多數以化石燃料為基礎的能源科技提供相同的能源服務，并能取代化石燃料發電廠。數據五指出平均輕水反應堆在所有評估的科技中，生命循環溫室氣體排放量是第二低的。然而，在很多的國家中，核能是不被接受的（出于政治和社會因素），這顯然讓核能的減排能力在全球范圍內大打折扣。以上的方法都可以從國家層面和能源供應的角度來幫助各國減少能源產品的溫室氣體排放強度。舉個例子：在2006年的世界能源展望上的“更換政策假想”，世界能源署預計發電行業的二氧化碳排放強度會有所改善，例如核能和可再生能源技術使用的增加，促使二氧化碳排放量減少了22%（相較于“參考設想”）到2030年時。在同等條件，能源部門提高能源利用效率和燃料種類的轉變減少全球范圍內13%的二氧化碳排放量。

然而，這里需要重點指出的是很多電力需求側管理（DSM）的方法通過減少電力需求（同樣減少排放）比改變能源供應模式的方式更有效。根據國際能源署的“更換政策假想”，要求出臺相關政策來更有效的使用電能，如在照明，空調，電力設備和工業發動機可以大概減少30%二氧化碳排放，到2030年的時候（相較于“參考假想”），接近于所有能源供應領域的減少溫室氣體排放潛在能力之和。

*原文作者：丹尼爾·偉瑟（奧地利），譯文作者：段宇彤endprint