跳转到内容

能源生命周期温室气体排放

维基百科，自由的百科全书
参见：排放强度（英语：Emission intensity）

温室气体排放是发电对环境的影响中的一种。所谓能源生命周期温室气体排放（英语：Life-Cycle Greenhouse Gas Emissions of Energy Sources）是研究不同能源在其整个生命周期中的排放量，以评估其全球暖化潜势（简称GWP）。通常评估仅对发电用能源进行，但有时也将提供热能的能源作评估。[1]研究结果是以能源产生的每单位电能的GWP为单位。量表以二氧化碳当量 (CO2e) 和电能单位千瓦时（kWh）表达。评估的目标是涵盖能源整个生命周期中的每个阶段，包括材料和燃料开采，到施工、营运和最终的废弃物管理。

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）于2014年将全球主要发电能源产生的二氧化碳当量数据予以统一化 - 透过分析数百篇评估每种能源的独立科学论文来完成。[2]煤碳是迄今为止排放最严重的能源，其次是天然气。太阳能、风能和核能都是低碳能源。水力发电、生物质、地热能和海洋能通常归于低碳，但设计不当或其他因素可能会导致个别发电厂产生更高的排放量。

本文所讨论的技术，并未将效率改进以及发布以来二氧化碳当量的减少包括在内。例如风力发电的总生命周期排放量可能自发布后已有减少。同样的，研究所显示的是第二代核反应堆的二氧化碳当量数据，而非第三代反应堆的。其他数据上的限制还有：a）缺乏某些生命周期阶段的数据，b）对能源GWP的截止点界定存在不确定性。后者对于评估现实世界中的综合电网非常重要，而非传统上既定，将不同能源分开评估的做法。

几项选定发电能源的GWP

[编辑]
电力供应技术的生命周期温室气体排放中位数（资料来源：IPCC，2014年）。[3]
根据IPCC2014年报告，以下为选定发电能源的生命周期二氧化碳排放当量（含反照率效应），[3][4]按 (克二氧化碳当量/千瓦时，gCO2eq/kWh)中位数递减顺序排列。
能源 最小值 中位数 最大值
目前已商业化的技术
煤碳 – 燃煤锅炉（英语：Coal burner） 740 820 910
天然气 – 复循环燃气炉 410 490 650
生物质– 专用 130 230 420
太阳能光电 – 公用事业规模 18 48 180
太阳能光电– 装置于建物屋顶 26 41 60
地热能 6.0 38 79
聚光太阳能热发电 8.8 27 63
水力发电 1.0 24 22001
风力发电 - 离岸 8.0 12 35
核能发电 3.7 12 110
风力发电 - 陆上 7.0 11 56
尚未商业化的技术
海洋能 (潮汐能及波浪能) 5.6 17 28

1 参见水库对环境的影响#温室气体（英语：environmental impact of reservoirs#Greenhouse gases）.

联合国欧洲经济委员会（UNECE）于2020年发表的生命周期温室气体排放数据，单位：gCO2eq/kWh。[5]
欧盟28国2020年生命周期二氧化碳排放当量（每千瓦时）。[5]
技术 gCO2eq/kWh
无烟煤 燃煤锅炉, 未装置碳捕集与封存（CCS）设备 1000
复循环燃气炉, 未装置CCS设备 850
超临界锅炉, 未装置CCS设备 950
燃煤锅炉, 装置CCS设备 370
复循环燃气炉，装置CCS设备 280
超临界锅炉, 装置CCS设备 330
天然气 天然气复循环锅炉, 未装置CCS设备 430
天然气复循环锅炉, 装置CCS设备 130
水力发电 660百万瓦 [6] 150
360百万瓦 11
核能 平均 5.1
聚光太阳能热发电 塔式 22
槽式 42
太阳光能 多晶硅薄膜面板, 地面装置 37
多晶硅薄膜面板, 屋顶装置 37
碲化镉薄膜面板, 地面装置 12
碲化镉薄膜面板，屋顶装置 15
铜铟镓硒薄膜太阳能面板, 地面装置 11
铜铟镓硒薄膜太阳能面板，屋顶装置 14
风能 陆上 12
离岸, 混凝土基础 14
离岸, 钢构基础 13

简写:

生物能源与碳捕获和储存

[编辑]

截至2020年，使用生物能源时配置有碳捕集与封存设施（参见生物能源与碳捕获和储存），是否可实现碳中和或是碳的负排放，目前仍在研究中，且存在争议。[7]

2014年IPCC报告发表后进行的研究

[编辑]

由于个别研究所使用的方法不同，对于不同燃料排放的估计所得数值范围很广。那些给予低端估计者倾向于将生命周期的某些部分不列入分析，而那些给予高端估计者经常对生命周期的某些部分，所使用的能源数量会做出不切实际的假设。[8]

自2014年的IPCC报告发表后，已发现一些地热能会排放二氧化碳（例如在意大利的一些地热能发电），到2020年代，对此的进一步研究仍在进行中。[9]

海洋能技术（潮汐能和波浪能）技术相对较新，迄今对其进行的研究数量仍少。现有研究所发现的一个主要问题是在设备维护成本似乎遭到低估，而此方面的影响可能很重大。在约180项海洋技术评估报告中显示，其GWP在15至105gCO2eq/kWh间变动，平均值为53gCO2eq/kWh。[10]在2020年发布的一项初步研究报告，显示海面下潮汐风筝技术的环境影响（GWP）在15至37克间变动（中位数为23.8gCO2eq/kWh），[11]略高于IPCC报告中提出的（5.6至28gCO2eq/kWh间变动，平均数为17gCO2eq/kWh）。

联合国欧洲经济委员会于2021年发布关于电力生产技术生命周期环境影响的报告，列入的有：资源使用（矿物、金属）、土地利用、资源利用（化石燃料）、用水、悬浮微粒、光化学臭氧形成、臭氧层耗竭、人体毒性（非癌症）、电离辐射、人体毒性（癌症）、优养化（陆地、海洋、淡水）、生态毒性（淡水）、酸化、气候变化。[5]

法国电力集团于2022年6月依照ISO 14040规范发布详细的生命周期评估研究，显示法国核能基础设施于2019年的排放低于4gCO2eq/kWh。[12]

计算和估计发电设施寿命的截止时点

[编辑]

由于风能、太阳能和核能的大部分排放不是在发电运行期间产生，如果它们运行时间更长，且在使用寿命内能生产更多电力，导致每单位能量的排放会更少。因此这些发电设施的寿命具有相关性。估计风力发电厂可持续使用30年：[13]而后需要将兴建新电厂所产生的碳排放列入。 2010年代的太阳能光电模组可能具有相似的使用寿命，但2020年代制造的太阳能光电模组（例如钙钛矿薄膜面板），人们还不清楚能持续使用多久。[14]有些核能发电厂可使用80年，[15]也有核能发电厂可能因安全原因而须提前除役。[16]截至2020年，估计全球有一半以上的核能发电厂将申请延役，[17]有人呼吁要根据《跨界环境影响评估公约（英语：Convention on Environmental Impact Assessment in a Transboundary Context）（1991年联合国欧洲经济委员会在芬兰签署的公约，并于1997年生效。）》对这些延役申请进行更详尽的审查。[16]

一些燃煤发电厂可能可运作长达50年，但也有燃煤发电厂可能会在20年[18]或更短时间内必须关闭。[19]根据于2019年发表的一项研究，透过技术经济评估（英语：Techno-economic assessment），将温室气体排放的时间价值列入考虑后，煤炭等碳密集型燃料的实际生命周期排放数字会大幅增加。[20]

供热的生命周期排放

[编辑]

在几乎所有国家的住宅供暖中，天然气炉产生的排放量都超过热泵的排放量。[21]但在包括英国的一些国家，2020年代中一直存在一场争论，焦点是在住宅集中供暖的做法，是否氢气较天然气为佳，或是否要更多使用热泵（或在某些情况下将规模扩充成为区域供暖）。[22]

化石燃气作为过渡燃料的争议

[编辑]
参见：中华人民共和国能源政策、印度能源（英语：Energy in India）和能源转型

截至2020年，印度、中国和德国等大量依赖煤碳作为能源的经济体正在争论是否应该使用天然气作为从煤碳和石油转为低碳能源的"过渡燃料"。[23]德国于其能源转型措施中宣布，在2038年之前保留燃煤发电厂，但核能发电厂须立即关闭，而因此进一步增加该国对天然气的依赖。[24]

未予计入的生命周期阶段

[编辑]
参见：输电网络

虽说估计每种能源的生命周期排放，应涵盖能源从摇篮到坟墓的所有阶段，而实际上的做法通常仅将建设和运营阶段计入。研究最为完整的阶段包括材料和燃料开采、建造、运营和废弃物管理。然而许多能源的生命周期评估都存在未列入的阶段。[25]有时会造成评估的结果各不相同，甚至发生不一致，包括能源供应设施达到使用寿命后因除役而发生GWP的估算。（例如将供电站所在恢复为绿地状态（英语：reenfield status）过程中产生的GWP）。例如水力发电大坝拆除过程通常被排除在外，原因是这情况很罕见，几乎无实际数据可资利用。然而随着大坝老化，拆除大坝将会变得普遍。[26]世界级大型水坝，如胡佛水坝和三峡大坝，虽然希望透过维护而能"永远"发挥作用，但此种时间估计难以数字化。[27]因此某些能源的估计中通常将除役部分省略，而有其他能源会在评估中将除役阶段列入考虑。

耶鲁大学于2012年发表的核能评估报告中，所提的核聚变碳排放为12gCO2-eq/kWhe（中位数，也是2014年IPCC核能数据的来源。[28]）值得注意的是耶鲁大学的报告及其数据中已包含核能发电设施除役的影响，即在完整的核能生命周期评估中包括有实施"设施除役作业"的GWP。[25]

即使是使用低碳的生物质能、核能或地热能的热力发电厂也会直接在地球的地球能量收支中增加热能。至于风力发电机，可能会改变水平和垂直的大气环流。[29]虽然前述两者均可能会稍微改变局部地区的气温，但与温室气体引起的的巨大气温变化比较，它们对全球温度造成的差异可能不易察觉。.[30]

参见

[编辑]

参考文献

[编辑]
  1. ^ Full lifecycle emissions intensity of global coal and gas supply for heat generation, 2018 – Charts – Data & Statistics. IEA. [2020-07-30]. （原始内容存档于2020-06-24） （英国英语）. 
  2. ^ Nuclear Power Results – Life Cycle Assessment Harmonization 互联网档案馆的存档，存档日期2013-07-02., NREL Laboratory, Alliance For Sustainable Energy LLC website, U.S. Department Of Energy, last updated: 2013-01-24.
  3. ^ 3.0 3.1 IPCC Working Group III – Mitigation of Climate Change, Annex III: Technology - specific cost and performance parameters - Table A.III.2 (Emissions of selected electricity supply technologies (gCO 2eq/kWh)) (PDF). IPCC: 1335. 2014 [2018-12-14]. （原始内容存档 (PDF)于2018-12-14）. 
  4. ^ IPCC Working Group III – Mitigation of Climate Change, Annex II Metrics and Methodology - A.II.9.3 (Lifecycle greenhouse gas emissions) (PDF): 1306–1308. [2018-12-14]. （原始内容存档 (PDF)于2021-04-23）. 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 Life Cycle Assessment of Electricity Generation Options | UNECE. unece.org. [2021-11-26]. 
  6. ^ "The 660 MW plant should be considered as an outlier, as transportation for the dam construction elements is assumed to occur over thousands of kilometers (which is only representative of a very small share of hydropower projects globally). The 360 MW plant should be considered as the most representative, with fossil greenhouse gas emissions ranging from 6.1 to 11 g CO2eq/kWh" (UNECE 2020 section 4.4.1)
  7. ^ Report: UK Government's net-zero plans 'over-reliant' on biomass and carbon capture. edie.net. [2020-05-04]. （原始内容存档于2020-08-12） （英语）. 
  8. ^ Kleiner, Kurt. Nuclear energy: assessing the emissions. Nature. September 2008, 1 (810): 130–131. doi:10.1038/climate.2008.99 可免费查阅. 
  9. ^ CO2 emissions from geothermal power plants: evaluation of technical solutions for CO2 reinjection (PDF). [2020-07-30]. （原始内容存档 (PDF)于2020-11-04）. 
  10. ^ Uihlein, Andreas. Life cycle assessment of ocean energy technologies. The International Journal of Life Cycle Assessment. 2016, 21 (10): 1425–1437. doi:10.1007/s11367-016-1120-y 可免费查阅. 
  11. ^ Kaddoura, Mohamad; Tivander, Johan; Molander, Sverker. life cycle assessment of electricity generation from an array of subsea tidal kite prototypes. Energies. 2020, 13 (2): 456. doi:10.3390/en13020456 可免费查阅. 
  12. ^ Les émissions carbone du nucléaire français : 4g de CO2 le KWH. 
  13. ^ WindEconomics: Extending lifetimes lowers nuclear costs. [2020-05-04]. （原始内容存档于2020-05-18）. 
  14. ^ Belton, Padraig. A breakthrough approaches for solar power. BBC News. 2020-05-01 [2020-05-04]. （原始内容存档于2020-05-03） （英国英语）. 
  15. ^ What's the Lifespan for a Nuclear Reactor? Much Longer Than You Might Think. Energy.gov. [2020-06-24]. （原始内容存档于2020-06-09）. 
  16. ^ 16.0 16.1 Nuclear plant lifetime extension: A creeping catastrophe. Bellona.org. 2020-03-30 [2020-06-25]. （原始内容存档于2020-06-21） （美国英语）. 
  17. ^ Planning for long-term nuclear plant operations - Nuclear Engineering International. www.neimagazine.com. [2020-05-04]. （原始内容存档于2020-08-07）. 
  18. ^ Cui, Ryna Yiyun; Hultman, Nathan; Edwards, Morgan R.; He, Linlang; Sen, Arijit; Surana, Kavita; McJeon, Haewon; Iyer, Gokul; Patel, Pralit; Yu, Sha; Nace, Ted. Quantifying operational lifetimes for coal power plants under the Paris goals. Nature Communications. 2019-10-18, 10 (1): 4759. Bibcode:2019NatCo..10.4759C. ISSN 2041-1723. PMC 6800419 可免费查阅. PMID 31628313. doi:10.1038/s41467-019-12618-3 （英语）. 
  19. ^ Welle (www.dw.com), Deutsche. Climate activists protest Germany's new Datteln 4 coal power plant | DW | 30.05.2020. DW.COM. [2020-06-25]. （原始内容存档于2020-06-21） （英国英语）. 
  20. ^ Sproul, Evan; Barlow, Jay; Quinn, Jason C. Time Value of Greenhouse Gas Emissions in Life Cycle Assessment and Techno-Economic Analysis. Environmental Science & Technology. 2019-05-21, 53 (10): 6073–6080. Bibcode:2019EnST...53.6073S. ISSN 0013-936X. PMID 31013067. doi:10.1021/acs.est.9b00514 可免费查阅. 
  21. ^ Johnson, Scott K. Few exceptions to the rule that going electric reduces emissions. Ars Technica. 2020-03-25 [2020-07-30]. （原始内容存档于2020-06-05） （美国英语）. 
  22. ^ Is hydrogen the solution to net-zero home heating?. the Guardian. 2020-03-21 [2020-07-25]. （原始内容存档于2020-08-04） （英语）. 
  23. ^ Al-Kuwari, Omran. Unexpected opportunity for natural gas. Asia Times. 2020-04-10 [4 May 2020]. （原始内容存档于2020-05-06） （美国英语）. 
  24. ^ Speech by Federal Chancellor Angela Merkel at the 49th World Economic Forum Annual Meeting in Davos on 23 January 2019. Website of the Federal Government. [2021-03-24]. （原始内容存档于2021-03-05） （英语）. 
  25. ^ 25.0 25.1 Warner, Ethan S.; Heath, Garvin A. Life Cycle Greenhouse Gas Emissions of Nuclear Electricity Generation: Systematic Review and Harmonization. Journal of Industrial Ecology. 2012, 16: S73–S92. S2CID 153286497. doi:10.1111/j.1530-9290.2012.00472.x 可免费查阅. 
  26. ^ A Record 26 States Removed Dams in 2019. American Rivers. [2020-07-30]. （原始内容存档于2020-08-07） （美国英语）. 
  27. ^ How long are dams like Hoover Dam engineered to last? What's the largest dam ever to fail? 互联网档案馆的存档，存档日期2014-08-04.. Straightdope.com (2006-08-11). Retrieved on 2013-02-19.
  28. ^ http://srren.ipcc-wg3.de/report/IPCC_SRREN_Annex_II.pdf 互联网档案馆的存档，存档日期2013-06-27. pg 40
  29. ^ Borenstein, Seth. Harvard study says wind power can also cause some warming. Science. 2018-10-05 [2018-10-10]. （原始内容存档于2018-10-11）. 
  30. ^ Marshall, Michael. No, Wind Farms Are Not Causing Global Warming. Forbes. [2020-07-30]. （原始内容存档于2020-09-24） （英语）. 

外部链接

[编辑]
检索自“https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=能源生命週期溫室氣體排放&oldid=83723705”