资源环境约束下的发电方案比较

满足资源节约和环境保护要求的电能供给有两条可选择路线。一是继续保持以煤电为主的电源结构。伴随而来的将是煤炭生产利用过程中造成的环境污染以及煤炭资源的大量消耗等一系列问题，若选择此路线必须通过降低煤电生产过程中污染物的排放系数来改善环境。二是优化电能结构，以水电、核电以及其他可再生能源发电为替代电源，逐步建立高效、洁净和持久的电能供应系统。本节主要通过比较其他发电方案，来分析新能源发电自身的优势。

4.1.1 绿色煤电发电

绿色煤电技术是以整体煤气化联合循环（integrated Gasification combined cycle，IGCC）和碳捕集与封存（carbon capture and storage，CCS）技术为基础，以联合循环发电为主，并对污染物进行回收，对CO2进行分离、利用或封存的新型煤炭发电技术。

IGCC是将煤气化与联合循环相结合的一种高效、清洁发电技术。我国从20世纪70年代末就开始进行IGCC发电技术的前期研究。但由于系统较复杂，提高可靠性的技术难度较大，价格昂贵，一直未得到示范（蒋敏华，黄斌，2012）。国外的该项技术也大多处于试验阶段。因此，该项技术从技术上和经济上尚未具有发展可行性。CCS是指一个从工业和能源相关的生产活动中分离CO2，运输到储存地点，长期与大气隔绝的过程。该项技术不仅可以对气候变化产生作用，使被捕获的CO2可以变废为宝，将石油的采收率提高至40%～45%，从而具有一定的商业价值。

但是CCS技术存在的最大不足有以下几个方面。

（1）碳储存存在安全隐患。CO2必须依靠地层的压力维持液体状态，否则就会挥发到空气中，因此CCS技术中碳储存的关键是防泄露。封存CO2的地层受地质变动影响必然存在泄漏的安全隐患。

（2）碳捕捉效果不理想[1]。以平均一年约排放400万吨CO2的电厂为例，碳捕集系统能够捕集其中的0.075%，约3 000t，而捕集能耗占电厂能耗则在30%以上。显然捕捉效果不理想。根据国际能源机构的估计，到2050年，CCS要想对缓解气候变化产生显著影响，至少需要有6 000个项目。

（3）捕捉成本高。以30万k W规模的电站、一年捕集100万吨CO2为例，一旦加上CCS装置，投资几乎要增加一倍以上，导致电价成本提高20%～30%。在电力需求不变的情况下，如果在煤电设备上加装碳捕捉设备，每年碳捕捉设备的安装率占当年煤电装机容量的2%，到2050年CCS安装累积比例达到10%，那么每年付出的投入成本相当大，见表4.1，发展中国家难以承受。因此，除非有实质性的技术突破，降低投入成本，否则，经济上就不具备可行性。

表4.1 至2050年碳捕捉技术投入成本

注：取国际能源组织《世界能源展望（2008）》公布的碳捕捉技术安装成本的上限60美元/k W。

另外，用煤发电的原因之一是煤炭价格便宜，通常相同热值下，国际天然气、原油的价格是煤的2～3倍。在低碳经济时代，CCS技术的大规模推广并不能起到减少煤炭消耗的作用，反而加速了煤炭资源短缺。而且解决碳排放问题，重点应放减少经济发展中的能耗，而不应该是耗能之后再去解决减排问题。

4.1.2 水力发电

水力发电是通过筑坝将位于高处的水向低处流动时的位能转换为动能，推动设在水道低处的水轮机而转动，带动发电机转动，将机械能转换为电能。其优点是可持续利用、发电成本低。水力发电不用花钱买燃料，操作管理人员少；大中型水电站一般有防洪、供水、灌溉、航运、养殖、环境、旅游等综合经济效益。

从开发潜力看，我国水能资源理论蕴藏量、技术可开发量和经济可开发量均居世界第一位。但是由于水电受水资源季节性变化而波动较大，中国水电资源开发基本饱和。从2013年全国水利资源复查成果看，我国水力资源理论蕴藏量平均功率为69 440万k W，技术可开发装机容量为54 164万k W，经济可开发装机容量为40 180万k W。2015年，我国水电装机已经突破3亿k W·h，水电开发程度为27.7%（按发电量计算）。从1990—2015年的历史数据看，水电占总发电量的平均比例仅为17.1%，进一步开发的潜力不大。

此外，某些水电开发对生态环境可能会产生以下不利影响。

（1）水库淹没加剧移民安置，增加库区人地矛盾。移民安置不当容易造成库区乱垦滥伐，加剧水土流失，导致局部地区环境质量和移民生活水平下降。

（2）有些水库会淹没珍稀动植物的生存地及文物古迹：回游性鱼类的回游通道被切断，原河道内的产卵场被淹没，下游产卵场因水文情势的改变而受到影响。

（3）水库可能引发诱发地震及其他环境地质问题，如地下水位变化和库岸稳定等。

总之，水电资源尽管丰富，但受水资源不稳定以及水电开发对生态环境破坏等影响，水电进一步开发的潜力不大，较难成为未来中国电能的发展方向。

4.1.3 核能发电

核能发电是利用核能将反应堆中的水加热产生蒸汽，在蒸汽的推动下，汽轮机带动发电机转动产生电能。核能发电的缺点如下。

第一，核辐射安全隐患高。电站核反应堆在运行过程中，由于核燃料裂变和结构材料、腐蚀产物及堆内冷却水中杂质吸收中子均会产生各种放射性元素。少量的裂变产物可通过核燃料元件包壳裂缝漏进冷却剂或慢化剂，排入环境。以一座100万k W的压水堆核电站为例，每年排入环境的放射性物质为放射性惰性气体（如氙-133、氪-85等）、气溶胶氚200Ci（1Ci相当于3.7×1010Bq）和13 110.05～0.5Ci；排入环境的放射性液、氚2000Ci，其他核素（除氙以外）总放射性约为8Ci；产生各种低放射性固体废物550m3，放射性含量2 375Ci。核电站反应堆发生事故时，大量放射性物质会通过各种途径，经过一系列复杂的物理、化学和生物的变化过程到达人体。例如，1986年切尔诺贝利核事故，仅一天就有20～22兆Ci的放射性物质排入大气。国际原子能机构2005年的报告称共约有4000人最终因这次核事故带来的疾病而死亡。日本福岛核事故2011年3月11日发生，3月16日首次危害到人体。4月17日，福岛第一核电站附近海水中的碘-131含量超过正常标准的6 500倍，核电站附近的铯-134和铯-137也超过标准4倍以上。2013年时附近海域仍经常被检测出含有辐射物。

核电站所产生的放射性物质一般是不允许泄漏到环境中的，运行时严格控制三废的排放，要求满足核不扩散要求的约束，即核电站反应堆中生成的钚-239受控制。这样，核电站在正常运行时对周围环境的影响是很小的。例如，一座100万k W核电站在正常运行中排放出来的稀有气体和微量放射性物质使附近居民受到的辐照剂量每年不到0.02HSv；而一座相同功率的燃煤电厂，通过烟囱排放的烟灰中仅镭、钍等放射性元素，使附近居民受到的辐射剂量每年接近0.05HSv。因此，核电站对环境的影响更多地来自于对核电站可能发生的核泄漏事故的预期以及对核能本身的恐惧心理上。

第二，铀资源储量较低。按照国家发展和改革委员会发布的《国家核电发展专题规划（2005—2020年）》（2007），到2020年，核电运行装机容量将达到4 000万k W；核电年发电量达到2 600亿～2 800亿k W·h。据了解，除去核电站新开工期需填装的燃料，每百万千瓦机组一年消耗160～180t铀。按照核电运行总装机到2020年4 000万k W算，每年大约需耗铀超过6 400t。在国际原子能机构发布的2009年版铀红皮书《2009铀：资源、产量和需求》中，中国探明的铀矿储量只有17.14万t[2]。显然，有限的铀资源储量已经限制了核电的发展。

第三，核电建设投资费用比常规能源发电高。见表4.2，如果核电所占比例为3%，则至2020年需投入242.4亿美元，而至2050年，则需累计投入1 008.3亿美元。

另外，因核燃料的特殊性，核电站特别容易成为恐怖袭击的对象或战争时期地方攻击的目标。为保证社会供电需求的3%，也就是要求核电累计比例为3%，按照估算，至2050年，需要大约34座核电站。如果核电比例增加6%，则核电站的发电比例到2030年将达到30座。30座核电站，一方面对社会的安全造成了影响；另一方面受我国铀浓缩资源技术的限制，核电发展前景并不乐观。

表4.2 核电增加累计容量和成本

注：①核电投入成本取国际能源组织（2005）公布的核电技术的投入成本1 000美元/k W；②标准核电站装机容量参照秦山核电站，300万k W。

4.1.4 新能源发电

新能源发电主要包括风电、太阳能发电、磁流体发电、潮汐发电、海洋温差发电、波浪发电、地热发电和生物质能发电。目前风电、太阳能发电是应用最广泛、技术相对成熟、最有发展前途的技术。风力发电即利用风力推动风车带动发电机发电。太阳能发电有两种方式：一是利用聚热装置将太阳热能聚集并加热水管中的水使其产生蒸汽，进而带动涡轮发电机发电；二是利用太阳能光发电将具有光电效应的硅材料制成太阳能电池板，通过接受太阳光能的照射将光能转变成电能。至于生物质能、开发海洋的潮汐能以及利用温差发电的技术都还处于实验阶段，短期内不太可能被实际应用。

风能资源储量丰富。根据中国气象局第四次风能资源普查结果，我国离地50m高度陆地上风能资源潜在开发量为23.8亿k W，近海5～25m水深范围内风能资源潜在开发量约为2亿k W。华北、东北、西北以及东南沿海地区、沿海岛屿潜在风能资源开发量约占全国的80%[3]。太阳能资源十分丰富。据估算，1971—2000年我国陆地表面年均接受太阳总辐射量相当于1.7万亿吨标准煤[4]。新能源发电技术日益成熟。从资源储备来看，风能和太阳能发电具有天然优势，且风电和太阳能发电对环境造成的污染较少。

综上，煤电设备加碳捕捉封存技术经济不可行，而且并没有减少煤炭资源；水电开发基本饱和，缺乏大力开发潜力；核电的铀资源有限和核辐射具有安全隐患。相比较而言，这些方案并不具有长远发展潜力。新能源发电具有资源、环境方面的天然优势，具有得天独厚的发展优势，是满足未来资源节约和环境保护要求的电能供给的理想方向。

[1]网易．应对气候变暖：关注碳捕捉与封存[EB/OL]．http://news.163.com/special/00013T6M/ccs.html.

[2] 资料来源：刘增洁．2009 年世界铀资源、生产及供需现状．http://www.mlr.gov.cn/zljc/201008/t20100823_744184.htm ［2010-8-23］.

[3] 中国电力企业联合会．中国新能源发电发展研究报告[EB/OL].http://www.cpnn.com.cn/zdzgtt/201203/t20120313_401497.html ［2017-3-10］.

[4]同②。