能源生产对大气温室气体浓度的影响.pdf

特写 能源生产对大气温室气体浓度的影晌 能源体系必须调整，以减少二氧化碳排放 E. Lansiti和F.Niehaus 地球接受太阳的辐射能，它的表面温度是由接受 的能量和辐射回空间的能量之间达到平衡时的状态决 定的。要是没有大气层的温室效应，这种平衡会在全 球平均表面温度为-19摄氏度t时达到.然而， 温室气体一一诸如水蒸气包括云、二氧化碳 CO 2 、甲皖CH 4 、氧化亚氮N 2 0 、臭氧 0 3 和含氯氟怪CFC.以及重要性较低的其他一 些痕量气体一一会捕集从地球表面外逸的红外辐射. 这与温室中的情况没有多大差别，温室的窗玻璃让太 阳辐射进来，但捕集向外发射的大部分红外辐射，因 而增加了温室内部的温度。这就是大气层中的这种现 象被称为温室效应的原因所在。正是这种效应，使地 球表面的平均温度能够维持在16t左右，从而允许 生命繁衍. 全球变暖温室效应“ 自从工业革命以来，温室气体的浓度一直在稳步 增加。目前人们有一种相当一致的看法，认为这将引 起大气层捕集的热量增加，导致全球气候变化.可 能性较大的变化是气候带向两极移动和海平面升 高。*雨量分布型式也可能会有变化，还可能出现 更加极端的天气条件.这将严重地影响许多国家的生 Niehaus先生是IAEA核安全处安全分析科科长.Iansiti 先生是与该处有联系的专家. * The Greenhoωe Effect , Climatic Change , and Ecosystems , SCOPE 29 published on behalf of the Scientific Committee on Problems of the Environment SCOPE of the Intemational Council of Scientific Unions. with support of the United Nations Environment Programme and World Meteorological Organization May 1988 . 12 活，尤其是世界的粮食生产。 目前，温室气体收支表中的来源项和“去处“项. 都杳很大的不确定性，不仅CO 2 和CFC如此， N 2 0、0 3 和CH 4 的不确定性更大。此外，由若干种 自然原因其中的许多种还未曾定量地了解清楚引 起的气候变化，或多或少地掩盖了温室气体浓度增加 导致的大气变暖现象。*见附图.另一些比较重 * Schutz der Erdatmosphre , eine Internationale Herau矿orderung，Zwischenbericht der Enqute--Kommis sion des 11. Deutschen Bundestages. Bonn 1988 . 大气中二氧化碳浓度和相对的温度变化 -uo Mm 提出 4 平 H 栅门 000 阳 280 Q, 260 Q, d 2.5-, -42。 “- -430 逞。-1 -44。 湖-4回 富-2.51原4回 -5.0才-410 茨-4回 -1.51 -49。 -10。 -500 。40 80 120 111。 时间倒退的千年数 来源SchutzdeT ETdatmosphllTe. eine Internationale He.TausfoTdeTung . Zwischenbericht der Enqute-Kommis siond臼11.Deutschen Bundestages. Bonn 1988 . 这些变化趋势是利用冰芯样晶的.蟹反推出来的，样 晶是苏联设在南极洲的Vostok蜡采集的.温度是利用 11{方法估算出的. 国际原子能机构通报1989年第2期 特写 要的不确定性是由可以抵消或放大温室气体效应的那 些因素的反馈作用引起的.这些因素有云量‘工业中 愈来愈多地生产的温室气体各种海洋过程。这些不确 定性不利于作出减少温室气体排放量的决定.它们甚 至会使人觉得，最好在反馈作用变得更为清楚，分析 模型得到进一步确证之后，再做出决定.不幸的是， 温室气体在大气层及其毗连部分海洋、生物圈中 的寿命极长;如不使目前的这种释放速度大大降低， 温室气体的浓度还会继续增加.此外，海洋和其他反 馈机制，使温室气体排放引起温度及其他气候变量明 显变化的延迟时间长达100年.显然，目前已经发生 的种种变化都是不可逆的。因而我们可以讨论已释放 到大气中的温室气体会对今后气候发生何种影响. 基于这个缘故，许多国际会议一直建议各国尽快 采取措施，减少排放。 能摞生产，尤其是燃烧化石燃料的能源生产，在 温室气体的生产性释放中占有重要地位。这已促使人 们讨论核能在减少温室气体的生产方面所能起的作 用。化石燃料的燃烧，每年大约排放200亿吨CO 2 。 核电厂发电则不排放CO 2 或其他温室气体。用一套 100万千瓦的核电机组顶替同等功率的燃煤电厂，每 年可以少排放600万吨左右的C0 2 0全世界正在运行 的全部核电机组现在每年能少排放16亿吨CO 2 主要的温室气体 与温室效应有关的气体有两类温室气体，诸如 CO 2 、CH中N 2 0、CFCll和CFCI2，它们捕集从 地球表面逸出的热量并使之返回地面，从而使地球变 暖。0 3 也吸收直接的太阳辐射场和红外辐射场中的 能量。;可发生化学作用的气体，诸如一氧化氨、一 氧化碳、起自由基等，它们影响温室气体的浓度. 下面对这些主要的温室气体做些简单介绍，它们 在使全球变暖方面的作用超过95。在估计温室气 体的排放量时，必须明确地区分是自然的平衡循环排 放，还是干扰这种平衡的人类活动引起的排放.相对 说来较小的人为排放却能严重干扰各种温室气体流通 量的自然平衡。 二氧化碳.目前大气对流层中的CO 2 浓度已增 加到年平均值350ppmv 体积百万分率.在北半球 中，每年的周期性变化量最高达到15ppmv. 见附 图.浓度的变化主要起因于陆上光合作用的经常性 变化，少部分起因于海面温度的年变，这种变化影响 气体在海水中的溶解度.海洋内光合作用的变化也 国际原子能机构通报1989年第2期 g g; 340 曾因 章量3拥 毯 全d W 320 11 大气中二氧化碳的浓度.1师8-1986量在 1960 1965 1970 1915 1980 1985 年 来源Schulz der Erdalmosp归时eineInternationale Herausforderung , Zwischenbericht der Enqute-Kommis sion des 11. Deutschen Bundestages. Bonn 1988 根据在夏威夷纳罗蓝的观察，月平均值和年平均值 的变化与光合作用和海面温庭等季节性因素有关. 有影响，但不大。人们已用分析截留在冰中的空气的 办法，追踪到了以往大气中的CO 2 浓度。总的趋势 表明，在工业革命和农业活动扩大之前，CO 2 浓度 为275士10ppmv;目前每年增加1.5士0.2ppmv或 0.4. * 见附图0 CO 2 的循环是相当复杂的，而且自然的来源和去 处比人为活动引起的大得多。见附表碳是地球生 物的关键元素。它在大气及其紧密毗连部分海洋七 层、生物圈中的滞留时间很长，约为若干世纪。在 *见上页注The Greenhouse Lffect , Climatic Change . and Ecosystems SCOPE 29 . g Q., Q., 340 利用冰JII冰块测量结果得到的 过去200多年内大气中二氧化碳的浓度 、32。 量目 草草 草3田 麟 280 1700 1750 1800 1850 1900 1950 200。 年 来源Nefte1et al.. 1985 as cited in How much CO 2 wil\ remain in atomosphere \by B. Bo\in The Greenhouse Effecl , Climalic Change, and Ecosyslems SCOPE 29 May 1988. 13 特写 全球每年二氧化碳的来源与去处 自然来源 海洋来源 陆地米源 自然来源合计 10 9 t I a -376-390 - 32---440 -619 408-830 人为来源 化-6燃料使用 陆地生物使用转化 人为来源合计 - 16-20 。一\0 - 22 1 6-30 - 642 424-860 来源总计 去处 海洋吸收 陆地植物初级生产 J争吸收 去处总计 -389-396 -183-257 -612 572一-653100 百分数 -60 -36 -96 、 3E 且 A 斗 \00 -64 -36 来源asedon A primer on greenhouse gases. US Department of Energy March 1988 and “Energy. c\ima钮，environment“ , Energy and c/imate change What can Western Europe do . Directorate General for Environmental Protection, Netherlands February 1988 , 全球每年甲皖的来源与去处 吨，， a04 ，，，， OZJ 句 300rozJAυ- hNHU[ 」 -LM ← Hm -Ero 。“ LI 合 源物源来动带来然地蚁洋生泊主他然自湿向海野湖冻其自 人为来源 养牛-40一110 生物燃料燃烧-30一110 稻田-40-一\00 天然气及开矿泄漏-25一75 人为来源合计- 265 1 35-395 来源总计-462 212一712 去处 对流层中与程自由基反应-250---450 平流层中与起自由基、- 30-70 氯.氧反应 t壤中微生物摄入-5一15 去处总计-4\0 285-535 百分鼓 -24 - 5 - 2 -1989年第2期 特写 非能源50 全球变陋的原因 、3 氧化亚氮 3 按燃料分列的全球总排披量.1950--1986年 6 量5 G队 。4 - 幅 4 寸礼军出雷送回跚仆 1956 1962 1968 1974 1980 1986 年 注。总量包括天然气喷燃租水泥牛产的排放量. 来自申、CarbonDioxide Ination Analysis Center. Oak Ridge National Laboratory. USA o 二氯化碳排披量1950--1986年 o 10 20 30 40 50 o 2 3 4 5 6 1986 1950 1美国1 2苏联2 3中国10 4 日本9 5德意志联邦共和国4 6联合王国3 7印度 13- 8波兰8 9加拿大7 10法国5 11意大利17 12南非14 13德意志民主共和国6 14墨西哥 2 1 15捷克斯洛伐克 _ 1950年数值 16澳大利亚15 17罗马尼亚25 1986年数值 18巴西24 19西班牙18 20大韩民国53 o 10 20 30 40 50 o 2 3 4 5 6 世界二氧化碳各国人均排碳吨数 占总排放量的百分数 来源CarbonDioxide Ination Analysis Center. Oak Ridge National Laboratory. USA o 国际原子能机构通报1989年第2期17 特写 按地区和经济部门分列的1984年碳排放量 百分数四舍五入值 工业运输业其他发电业 能源生产总ij 行业自用*1 0 6 t 亚洲38 II 21 26 3 642.54 非洲28 20 II 40 136.31 拉丁美洲23 32 12 19 15 203.69 OECD 23 24 17 28 8 2622.00 CMEA 21 8 17 43 11 1378.94 总it24 18 17 32 8 498 3.48 *分配及转化损失的二次能源. 注非洲地区包括非洲的17个国家加上伊朗1982数据及阿尔及利哑1982数据.亚洲地区包括亚洲的15个国家加上中国1980数据及中罔. 台湾1984数据.拉丁美洲地区包括16个国家加上墨西哥1982数据.经济合作与发展组织OECD数据涉及25个国家;经济合作与互助委 员会CM川包括7个国家某些国家未被考虑或只是部分被考虑它们是阿尔及利亚黎巴嫩阿拉伯利比亚民众国南非伊朗朝鲜民主 主义人民共和国及叙利亚. 来源Energybalances and electricity profiles. United Nations 1982 for Africa, Asia, and Latin America data; Energy balances 1970-85. Organisation for Economic Co-operation and Development OECD for OECD data; Energy balances for Euro严andNorth America 1970-2000. UN Economic Commission for Europe. for data on Council for Mutual Economic Assistance CMEA countries. 来源T.Moller consultant. IAEA Planning and Economic Studies Section, Division ofNuclear Power. CO 2 排放量减少20的目标，是何等艰难。显然， 只有所有国家共同努力.CO 2 排放量才能被稳定下 来。不过，由于各国技术能力和替代能惊资源等方面 的情况不同，出现不同的战略也是不可避免的。 搜行业分列的CO 2 排放量。CO 2 排放量的另一 个重要侧面是其按经济部门的分布情况。发电业对 CO 2 的排放起着重要作用。见附表。就全世界而 言CO 2 排放量的1/3左右来自发电业1/4左右 来自工业;来自运输业的不到1/5;来自其他活动 包括服务业、农业和家庭的也不到1/5;来自转 化损失和能源加工工业自用的不到1/10。发电业所 占百分数因地而异拉丁美洲最低，为19;经济 互助委员会CMEA国家最高.，达到43。 长期以来，发电量一直在以比国民生产总值 GNP或能源产量高得多的速率增长。在OECD 国家.1973一1985年的能源总产量仅增加4.而 发电量却增加了39。就全世界而言，同期发电量 国民生产总值、能源和电力的增长情况.1973-1985年 全世界 OECD 18 国民生产总值 42 33 能源 29 4 电力 57 39 增加了57.见下表。 可供选择的控制CO 2 排披量的政策方案 鉴于这些趋势，人们普遍认为，再也不能继续做 增加大气温室气体，尤其是CO 2 其最大来源是化石 燃料的燃烧的这种“全球性实验“了。记住以下事 实是重要的，能源体系的大规模发展有一些明确的历 史趋势，即使象石油危机之类的干扰，也只能使这些 趋势发生相当轻微的变化。只要看一下能源投资的 “周期“和它们与工业及经济发展的关系便可知道， 要在短时期内改变这种历史趋势是不可能的也是人 们不愿意的。 只有立即采取一套相辅相成的措施，才能使CO 2 问题得到解决。互相搭配起来的这套措施，每一项都 应该对这个问题的解决作出一份贡献。从总体上看， 这些措施也应该是比较灵活易变、对经济发展的干扰 较少的。如果某些步骤从其他方面考虑也是正确的 例如，降低其他温室气体和大气污染物的排放量， 或减少废物的产生量.那这些措施就能起到事半功 倍的作用。 不过，应该指出，即使温室气体保持目前的这 种排放量也就是让它们继续以现在的速率进入大 气.也并不能阻止大气层中的这些气体浓度继续 国际原子能机构通报1989年第2期 特 增加。现在还不知道，浓度增加多少是允许的。鉴于 这个系统有很大的惯性，因此最重要的是要使这样快 的增加速度慢下来，并在生活方式、工业开发和能源 生产方面引人一些变化，为采用各种灵活的响应战略 创造条件.这样一些战略有可能随着对这个问题的理 解的加深，而逐步加强和加速.在这方面，气候变化 政府间委员会IPCC正在探索一些景象的蕴涵。 这些景象设想，到2030、2060和2090年时，大气 CO 2 浓度连续翻番，还设想了一个2060-2090年大 气CO 2 浓度不增加的景象. 能源体系必须进行改造，做到每产出一单位能源 服务效果所排放的CO 2 较少. 为达到这个目的，可供选择的基本方案有 史有效地利用破基一次能源.这也能导致较少 地排放与能源有关的各种温室气体. 从煤变换到籍放CO]较少的燃耕.这种“燃 料变换“也能导致踩境污染的减少.不过，这种做法 对CO 2 以外温室气体的影响相当小.变换到天然气 将导致CH 4 排放量增多天然气损失量一般估计为 销售量的1，而每个CH 4 分子作为温室气体的效 力则是CO 2 分子的32倍. 使用核能.核能不排放任何温室气体.除发电 外，核能的未来应用将扩展到为工业和其他用途生产 工艺用热，为运输业生产不产生温室气体的特种燃 料. 使用可再生能源例如太阳能、风能和生物量 能。可再生能源不排放温室气体.目前，这些技术 的经济性尚未过关，而且，如果技术上没有重大突 破，它们的利用也只能限于分散的小规模应用.但 是，在条件较为有利的国家，这些能源的总数量是相 当可观的. 执行各种缓解战略.它们包括重新植树造林， 把CO 2 排入深海水域或枯竭的油田或天然气即中等 多种措施。 一个国家应该采取怎样的一套措施应该把重点 放在哪里这主要取决于它们的技术发展水平和拥有 什么样的替代能源资源. 事例分析。例如在美国，最近15年中的CO 2 排 放量一直是稳定的.与每单位经济产出相对应的CO 2 “排放效率“已提高约20.也就是说，比排放量已 从每10亿美元1982年美元GNl的47万吨下降 到35万吨*这主要是通过提高能源利用效率、增 加电的使用范围和大量增加核电取得的. 国际原子能机构通报1989年第2期 写 德意志联邦共和国-次能源消费量，电力总消费量 和国民生产总值的发展趋势.197子斗985每 140 130 120 110 100 ，。 1973 74 1973 0 100 电力J总消费量 n n n n s 年 来源Energy Report 01 the Government 01 the Federal Republic 01 Germany , Federal Ministry of Eωnomlcs. Bonn 1 986. 这种变化是在尽量降低戚本和环境影响的思想指 导下发生的，当时头脑里并没有明确地想到要专门把 CO 2 的排放量降到最小. 在德意志联邦共和国，也可以看到类似的变 化** 1973一1985年期间，GNP增加126 , 而CO 2 排放量则下降-11.这种变化是在能源 的生产和使用方面采取了下列措施后取得的。 史有效地，利用能源。尽管GNP有很大增加， 但一次能源的总消费量只有少量增减，基本保持不 变。见附图J与这种变化并存的一个现象是，电力 需求急剧增加.这种电气化趋势，是全世界尤其是 OECD国家正在发展的反映。通过改用效率更高的 产品和服务，工业方面实现了节能.在室内取暖和石 油消费方面，也实现了节能.尽管采用了更有效地利 用电力的方法，但电力消费量还是增加. 燃料变换。1973年，按所有燃料平均的CO 2 比排放量，比如果全部用煤满足所有能膏、需求时可能 达到的值低13.1985年，由于减少了石油和煤的 *. Energy and the greenhouse effect. , Science Concepts, Inc., Washington, DC March 1989. “基于SCOPE29 参见第12页注报道的数据及 Energy Report 01 the Govemment 01 the Federal Republic 01 Germany , Federal Ministry of Economics , Bonn 1986. 19 特 使用量，同时增加了天然气和核电的份额，这个差值 增加到24。 使用核电。核电在一次能源产量中的份额，从 1增加到II。 这些变化也是在没有打算把CO 2 排放量降到最 低的情况下取得的。然而它们表明了，如果采取并进 一步加强上述基本政策，降低CO 2 排放量的潜力是 很大的。 政策方面的推论及核能的作用 当然，从美国及德意志联邦共和国的实例中得出 的政策，比较适合于工业化国家，对于发展中国家的 适用性就差些，这一点是很清楚的。发展中国家将来 需要而且目前正在计划大量增加主要基于化石燃料的 一次能源消费量。由于工业化国家要对大气中二氧化 碳含量的增加负主要责任，所以他们有“超比例“减 少CO 2 排放量的义务。对于气候条件比较有利的发 展中国家，应设法使用可再生的能源资源。 核能对解决CO 2 问题可以作出重大贡献。与同 等功率的燃煤电厂相比，每套电功率为tOO万千瓦的 核电机组，每年可少排放600万吨左右的CO 2 。合起 来说，全世界430套核电机组现在每年能少排放大约 16亿吨CO 2 ，即目前CO 2 总排放量的8。这个数 字大体上等于多伦多会议提出的减少目标的40， 由此可见，这确实是相当可观的。如果靠重新植树造 林来达到同样的效果，则需要大量的土地。例如在德 意志联邦共和国，在林木枝叶生长过程中，每公顷森 林每年可吸收约3吨碳。在气候条件更好的地区，此 值可以加倍。也就是说，每公顷森林可以依气候条件 的不同每年从大气中吸收10至20吨CO 2 。因此，为 了吸收一座100万千瓦核电厂与同等功率的燃煤电厂 相比少排放的那部分CO 2 ，需要300--6000平方公 里的森林。因此，与目前所有核电厂少排放的16亿 吨CO 2 相对应的森林面积约为10仆-200万平方公 里，或者说相当于德意志联邦共和国领土面积的4- 8倍。这还没有考虑枯死树木如果不埋藏且与空气隔 绝就会因氧化作用而产生的C0 2 0 鉴于电力消费量的迅速增加，许多国家虽然不 是所有国家仍有发展核电的巨大潜力。当然，如 果核电的装机容量超过目前容量一倍以上，则对核 安全、核燃料循环设施及国际安全保障体系来说都是 一种新的挑战。此外，为了使核动力对发展中国家 更有吸引力，还需要做许多工作，甚至包括帮助解 20 写 决集资方面的困难及在核燃料循环各个阶段上进行 更好的国际合作。 考虑到工业化国家对CO 2 问题负有特殊的责任 及他们的技术能力，他们有义务更广泛地利用现有类 型的反应堆，并比较快地使容量较小的新型反应堆过 关，这类反应堆应以比较简单且标准化的技术为基 础，并更多地应用非能动安全设施。目前正在开发的 此类设计种类繁多，其中包括高温反应堆，估计它们 将在几年内投入使用。在对废物处置、燃料供应及防 止核扩散等问题作了反复考虑之后，最终或许有必要 开发以不同技术和不同燃料循环特征为基础因而差别 很大的多种设计。这一政策或许也有助于至少是部 分地解决公众的认可问题。 结论 鉴于这个问题的重要性，因而有必要立即采取 行动，尤其是费用少效益高及从别的环境和经济角度 看也是正确的那些行动。 应选择能使目前已有的好趋势进一步加大，因 而对社会发展破坏性最小的那些方案。 所有国家，尤其是工业化国家，应严格地奉行 以下的政策，即有效利用碳基一次能源、燃料变换、 在条件合适的地方使用核能，及在条件比较有利的地 方使用可再生能源。 必须根据每个国家的技术能力、经济状况、可 供选择的替代能源方案以及过去排入大气的CO 2 量，确定各自在减少CO 2 排放量方面应作出的努 力。 更有效地使用能源、燃料变换及使用核能，除. 了对减少CO 2 排放量会有好处外，从环境的其他方 面看也是令人满意的。 关于全球气候变暖问题，现在尚无定论。问题 也许比现在估计的更严重些，也许更轻些。因此，现 在采取的策略要允许将来能够加以调整，这一点十分 重要。尤其是这里涉及到核能，因为将来或许有必要 建造大量的反应堆。因此，工业化国家应高度优先地 使新型核技术过关。 ，工业化国家应努力帮助发展中国家减少 CO亏 排放。在使用CO 2 “排放效率“较低的那些技术的地 方，这样做费用少效益又特别高。 除了要减少能源生产方面的温室气体排放外， 还必须采取一些补充措施，避免其他来源释放 温室气体。 国际原子能机构通报1989年第2期