核能的生命週期碳排到底有說少呢?

核能議題

*封面圖片:Energy Balance of Nuclear Power Generation
Life Cycle Analysis of Nuclear Power : Energy Balance and CO2 Emissions
(Summary)


文/Tony Yen (媽盟特約撰述)

核能的生命週期碳排到底有說少呢?
能源系統碳足跡計算方法學簡介

討論氣候政策的時候,電力部門的碳排一直是很重要的一環。而討論電力部門碳排的時候,「核能是低碳能源」的論調常常出現,來試圖支持核能在深度低碳路徑的必要性。然而實情真是如此嗎?今天我們就來深入討論核能的生命週期碳排。

從搖籃到墳墓/搖籃、完整生命週期都必須考慮!

參考目前對於核能生命週期碳排的研究,可以發現得出的結果大致落在每度電4到220克二氧化碳當量之間。因此,跟各種化石燃料相比,核能的生命週期碳排相對較低應該是沒有太大的爭議。然而部分研究顯示了遠高於再生能源生命週期碳排的結果,代表不同研究在分析碳排時方法學可能有所差異。

核能發電的生命週期碳排研究結果有很大的落差。圖片來源


在英國倫敦帝國大學物理學教授Keith Barnham於2015年寫過的一篇文章中,詳實地說明為何核能生命週期碳排的研究結果會有如此大的落差。

核能的生命週期中,總共有五個主要階段:營建、運轉、燃料製成、除役、廢棄物處理。其中由於核能在除役跟廢棄物處理這兩個階段的參考經驗不足,所以特別難估算,甚至有些研究直接忽略不計;同樣不易估算的還有燃料製成階段,這部份受到鈾礦中原鈾濃度高低而會有很大的差別。相較之下,大部分的再生能源生命週期並沒有這些不確定性較高的階段。

核能發電的完整生命週期。圖片來源


Barnham指出,把五個階段都完整考慮的研究,得出的核能生命週期,有一半會落在每度電50克二氧化碳當量的碳排以下,有另一半則會超過50克以上。由於每度電50克二氧化碳當量碳排是英國氣候變遷委員會指出在2030年以後英國境內所有發電設備的最大允許量,他得出結論,認為現有科學研究無法明確提供核能是否能做為能源轉型中期的橋接能源選項。

值得留意的是,第二代反應爐如果持續作為世界主要的核能機組運轉下去,隨著鈾礦原鈾濃度降低,核能的生命週期碳排會不斷提高,甚至當世界鈾礦平均濃度低於某個值的時候,核能將會有負的能源投資報酬率(Energy Return of Investment)。即使不談鈾礦,核能電廠興建過程的其他重要考量如重金屬需求等,也讓大規模加速第二代反應爐興建在現實中不可行。

當然,以現實來考量,資源衰竭絕非核工業最需要擔心的點:他們首要擔心的是經濟面向上根本無法和再生能源競爭。長期處於研發階段的新一代核電廠在這個面向上,處境又比第二代核電廠更為艱難。


常常漏掉的項目:非碳排暖化效應、機會成本碳排

評析核能發電的生命週期碳排除了需要五個生命階段都應討論之外,各個階段也常有漏掉的碳排項目。Mark Z. Jacobson在他撰寫中的教科書中指出兩個常常忽略的項目:非碳排暖化效應以及機會成本碳排。

所謂的非碳排暖化效應是指生命週期中,並沒有直間接造成二氧化碳排放,但仍會對地表溫度產生全球性長久影響的排放物質/廢熱。

一般計算碳排時使用的二氧化碳當量,已經把一些重要的溫室氣體(甲烷、部分氮氧化物、六氟化硫、臭氧等等)納入考慮,但Mark Z. Jacobson提出傳統熱電廠的水蒸氣排放以及廢熱排放也應該納入考量。

雖然以全球尺度來看,這些排放的效應量級上和生命週期的直間接二氧化碳排放造成的影響相比並沒有很顯著,但仍有可能對電廠周圍造成一些地域性的影響。有趣的是,風能和光能會有負的淨水蒸氣排放以及廢熱排放,在這兩個項目上對地表溫度造成降溫效果(注)。


(注:太陽能有負的廢熱排放原因比較直觀,它將一部份原應由地表吸收的光能轉為電力,藉此減少地表淨吸收輻射量;風能則是因為降低近地風速和水蒸氣含量,就全球尺度來看也有輕微的降溫作用。)

相較於非碳排暖化效應,機會成本碳排才是人們往往忽略的關鍵要素。機會成本碳排存在,是因為所有的發電裝置都不是一夜之間憑空出現的,生產過程仍必須仰賴傳統能源系統。由於興建速度越慢的發電裝置,需要更久的時間仰賴化石燃料主導的能源系統,和其他興建更迅速的發電選項相比,就會有一部分額外增加的碳排。以新建核能為例,其機會成本碳排和風能相比,每度電為64至102克二氧化碳當量;這會讓新建核能的生命週期碳排從本來的每度電14-76克二氧化碳當量,提升到每度電78-178克二氧化碳當量。

Mark Z. Jacobson計算後各發電技術的100年二氧化碳當量排放量。
機會成本碳排係以陸上風能機組為比較對象。資料來源


技術參數和政策情境碳排的差別必須釐清

最後,即使我們總括了各發電技術完整的生命週期、並把各個技術的機會成本碳排考慮進去,這也不能直接作為政策情境碳排分析。

這是因為,不同的技術之間,具有資源投注的競合關係。某些政策路徑,比如仰賴核能,不僅會排擠有限的減碳投注資源,更會和綠能產生系統性衝突,進一步堆高系統整合成本;同時,大型發電計畫(特別是核能)預算追加、延遲,甚至停工的機率一直存在,取消的計劃會造成額外卻沒有發電效益的碳排。

凡此種種,也是為何越來越多轉型路徑的學術研究和氣候行動倡議,日漸朝向100%再生能源為最終目標。就算不談核安、核廢等等無解爭議,在目前綠能、儲能成本不斷降價,核能、碳捕捉技術的成本居高不下的趨勢下,只會有越來越多人開始接受這才是最可行、也最具成本有效性的路徑。


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