典型核电国家温室气体排放现状

严密，王同涛，李嫣



典型核电国家温室气体排放现状

严密1，2，王同涛1，李嫣1

（1中国科学技术交流中心，北京100045；2浙江工业大学能源与动力工程研究所，浙江杭州310014）

通过分析全球能源消费数据和核电数据，得到了核电发展最快、核电反应堆关闭最快、核电装机量最大和核电占比最大等特征的典型核电国家。对这些国家的能源结构、电力组成、CO2排放和核电减排作用进行了深入研究。通过研究得到：电力是各国CO2排放的主要源头，但单位发电量的CO2放电量均呈逐年下降趋势，这和各国能源结构调整存在密切关系；美国是人均CO2排放第一大国，但韩国人均CO2排放量增速最快；基于煤电CO2排放因子，2011年全球核电CO2年减排量约占全球年总排放量8.3%，而中国核电CO2年减排量占国内总排放量的1.1%。

核电；二氧化碳；气候变化；减排

温室气体（GHG）排放引起的气候变化问题日益受到全球关注。温室气体主要指CO2、CH4和N2O等。工业化前，大气CO2浓度稳定在280mL/L，进入工业化后迅速增加到394mL/L（2012年），增长了约40%[1]。由于GHG排放导致的气候变化将对地球生态系统和人类社会造成一系列重大影响，包括粮食安全、淡水资源和疾病蔓延等[2]。需通过多种手段减少GHG排放，减少危害。

《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）提供了国际减少GHG排放的行动公约。根据UNFCCC，全球GHG主要来源于能源消耗（>80%），并且超过90%是CO2气体。控制能源利用过程CO2排放的途径多样，包括能源结构调整、能效提升和捕集利用等[3-4]。核电作为低碳能源，成为了我国实现节能减排国际承诺的必然选择。2014年APEC期间，中美元首会晤就碳减排达成一致：美国将以2005年为基准，在2025年实现26%～28%的碳减排，中国承诺在2030年之后碳排放不再增加；同时中国在2030年之前可再生能源将占到全部能源生产的20%。因此中国必须进行能源供给和消费革命，核电作为低碳能源，发展核电是优化能源结构的重要手段。根据《核电中长期发展规划（2005—2020年）》，到2020年我国在运行核电装机容量4000万千瓦，在建核电装机容量1800万千瓦，核电占全部电力装机量将提高到4.0%[5]。但日本福岛事件及德国宣称将逐渐关闭核电站等国际外部环境的变化对我国核电发展产生了显著冲击，政府和民众也产生了更多的困惑[6]。

为此本文致力于理清国际核电发展趋势，深入挖掘典型核电国家的能源结构和核电发展特征，较全面研究核电发展对各国碳减排的作用。

1 全球核电发展和现状

1.1 全球能源消费变化

图1显示了全球能源消费发展和主要能源结构变化[7]。全球能源消费总量逐年增长，尤其是2000年后出现了显著增速（2.69%）。2012年，全球能源消费量达到了172.2亿吨标煤，主要能源依次是原油、煤炭、天然气、核电及其他。煤炭呈现快速增长态势，天然气和原油消费量稳步增长，而核电在快速发展后2010年出现拐点，年消费量从8.95亿吨标煤降低到8.01亿吨标煤。

截至2013年12月，全球商业化投用核电反应堆434台，总装机容量37.12万兆瓦[8]。其中核电反应堆最多的5个国家分别是美国（100个）、法国（58个）、日本（48个）、俄罗斯（33个）和韩国（23个），中国排在第7位。图2显示了21世纪全球核电反应堆的变化情况。核电反应堆数量总体保持稳定，2001年达到438家，大部分是在20世纪70年代因石油涨价引发的能源危机而快速建设[9]。核电装机量从2001年的35.3万兆瓦增加到了2013年37.17万兆瓦[8]。分析核电反应堆在建数得到，2010年前增长显著，如2009—2010年在建数增加了11个，但2010年后出现了滞涨；同样核电新建数在2010年急剧下降，从2010年的新建16个降低到2011年的4个；我国是在建和新建核电站最多的国家。同时通过对2000年后各国核电数据分析得到了典型核电国家，如表1所示。

表1 典型核电国家（2000—2013年）

1.2 典型核电国家

典型核电国家是指具有核电发展最快、核电反应堆关闭最快、核电装机量最大和核电占比最大等特征的国家。从表1发现，具备2个特征的典型国家有法国和日本。法国是全球装机量第2大，同时也是核电占比最大的国家；日本是核电装机量第3大国，同时也是核电关闭第3快的国家。而中国是近年来核电发展最快的国家，也是能源消费量最大的国家。

1.3 核电技术发展

核电站开发与建设始于20世纪50年代，从实验性和原型核电机组逐渐发展成压水堆、沸水堆、重水堆等成熟核电机组；为解决切尔诺贝利核电站严重事故的负面影响，提高防范与缓解严重事故能力，欧美发展了以AP-1000、EPR为代表的核电压水堆[9]。中国在内的一些核电业主已经选用或准备选用更安全、更经济的AP-1000、EPR等技术进行新的核电机组建设。根据IAEI2014年的Nuclear Technology Review报告，目前全球运行的核电厂采用的核电技术种类主要有6种，并且各技术占总反应堆比例排序分别为压水堆（62.9%）、沸水堆（18.7%）、加压重水堆（11.1%）、轻水堆（3.5%）、气冷堆（3.5%）和快堆（0.5%）。

世界各国依然重视先进核电技术的进一步研发，多国联合组建“第四代国际核能论坛”（GIF），约定共同合作研究开发第四代核能系统（Gen Ⅳ），中国也积极参与这方面的工作，2008年10月启动了华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程；为进一步突破核裂变的资源制约，包括中国在内的7国2006年正式启动了国际热核聚变实验堆计划（ITER）[10]，这是规模仅次于国际空间站的一项重大的多边大科学国际合作计划，国家科技部专门成立了ITER中心，以协调和支持计划的开展。

2 典型核电国家能源结构

2.1 典型核电国家能源及电力来源结构

需进一步了解各典型核电国家的能源结构和发电结构，才能更深入分析核电发展规律以及其必然性。图3显示了典型核电国家的能源结构，瑞典以核电为第一能源；日本、德国、美国和韩国的最大能源是石油；英国和斯洛伐克则以天然气为第一能源；印度和中国两个最大的发展中国家以煤炭为第一能源。煤电相对其他电力类型不仅常规污染更严重，二氧化碳排放因子也最大，见表2。

表2 多种发电方式全生命周期CO2平均排放因子[11]

电力是重要的能源消费方式，较大比例的一次能源用于电力生产。图4为典型核电国家的电力来源结构分布[12]。由图4可知以核电为第一电力来源的国家是法国（79.4%）和斯洛伐克（53.2%）；瑞典以水电（44.2%）为第一电力供应来源，核电（40.2%）其次；英国和日本的天然气发电为第一电力供应源；中国、德国、美国和韩国则以燃煤发电为最主要的电力来源；也可发现各国在燃油发电和其他可再生能源发电的比例都很小。同时作为核电关闭最快的3个国家，日本、德国和英国相对于中国不仅具有更高的核电比例，同时天然气和可再生能源发电比例也远高于中国；典型核电国家中，中国的煤电比例最大。中国天然气气源供应不足，原油依赖进口的情况下，发展核电和可再生能源是调整能源结构的必然选择。

2.2 中国核电应用现状和发展

目前我国发电主要依靠燃煤火电，核能发电量还很低。根据国家统计局国家数据网报道，我国2012年总发电量为49875.5亿千瓦时，其中火电和核电发电量分别为38928.1亿千瓦时和973.9亿千瓦时，即占总发电量的78.1%和1.95%[13]。但我国核电发展迅速，图5显示了我国核电发展情况。尤其是2002年和2003年快速增长，2003年相对2002年增加了72.5%，随后进入了平稳期，2010年后又得到了快速发展。核电的发展也受到多种因素的影响，2002年和2003年电力增长是由于我国工业生产用电需求快速增加，而前期电力建设滞后，造成的刺激性增长；2010年后，我国核电发展受到的影响因素更多，除工业增长因素外，和我国应对气候变化和作为负责任的大国政治需求有关，同时也受国际环境影响。截至2013年年底，我国实际已投运的核电堆20个，发电装机容量为1597.7万千瓦。我国一直重视核电发展过程中的安全，目前被认为最先进、安全的AP1000（浙江三门）和EPR技术（如广东台山）都已经引进，并开展实际应用。

3 核电对温室气体减排作用

3.1 典型核电国家温室气体排放

能源消费及电力生产是CO2的主要排放源。根据IEA数据，2000年后CO2年排放量以2.7%速度增长，2011年全球CO2排放量达到了31.3Gt。排放总量前5的国家分别是中国、美国、印度、俄罗斯和日本[1]。电力和供热行业排放量最大，占总排放量的42%。在电力和供热行业，燃煤发电CO2排放量占比最大，达到了72%（2011年），高于1990年的占比（66%）。从表2可知，各个发电方式CO2的排放因子存在较大差异，最大的煤电达到了1001g/kWh，水电最低，核电为16g/kWh。所以有必要研究电力行业CO2排放情况，分析通过能源结构调整对CO2减排的作用。

表3是典型核电国家能源过程CO2排放和电力生产排放情况。从表3可知，电力排放比例最大的国家是印度（51.6%），最小的是法国（13.7%）；同时低于全球平均水平（41.7%）的国家有法国、瑞典、斯洛伐克和英国。这和各国的能源结构、电力结构具有密切关系，将燃煤、燃气和燃油归为燃烧源电力，其他方式作为非燃烧源电力，进一步分析图4可得到法国、瑞典、斯洛伐克是非燃烧源电力比例最高的国家。从表3还可发现，日本作为GDP总量全球第3的国家，CO2排放量远低于中国和美国，甚至低于印度。

表3 典型核电国家CO2排放量和电力源排放情况 （2011年）[1]

图6显示了典型核电国家单位发电量产生的CO2水平。从图6中可清晰的得到三个层次的排放国家：排放最低的第一个层次有瑞典、法国和斯洛伐克，这3个国家是非燃烧电力比例最高的国家，也是非化石能源比例最高的国家；其次是处于全球平均水平的日本、英国、德国、美国和韩国；排放量因子最大的第三层次有印度和中国，其以煤电为主要电力组成。从图6中也可发现，斯洛伐克在1975年后CO2排放因子迅速下降，认为斯洛伐克电力CO2因子的下降主要与其煤电下降（减少了约38%）和核电开发有关[14]；而中国呈现稳步下降的趋势，主要由于火电技术的升级和低碳能源的开发，核电技术做出了普遍认可的贡献。

图7显示了典型核电国家单位GDP二氧化碳排放水平。从图7中得到，2011年单位GDP二氧化碳排放量最高的是中国（1.81kg/USD），最低的是瑞典（0.11kg/USD）；全球平均水平为0.6kg/USD，只有中国和印度（1.32kg/USD）高于全球平均水平。从图7中也可发现各国在21世纪后单位GDP温室气体排放量都呈现了下降趋势，尤其是中国、印度和斯洛伐克下降显著。分析认为中国早于印度出现排放因子降低，是因为中国经济对外开放、产业调整和电力改革方面都先于印度开始；核能是斯洛伐克第二大能源，第一大电力来源，其第一台核电站（11.0万千瓦）于1972年并网发电，1980年又新增了2×44.0万千瓦时核电机组，同时煤消耗量也下降了43%，这有效改善了国家的能源结构[14]；而美国等发达国家主要通过高能耗、低附加值产业的转移、可再生能源和新能源的发展来实现。2014年6月，美国针对火电厂二氧化碳减排推出了“清洁电力计划（Clean Power Plan）”，要求2030年之前将电厂的碳排放在2005年排放水平上削减至少30%[15]。

典型核电国家不仅在能源结构、经济规模，在人口上也存在巨大差异。典型核电国家囊括了中国、印度、美国这3个人口大国[16]。图8显示了典型核电国家人均CO2排放水平。2011年人均CO2排放因子最大国家是美国（16.94吨/人×年），最小的是印度（1.41吨/人×年），小于世界平均水平（4.5吨/ 人×年）的也只有印度；多国人均排放因子普遍呈现出降低趋势，但印度、中国和韩国稳步增长，尤其是韩国增长幅度明显。分析韩国CO2排放量，从1971年的52.1Mt上升到2011年的587.7Mt，平均年增长率为7.2%，是增速最快的国家。韩国经济发展迅速（平均年增长4%），并且2008年经济危机后迅速恢复。经济的发展直接导致了能源需求和消费的大量增长，成为世界天然气最大进口国和亚洲原油进口第三大国[17]。2011年能源消费总量达到了271.1百万吨油当量（Mtoe），其中核电为34.0Mtoe；能源消费总量比1973年增加了约9.4倍，但人口只增加了51.4%。

3.2 核电对温室气体减排的意义

从《京都议定书》到《联合国气候变化框架公约》，世界各国都在致力于GHG的减排，尤其是欧盟各国相继出台了多个行业减排计划。继美国出台“总统气候行动计划”和“清洁电力计划”后，我国发展与改革委员会颁布了《中国应对气候变化规划（2014—2020年）》[18]。

核电是技术成熟、供能稳定的清洁能源。与火电相比，核电不直接排放二氧化硫、烟尘、氮氧化物和二氧化碳。发展核电是电力工业污染物减排的有效途径，也是减缓地球温室效应的重要措施。根据表2和各国电力结构可初步估算出各国发展核电CO2减排量，如表4。从表4可知，如果全球不发展核电，而是用燃煤或燃气发电，2011年将新增2602.1Mt或1196.7Mt的CO2，占目前排放量的8.3%或3.8%；典型核电国家核电减排比例最大的是瑞典和法国，最小的是中国和印度，并且只有中国和印度低于全球平均水平。

表4 典型核电国家核电CO2减排效果（2011年）

①如果用煤电代替核电多产生的CO2量和占总排量的比例。②如果用燃气发电代替核电多产生的CO2量和占总排量的比例。

中国是当前能源消费第一大国，同时2011年能源消费产生的CO2量近80亿吨，超过美国成为CO2第一大排放国。我国一次能源以煤炭为主，燃煤电厂给环境保护带来巨大压力，全国的大气状况不容乐观。重点调查的火电厂排放二氧化硫、氮氧化物和粉尘分别是706.3万吨、981.6万吨、144.2万吨，分别占全国排放总量的33.4%、42.0%和11.7%[19]。核电厂在生产过程中不产生SO2、NO和PM等污染物，核电技术的发展对常规污染物的减排具有积极作用。发展核电技术不仅能够进一步保障能源供应的安全，同时可有效降低污染物和温室气体的排放。

4 结 论

进入21世纪后，核电反应堆数量保持稳定，但核电装机量逐年增长，核电新技术逐步得到应用，并且新装机量主要在中国和印度等国。通过对全球能源消费结构和核电发展分析，得到4个特征的10个典型核电国家，并且对这些国家的能源结构、电力组成、CO2排放特征和核电减排作用进行了分析，得到如下结论。

（1）电力生产过程是各国CO2排放的主要源头，近年来单位发电量和单位GDP的二氧化碳放电量均呈现逐年下降趋势，这和各国能源结构调整、核电发展存在密切关系；美国虽然是人均排放第一大国，但韩国、中国和印度人均排放量逐年增加，尤其韩国增速最快。

（2）核电作为技术成熟、供能稳定的低碳能源，对各国温室气体减排具有关键作用，相对煤电，全球因为核电发展CO2年减排量占总排放量的8.3%；中国的核电发展迅速，但温室气体减排量依然很低。

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[18] 国家发改委.《中国应对气候变化规划（2014—2020年）》解读[EB/ OL]. 2014-09-1. http：//www.ccchina.gov.cn/Detail.aspx? newsId= 48356&TId=93.

[19] 环境保护部. 环境统计年报[R/OL]. 2013-12-25. http：//zls.mep.gov. cn/hjtj/nb/ 2012tjnb/201312/t20131225_265552.htm.

Greenhouse gas emission in typical nuclear power countries

YAN Mi1，2，WANG Tongtao1，LI Yan1

（1China Science and Technology Exchange Center，Beijing 100045，China；2Institute of Energy and Power Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，Zhejiang，China）

Through the analysis of world energy consumption and nuclear power statistic，the typical countries with nuclear power were recognized by rapid developing，fast shut down ability，large capacity and high ratio of nuclear power on total energy consumption. In additional，energy and electricity distribution，CO2emission and reduction by nuclear power in these countries were deeply investigated. This study shows that power plant is the main source for CO2emission in these countries，while CO2emission per kWh gradually decreased year by year，which is closely related to the adjustment of energy construction. At present，the country with the largest emissions per capita is USA，in addition，the country with the fast increase on this value is South Korea in recent years. Based on the CO2emission factor of coal power plant，CO2emission reductions of nuclear power accounted for 8.3% of total global CO2emissions in 2011，while CO2emissions reduction by nuclear power accounted for 1.1% of the total annual emissions in China.

nuclear power；carbon dioxide；climate change；carbon emission reduction

X 382.1

A

1000–6613（2015）09–3256–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.09.008

2014-12-29；修改稿日期：2015-01-21。

国家科技支撑计划项目（2012BAC20B00）。

严密（1985—），男，博士，主要是从事清洁能源和气候变化研究。E-mail yanmi1985@zjut.edu.cn。联系人：王同涛，博士，副研究员，主要从事清洁能源科技政策研究和管理。E-mail wangtt@ cstec.org.cn。