基于生命周期評價的核電環境影響分析

　　摘要：核能發電是電力領域深度減排的關鍵技術之一，研究核電的環境影響可為碳中和背景下的能源政策設計提供參考。文章以典型核電站為研究對象，運用生命周期評價方法建立核能發電系統的生命周期清單并進行環境影響評價;與傳統火力發電及風電、水電和太陽能發電等可再生能源電力的生命周期評價結果進行對比;進一步根據電力行業“十四五”規劃，預測未來電網的改進潛力。研究表明：核能單位發電量的碳排放量為 3.37g/(kW·h)，低于火電、水電及太陽能發電的碳排放強度，但略高于風電;核能單位發電量的綜合環境影響指標低于火電和太陽能發電，但略高于風電和水電;到 2025 年，隨著核電和其他可再生能源發電的優化部署，中國電力行業平均單位發電的生命周期環境影響將減少約 17%。總體來說，核電的各項指標小于火電，接近各類可再生能源電力，積極有序的發展核電，有助于促進中國電力系統的凈零碳排放轉型。

　　關鍵詞：環境工程學;核能發電;生命周期評價;碳排放;環境影響

　　穆獻中; 徐琴; 劉宇; 胡廣文， 安全與環境學報 發表時間：2021-11-15

　　0 引 言

　　“十三五”期間，我國致力優化電力結構，逐年減少火力發電裝機的新增裝機容量，更大限度的給非化石能源發電形式提供發展空間與幫助。截至 2020 年，我國年發電量已達到了 7.8 萬億 kW·h [1]，占全球發電總量的 28%，是第二名美國的 1.85 倍。其中，火力發電量為 5.2 萬億 kW·h [1-2]，占全國發電總量的 66.7%，仍屬我國的主要發電形式。受發電模式的限制，火電造成的環境影響遠高于核電及其他可再生能源電力。據《中國長期低碳發展戰略與轉型路徑研究》綜合報告顯示，電力行業的 CO2排放量于 2020 年達到 40 億噸，占全國 CO2排放量的 40.5%[3]。其排放的煙塵、二氧化硫和氮氧化物的數量也分別達到 15.5 萬噸、18.0 萬噸和 87.4 萬噸[1]。電力行業成為溫室氣體及大氣污染物的重要產生來源。

　　作為全球最大的能源生產國和消費國，我國在全球能源低碳轉型格局中處于舉足輕重的位置。2020 年 9 月，習近平主席宣布中國將提高國家的自主貢獻力度，力爭 CO2排放量在 2030 年前達到峰值，在 2060 年前實現碳中和。

　　要實現能源低碳轉型有兩個重要方向：一是化石能源低碳化，目前我國能源結構的主體仍然是碳基能源，化石能源的消費占比超過了 80%，因此要加大對超低排放化石能源高效清潔利用技術的研發投入和推廣應用力度;二是低碳能源規模化。增加核能、風能、光伏、電動汽車和電池存儲等低碳能源技術上的投資，建立以非化石能源為主體、電力為基礎的氣候友好型低碳能源體系。一方面，將發電行業納入碳市場，不僅可以低成本減碳，還可以推動淘汰低效燃煤電廠，促進電力行業的低碳轉型。另一方面，加快清潔能源的開發利用，進一步完善電網建設，可以加快推動碳達峰、碳中和工作的落實。

　　截至 2020 年，我國可再生能源及核電的裝機容量為 9.5 億 kW，占現存發電裝機容量的 43.2%。其中風電、水電、核電和太陽能發電的裝機容量分別是 2.8 億 kW、3.7 億 kW、0.5 億 kW 和 2.5 億 kW[1]。同年，我國可再生能源及核電的年發電量為 2.6 萬億 kW·h，占全國發電總量的 33.3%。其中風能、水能、核能和太陽能的發電量占全國發電總量的比例分別是 6.1%、17.5%、4.7%、3.3%。總體來看，核電的裝機容量較少，占全國發電總量的比例遠低于全球平均值 10.3%，我國在核電方面仍有很大的上升空間。

　　核電在運行發電階段是 “零排放、零污染”，但從整個生命周期來看，在核燃料開采、提取、轉化和加工、設備生產和核電站建設等階段造成的環境影響仍不容忽視。為有效評估核能發電的資源能源消耗及環境影響等情況，國內外學者應用生命周期評價(life cycle assessment，LCA)方法對其進行了深入研究。1992 年，Yasukawa 等[4]首次報道了核能反應堆和燃料循環系統的生命周期二氧化碳排放數據。1999 年，Andseta 等[5]根據核燃料循環的不同階段估算了前端、建設、運營、后端和退役的單位發電量溫室氣體排放量，為后續研究進行對比分析奠定了基礎。2007 年，Fthenakis 等[6]對核電生命周期中溫室氣體排放的低、中、高結果進行了討論，并得出差異性可以通過富集、建設和操作方面不同假設進行解釋的結論。2001 年，馬忠海等[7]首次對我國已投入運行的國產堆型核電站進行全核電鏈溫室氣體排放系數的計算與研究，得到核能發電過程并不直接排放溫室氣體，其間接排放來自于火力發電及核設施建設等階段的結論。隨后姜子英等[8]在 2015 年發表的《中國核電能源鏈的生命周期溫室氣體排放研究》一文中也應用全能源鏈分析和 LCA 方法，再次對我國核電鏈的生命周期溫室氣體排放進行了計算。2013 年，周杰等[9]通過歐洲 Ecoinvent v2.0 數據庫中的多個國家各種技術的電力生命周期清單，利用簡式生命周期法(簡化生命周期的步驟或使用二次數據)對火電、核電和可再生能源發電的資源消耗及污染物排放進行了對比分析，同時采用 Eco-indicator99 模型進行歸一化和加權處理得到綜合評價指標環境負荷值。

　　目前國內外對核電的生命周期評價研究已經逐步深入，但主要集中在兩個方面：一種是僅針對核電鏈的溫室氣體排放研究，一種是只考慮與其他電力資源之間同種評價指標的比較評估。缺乏一項覆蓋核電鏈生命周期的多指標綜合性比較研究，以及多種發電形式間多指標的橫向比較研究。因此，結合國內實際情況對該問題進行更加深入的探討和研究具有一定意義。

　　本研究對核能發電進行生命周期評價，分析其對資源、能源的消耗及大氣污染物的排放情況，為更全面了解核能發電提供參考。在文獻調查與實地調研的基礎上，將火電、風電，水電、核電與太陽能發電的生命周期評價結果進行比較分析，并根據電力行業“十四五”規劃目標，計算 2025 年全國平均電網發電的生命周期清單，為我國能源低碳轉型和實現“碳達峰” 目標的路徑決策提供參考。

　　1 核能發電的生命周期評價

　　1.1 系統邊界

　　本研究選取我國典型核電站為研究對象，將兩臺單機容量為 98.4 萬 kW 的壓水堆核電機組生產 1kW·h 電力定義為功能單位。同時基于 ISO14040/GBT24040 系列標準及相關文獻[8]，將核電生命周期的系統邊界劃分為電廠周期和燃料周期，如圖 1 所示。其中，燃料周期包括燃料加工、運行發電和廢棄處理三個階段;電廠周期包括核電站建設、電廠運行及核設施退役回收三個階段。

　　核設施退役回收是電廠周期的最后一個階段，各過程涉及到的建筑物和設備均需要拆除，并對活化物質進行適當的去污處理，所以核設施退役通常有幾十年不等的“安全封閉期”。我國核電站尚處于發展階段，沒有相關的核電站設施退役及核燃料廢棄物處理的實踐案例，故本研究不涉及核設施退役回收及核廢料最終處置的分析。

　　1.2 清單分析

　　1.2.1 燃料加工

　　燃料加工階段包括鈾礦采冶、加工精制、轉化濃縮和元件制造。具體步驟為將開采出來的鈾礦石進行精選，送至前處理廠，將其粉碎磨成粉末，對其進行化學萃取，純化得到黃餅;接著在轉化濃縮廠中將鈾的氧化物進行轉化，濃縮 235U;最后經化工冶金工藝得到 UO2粉末，再經壓制，燒結和磨削得到二氧化鈾陶瓷芯塊，填充獲得核燃料棒。

　　燃料加工階段中涉及到的基礎設施所消耗的建材與能耗將折算到其服役期間每個燃料棒的產出中。

　　1.2.2 核電站建設

　　典型核電站的基礎工程建設和主要設備生產需要大量的建材和能耗，其中消耗鉛 100t，銅 670t，鎳合金 700t，不銹鋼 3.5×103 t，碳鋼 1.2×105 t，水泥 2.1×105 t，混凝土 7.2×105 m3，電力 6.8×106kW·h。

　　國際上輕水堆核電站的設計壽命通常為 40 年，但實際運行壽命可通過延壽技術延至 80 年左右。根據全國電力工業統計快報中核能發電廠設備利用小時等統計數據估算核電站年平均工作時間為 7100 小時[10]。調研核電站有兩臺單機容量為 98.4 萬 kW 的壓水堆核電機組，根據工作時間與服役年限，估算核電站在服役期間的發電總量為 11.2 萬億 kW·h。核電站運行期間的外購電量年均約為 0.14 億 kW·h。

　　1.3 數據來源

　　核能發電生命周期中涉及到的各項能源、資源的基礎環境負荷清單來自北京工業大學的 Sinocenter[11]數據庫與歐洲的 Ecoinvent[12]數據庫。

　　1.4 生命周期清單分析

　　綜合核能發電生命周期的三個階段及各階段產品比例可以得到核能發電系統單位發電量在生命周期各階段的能源消耗及大氣污染物排放的匯總清單。如表 1 所示。

　　各階段能源消耗及大氣污染物排放占比，如圖 2 所示。結果顯示，燃料加工階段對能源的需求量較大，是大氣污染物的主要產生來源;核電站建設階段的能源消耗和大氣污染物排放主要來自建筑和組件材料的生產和運輸;運行發電階段的能源消耗和大氣污染物排放占比最小，原因為核能發電不直接消耗碳基燃料及產生大氣污染物，此階段只包含了外購電力及維護使用階段的間接化石燃料消耗及污染物排放。

　　2 不同發電形式的對比分析

　　2.1 研究對象和數據來源

　　本研究選取火力發電、風力發電、水力發電和太陽能發電與核能發電進行對比，主要案例及數據來源如下。

　　火電：以國內發電技術和污染治理措施都較為先進的超超臨界(USC)清潔燃煤電廠為研究對象，系統邊界包括電廠建設、運行發電(含燃料開采)和退役回收。各階段能源消耗和物質排放數據見文獻[13]。

　　風電：選取我國典型風電場(2MW 機型，67m 塔架)為研究對象，系統邊界包括機組組件生產、風電場建設和運行發電，各階段能源消耗和物質排放數據參考北京工業大學數據庫[11]。

　　水電：選取我國典型水電站為研究對象，系統邊界包括機電設備生產、水電站建設和運行發電，各階段能源消耗和物質排放數據參考北京工業大學數據庫[11]。

　　太陽能發電：以國內一家生產模式為垂直一體化的多晶硅太陽能企業為研究對象，系統邊界包括光伏組件生產、電廠建設和運行發電，各階段能源消耗和物質排放數據見文獻[14]。

　　不同發電形式的基本參數如表 2 所示。

　　2.2 不同發電形式的能耗及排放對比

　　2.2.1 化石能源消耗

　　根據各發電形式的能源消耗及對應的折標準煤系數[15]可得到各發電形式單位發電量的標準煤耗(即化石能源消耗)。結果顯示，不同發電形式單位發電量的標準煤耗中，火電為 368g/(kW·h)，風電為0.354g/(kW·h)，水電為 0.153g/(kW·h)，核電為 1.35g/(kW·h)，太陽能發電為 7.22g/(kW·h)。

　　2.2.2 CO2

　　從單位發電量碳排放量來看，火電、風電、水電、核電及太陽能發電分別為 1410[13]、2.66[11]、22.2[11]、3.37 和 28.8[14]g/(kW·h)。 火電在運行發電階段碳排放量最高，為 1350 g/(kW·h)，占火電生命周期總碳排放量的 95.6%，主要原因為發電過程中碳基化石燃料造成的排放量巨大。風電在機組組件生產階段碳排放量最高，為 1.87 g/(kW·h)，占風電生命周期總碳排放量的 74%。水電在運行發電階段碳排放量最高，為 22 g/(kW·h)，占水電生命周期總碳排放量的 99%，主要原因為水電站周期性蓄水淹沒土壤造成碳排放。核電在燃料加工階段碳排放量最高，為 2.87 g/(kW·h)，占核電生命周期總碳排放量的 85%。太陽能發電在光伏組件生產階段碳排放量最高，為 55.2 g/(kW·h)，占太陽能生命周期總碳排放量的 98%。不同發電形式生命周期各階段碳排放占比如圖 3 所示。

　　總體來看，除水力發電的碳排放主要集中在運行階段，其他可再生能源電力的碳排放都集中在組件生產階段;火力發電的碳排放主要集中在發電運行階段(含燃料燃燒);核能發電的碳排放主要集中在燃料加工階段。

　　2.2.3 NOX、PM10 和 SO2

　　從單位發電量大氣污染物排放來看，火電生命周期排放的總量遠高于其他四類發電形式。太陽能發電和風電的大氣污染物排放總量差距不大，核電次之，水電最少。

　　如圖 4 所示，在可在生能源電力中，風力發電的 PM10排放量最大，為 0.417 g /(kW·h)，發生在機組組件生產階段，這是因為組件材料在制造過程中產生了大量粉塵。太陽能發電的 NOX 和 SO2 排放量最大，分別為 0.151 g /(kW·h)和 0.196 g/(kW·h)，發生在光伏組件生產階段，這是因為太陽能電池在制造過程中涉及多項轉化提取的步驟。

　　2.3 不同發電形式的環境影響對比

　　本研究基于 ReCiPe 方法體系，根據清單分析提供的數據將生命周期中的各類物質轉化成具體的環境影響類型，并進行分類、特征化、歸一化、損害評價和加權等操作，以得到各類發電形式的綜合環境影響指標。

　　2.3.1 環境影響類型

　　本研究選取 FDP(化石能源消耗影響)、GWP(全球變暖影響)、AP(酸化影響)、POFP(光化學煙霧影響)、PMFP(顆粒物影響)五項影響類型指標。特征化結果(圖 5)顯示，火力發電的五項環境影響類型指標均為最高。可再生能源及核電中，太陽能發電在 FDP、GWP、POFP、AP 類型方面的影響值最大，風電在 PMFP 類型方面的影響值最大。不同環境影響類型中，以火電的環境影響類型指標為 100%，可再生能源及核電所占比例如圖 5 所示。

　　2.3.2 綜合環境影響指標

　　進一步探究各類發電形式的綜合環境影響，本研究將不同環境影響類型的特征化結果進行歸一化、加權后得到綜合環境影響指標結果。其中火電的綜合環境影響指標最大，為 1.4×10-15;其他依次是太陽能發電，為 2.74×10-17;核能發電，為 5.19×10-18;風力發電，為 1.49×10-18;水力發電，為 6.02×10-19。

　　3 2025 年全國平均電網清單預測

　　隨著經濟的高質量發展及碳達峰目標盡快實現的需要，同時考慮新冠疫情給短期經濟發展帶來的明顯沖擊，“十四五” 期間我國經濟發展將保持中速增長。按照經濟增長 5.5%，電力需求年均增速 4.4%，電力彈性系數為 0.8 進行綜合預測計算 [16]。2025 年，我國電力裝機總量達到 29.5 億 kW，其中可再生能源及核電的裝機容量達到 17 億 kW，占總裝機容量的 57.5%;電力生產總量達到 9.3 萬億 kW·h，其中可再生能源及核電的發電總量約為 4.15 萬億 kW·h，占電力生產總量的 45%[16]。在 2025 年全國電力生產總量中[16]，火電的發電量占比為 55.3%、風電的發電量占比為 11.0%、水電的發電量占比為 16.0%、核電的發電量占比為 5.5%、太陽能發電的發電量占比為 9.5%、生物質及其他的發電量占比為 2.7%。對比 2020 年全國電力生產總量中[1-2]，火電的發電量占比 66.7%、風電的發電量占比 6.1%、水電的發電量占比 17.5%、核電的發電量占比 4.7%、太陽能發電的發電量占比 3.3%、生物質及其他的發電量占比 1.7%。根據各發電形式的生命周期清單預測 2025 年全國平均電網發電的生命周期清單，并分析未來電網能源消耗、溫室氣體及大氣污染物排放的下降比例及改進潛力。如表 3 所示。

　　4.結論

　　本研究采用 LCA 方法研究核能發電系統單位發電在生命周期各階段的能源消耗、溫室氣體及大氣污染物的排放情況，并與火電、風電、水電和太陽能發電進行比較，結果顯示，核電具有較好的環境效益，積極有序發展核電有助于實現我國能源領域的低碳轉型。

　　(1)從全生命周期來看，核能單位發電生命周期碳排放量為 3.37g/(kW·h)，其中燃料加工階段的碳排放量為 2.87g/(kW·h)，核電站建設階段的碳排放量為 0.5g/(kW·h)，運行發電階段的碳排放量為 1.02×10-6g/(kW·h)，遠低于火力發電生命周期碳排放量。

　　(2)綜合對比五種發電形式的各項指標與環境影響評價結果，核能單位發電量的標準煤耗為 1.35g/(kW·h)、PM10 排放為 1.26×10-2g/(kW·h)、NOX 排放為 1.25×10-2g/(kW·h)、SO2 排放為 1.49×10-2g/(kW·h)、綜合環境影響指標為 5.19×10-18 與風電及水電等可再生能源發電的排放強度和環境影響結果接近，屬于環境友好型發電能源。

　　(3)按照“十四五”規劃，到 2025 年，當火電發電比例下降 11.4%，水電發電比例下降 1.5%(裝機容量持續上升)，風電、核電和太陽能發電的發電比例提高 4.9%、0.8%和 6.2%時。電力行業單位發電的標準煤耗將下降 16.87%;CO2 排放量下降 16.83%;NOX、SO2和 PM10 的排放量分別下降 16.81%、16.7%和 16.91%。