美国无CO2排放无核能的能源技术路线图

无核能条件下二氧化碳零排放的美国经济不仅是可以实现的,而且它对于环境保护与安全而言也是必需的。美国需要制定一项二氧化碳零排放与无核能的目标,并采取坚定步骤向该目标迈进。在不远的将来这一过程本身就能重塑全球的能源政治,并能树立起美国作为垂范的领导国家地位。该研究最重要的结论是:美国经济在未来30年到50年内能够实现二氧化碳零排放,并且不需要使用核能,也不需要从其他国家借用二氧化碳的排放配额。换言之,运用目前可获得的、或可预见的技术,即可消除实际排放的二氧化碳。该目标可在合理的成本下实现,并将形成一个与目前相比更为安全的能源供给体系。在未来的25年内,美国的石油净进口量将降低为零。所有的三大不安全因素——日益严峻的全球气候变化,石油供给与价格的不稳定,以及商用核能蕴含的核扩散风险——都将因此能够得以解决。此外,通过消除区域及当地的绝大多数空气污染,如由化石燃料导致的城市大气中的高臭氧与颗粒物含量,它还将给人类带来巨大的健康利益。

本项研究的几点主要结论如下:

结论1

为了把全球气候变化带来的危害最小化,实现二氧化碳“零排放经济”的目标是必需的。

政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)提出,全球二氧化碳排放将需要削减50％-85％(相对于2000年的水平),以限制全球平均气温比前工业化时期升高2-2.4摄氏度。在2050年之前,即使美国二氧化碳的排放总量削减80％,也完全不能实现这一目标。那时美国的人均二氧化碳排放量仍有约2.8吨之多。

根据这一削减率,全球排放标准将使得全世界的二氧化碳排放量与2000年的数字大致持平。相反,如果与全球排放量削减50％的要求相应,将全球标准规定为到2050年的每人的排放量需大致等同,那么美国的排放量就需要削减大约88％。如果全球削减二氧化碳排放85％,相应地,美国就需要减排96％。如果按照历史上的累积排放标准来决定排放配额,那么它将更为严厉苛刻。

将美国二氧化碳零排放的目标定义为:相对于2000年的水平,排放量允许在零排放的正负各几个百分点的区间之内。这个目标对于保护全球气候既是十分必要的,又是审慎合理的,也是能够在合理成本下实现的。

结论2

一项允许排放量逐年递减直至为零的固定的排放限制,它给化石燃料的使用大国提供了一种灵活通融的方式以消除二氧化碳的排放。然而,免费的配额,允许以第三方的排放削减作为补偿,或者对配额进行国际间贸易,特别是与没有二氧化碳排放上限限制的发展中国家进行贸易,这些现象罔顾并有违于体系的宗旨和本意。如何建立一个以数据检测为基础的有形限制体系,并使之具有适当强制力,这是亟需解决的课题。

一项对二氧化碳排放的严格上限控制针对的是化石燃料的使用大国,其年使用量达到或超过1000亿英热单位(Btu)。处于这一级别的国家,具备足够的财政资源以追踪市场动向,进行买卖活动,而且相对于进行赊欠,它们能够对“投资于二氧化碳减排技术是否最为有利”做出权衡。这将占到化石燃料使用量的2/3。私人汽车,家用和小规模商用的天然气,用于加热的燃油,以及其他类似的小规模使用情况,这些都不会用“上限”进行限制。通过制定能效标准、汽车尾气排放标准、以及其他各类标准,并由联邦、各州与当地政府进行强制执行,这些领域的转型将会得以实现。这一严格的上限控制数字将逐年递减,并且在2060年之前将降低为零。基于气候的变迁与技术的发展,该时间表的进度完全有可能加快的。

由于随着供给的下降,二氧化碳排放配额的价格具有上升的趋势,因而在多数时期内,由政府售出配额而获得的年收益将依次达到每年300-500亿美元。这些收入将用于推进各个层面(地方、州、以及联邦政府)的转型改造,也可用于示范项目与技术研发。

为了实现二氧化碳零排放经济,以下12项关键政策亟需成为法律。这12项政策建议是:

1、针对所有的化石燃料使用大国,制定关于二氧化碳排放上限(强制性)的法律,规定在2060年之前其排放量需稳步下降为零。减排时间表应每隔一段时间根据气候、技术与经济发展的状况进行评估,以期缩短期限。上限的确定应以2007年之前某一年份的排放水平为基准。这样,那些早先实施二氧化碳减排的国家就能从上限规定中获益。排放配额只能由美国政府出售,并且只能在美国境内使用。免费的配额、补偿行为以及二氧化碳排放配额的国际间买卖等行为都是不允许的。所得收入(预计每年约300- 500亿美元)将用于研究与开发、示范工厂建设以及社区改造;

2、取消所有对于化石燃料与核能的补贴及税收优惠政策,包括对新核电站产生的核废料的处置担保、贷款担保以及保险津贴;

3、取消对于用食用谷物制成的生物燃料的补贴;

4、建设运用关键供应技术的示范性工厂,包括具有热储存功能的太阳热能中央电站、大中型规模的太阳能光电设施,以及利用微型藻类吸收二氧化碳并生产液态燃料;

5、平衡联邦、州、与地方之间的购买能力,以形成关键技术的市场,包括插入式混合动力技术;

6、禁止兴建新的不含碳储存设施的煤炭发电厂;

7、在联邦层次,制定有关高能效标准的法律;

8、联邦政府推动州与地方,制定并实行严格的建筑能效标准;

9、制定严格的汽车能效标准,并在2015年之前把插入式混合动力汽车定为美国的标准型汽车;

10、实施联邦契约订立程序,以奖励较早实行二氧化碳减排的企业;

11、积极研发能够加速二氧化碳减排的相关技术,并建设试验性工厂。例如,采用光合、光电化学及其他方法直接利用太阳能制氢,热岩地热能,以及建设利用生物吸收二氧化碳的综合气化复合循环工厂;

12、在美国环境保护署科学事务咨询委员会下,组建常设的能源与气候委员会。

结论3

即使不使用核能或者化石燃料,美国电力部门照样能够实现可靠性与二氧化碳零排放的目标。

美国的可再生能源资源极其丰富,并且实际上还未开发。12个位于中西部与落基山脉地区的州,其可利用的风能资源相当于美国所有电力生产总量的约2.5倍。北达科他州、得克萨斯州、堪萨斯州、南达科他州、蒙大拿州和内布拉斯加州,其中每个州所蕴含的潜在风能资源都大于美国所有103座核能发电厂的发电总量。如果在西南部与西部日照量很高的地区集中利用太阳能,那么在美国仅1％的国土面积上所蕴含的太阳能资源大约是风能资源的3倍。

在美国利用太阳能资源,仅停车场和屋顶的面积就能供应美国绝大部分的电力之需。虽然这样做需要加强电力分配设施,但它也具有防止电力传输线路增加的优势。第一步已经迈出了。美国海军部队在其圣地亚哥的某个停车场上安装了750kW的发电装置,在其荫蔽下则是一个能容纳超过400辆汽车的停车场,而且为发电能力的增加仍预留了充足的空间。

风能比核能更具经济性。过去数年来,随着太阳能电池成本的下降,在日照充裕的地区,建设中等规模的设施颇具经济性,因为它们主要在高峰时段供应电力。

风能与太阳能存在的主要问题是间断性。如能把风能与太阳能合并到电网中,这一问题就能够得以缓和。例如,风能通常在夜间更为丰沛。地域差异也能缓解各类能源与复合能源的间断性问题。将这两类能源合并到电网,使之占到发电总量的15％(这与目前核电所占的比重已相距不远),鉴于合理的最优化步骤正在推进之中,因此它的实现能够凭借现有的基础,并没有严重的成本或技术上的困难。

太阳能与风能还需要与水力结合起来。当风能发电量很低或为零时,水力就能用于发电。西北地区已经在这样做了。放水与渔业管理存在冲突,它的解决需要把3种能源与备用天然气相结合。天然气的高成本使得将其用于联合循环发电厂中显得更为经济,应将它作为风能的备用(储用)容量与备用储备,而非作为中等或基底负荷的电力来源。换而言之,鉴于天然气的昂贵价格,出于经济性考虑,这些工厂在某些时段中不做运转,而作为风能发电的补充设施。压缩空气也能与这些能源结合起来用作能源储备。这些发电与储存的方法不需要采用任何新技术。

基底负荷电力可由地热能与生物质能发电站满足供应。夜间的居间性电力可由太阳热能电厂供应,它们配备了能储存数小时热能的装置。

最后,通过插入式混合动力,以及车队所有的或停在大型停车场内的电力汽车,新型电池能够以相对低廉的成本为其储存电力。采用纳米科技的锂电池(Altairnano公司已经开始生产)能够充分放电的次数远比汽车在其使用寿命中一般的用电次数要多(它们的放电次数分别为:10000- 15000次和大约2000次)。

由于电池的性能,比起汽车本身所需的充放电的循环次数而言,是绰绰有余的,因此车用电池能够成为一种成本极低的电力储存设备,它能够在“汽车-电网”联结系统(Vehicle-to-Grid System,V2G)中得到应用。在该系统中,停靠的车辆被联结到电网中,并依据电网与车载电池充电的需求状况,对其进行充电与放电。通过有线传输或无线传输的通讯技术手段,上述设想就能得以实现,而该通讯技术已经得到了商业化应用。只需所有数量的路上车辆中的一小部分车辆(几个百分点)就能够提供充足的后备电力,以使一个设计良好、并使用可再生能源的(包括生物质与地热能)电网稳定运行。

图1表示一种可能的电力输送网络的结构分布情况。大量的备用能源的获取是可以实现的。这意味着将风能与太阳能结合起来,就能供应半数甚至更多的电力,又不会影响到供电的可靠性。后备能源中的绝大部分供给将由固定储存,或V2G系统,或采用由生物质生成燃料的联合循环发电厂来承担。其他形式的储存将由热储存来提供,它与太阳热能中央电站相连接。实现水能的最优化应用则需要其他形式的储存与后备能源的辅助。压缩空气的储存也能补充风能供应,而在联合循环发电厂中,压缩空气正被用来减少甲烷的消耗量。

通过各种技术的恰当结合,煤炭有可能被淘汰,核能发电亦是如此。然而,我们认识到,某些正处在淘汰边缘的技术并不会朝着当前可能的路径发展下去。因此,为谨慎起见,我们需要另准备一项战略。如果采用一项名为“整体气化联合循环”(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)的技术,那么由煤炭发电厂释放出的二氧化碳就能够以适中的成本收集起来。

表3提供了详尽的情况,预估的技术日程表,并附带了能源与环境研究所(IEER)预想中的某些关键性元件的成本情况。根据能源与环境研究所描绘的参考图景(见图2),如果技术与政策能够完整契合,那么在2050年之前就能在没有化石燃料与核能的条件下实现二氧化碳的零排放。我们建议,不具备碳收集能力的新煤炭发电厂应被禁止,因为当前建设此类新厂会增加提高二氧化碳排放配额的压力,并对今后捕集二氧化碳造成更高的成本。

全部消除二氧化碳的排放最早能在2040年实现。消除核电也能在这一时间段内实现。要较早地消除二氧化碳排放与核能则依赖于技术上的突破,比如在高效的太阳能制氢方面。

如果技术研发遇到重大障碍,例如,V2G系统不能在本项研究所预期的期限内完成(如推迟了15-20年),那么就需要采用其他一些技术,例如用生物质共同燃烧天然气的技术,甚至用生物质与某些煤炭共同燃烧的技术,以及二氧化碳封存技术。这样,实现二氧化碳零排放经济就要推迟到大约2060年。

图2表示的是,根据能源与环境研究所的预期,向最终用户所输送的能源(未包括电力与生物燃料在生产中的损耗)。它表明了一个大致准确的模式——新型能源的引进以及化石能源与核能的退出。它显示出,能源效率的巨大作用。这一参考情景设想在2050年之前实现无核能、二氧化碳零排放的经济。

图3表示相应的电力生产结构。先轻微下降而后上升的现象反映出,随着电动汽车的大规模应用能效将大幅提高。

结论4

核能的应用蕴含着核扩散、恐怖主义和严重事故的风险。它加剧了核废料问题,并使能源系统的脆弱性和不安全性延续下去,而这些原本是可以避免的。

作为一种减少二氧化碳排放的途径,商用核技术正在得到推广,其中包括美国政府。对于那些拥有商业铀浓缩与分离钚设施的国家,美国与俄罗斯一道也正在推行一项限制商业铀浓缩与分离钚(后处理)的计划(铀浓缩与后处理设施都能用来生产可制造核武器的材料)。这是一项意在改变《不扩散核武器条约》(NPT)的透明化尝试,却不需要通过与条约签署国一起修订条约的程序。NPT条约赋予“无核武器国家”发展商用核技术的“不可剥夺的权利”,而该举措将会颠覆NPT条约。无论如何,无核武器国家不可能愿意接受建议中所施加的限制。

人们不难认识到,对核能日益强烈的兴趣至少是部分地获取了通向制造核武器能力的途径。例如,为了与伊朗和以色列针锋相对,海湾合作委员会(成员国有:巴林、科威特、也门、卡塔尔、沙特阿拉伯和阿拉伯联合酋长国)已经申明,它将会公开地寻求获取民用核能技术。在做此申明时,沙特外交大臣萨德•阿尔费萨尔亲王(Prince Saud Al-Faisal)在记者招待会上总结说:“这并不是一个威胁,……我们公开地行事”。他指出,以色列的核反应堆被用来为其核武库生产钚,这是“原罪”所在。同时,他呼吁本地区应成为无核武器区。

由于美国政策的缘故,对商业后处理的兴趣可能将会增长。由后处理所产生的诸多问题已经令人头疼不已了。例如,朝鲜利用其一座商用动力堆与一座后处理厂获得了用于核武器的钚。

除了核武器国家之外,大约30多个国家(地区),包括伊朗、日本、巴西、阿根廷、埃及、中国台湾、韩国、以及土耳其等,具有制造核武器的技术能力。而关键的是,美国能发挥垂范性的领导作用,在不诉诸核能的条件下实现必需的二氧化碳减排。更广泛地使用核能将使当前遭遇困境的核扩散问题转变为一个事实上积重难返的死局。

甚至在目前,核电厂与设施的数量已经使得不扩散与NPT签署国获得核技术的权利之间产生了紧张状态。增加核电厂的数量就需要增加铀浓缩厂。然而,伊朗的一个铀浓缩工厂已经引发了全球性的“政治-安全”紧张状态,它是推动现货市场中石油价格波动的一大主因。此外,由于核电厂被宣布为恐怖分子的袭击目标,核电厂面临着恐怖主义危险。显然,兴建核电站徒增了袭击目标的数量,它并非一个良策。

核废料问题亦妨碍了问题的解决。增加核电厂的数量只会使问题更为复杂化。它将使美国需要建设第二个处置场,并且可能还需要第三个,即使第一个处置场——内华达州的尤卡山处置场正陷入极大困境。即使官方评估认为暴露性放射所致的伤害风险仍然持续增长,但目前为止,尚无一个国家能够解决,由乏燃料与高放射性废料的处置引发的,长期性的健康、环境、与安全问题。

最后,自1980年代初以来,由于核能的支出与风险性问题,华尔街(金融界)就一直对核能持怀疑的态度。这就为什么在时任原子能委员会主席刘易斯•斯特劳斯(Lewis Strauss)宣称核能将会“便宜到可忽略不计”的讲话已超过半个世纪之后,工业界仍然需要求助于政府提供的贷款担保与其他补贴。保险方面也同样如此。与官方预计的由最严重的事故所导致的损失相比,现存的非常有限的保险额是远远不够的。而且保险几乎都是由政府提供的。

（本研究得到国家软科学基金重点项目 “新能源研发态势及对我国能源战略的影响”课题的资助(2010GXS1K087)资助。作者单位为中国科学技术信息研究所战略研究中心）