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退出核电以后怎么办?
  发布者:学科专家   来源:上海物理教育网  发布时间:2014-06-30

    日本发生九级大地震连带超大海啸,导致福岛一号核电站事故频频。福岛这个核电站究竟发生了什么现在人们还不完全了解,但是无论如何核电的安全问题再一次摆到了人们面前,核电的发展前景再次蒙上阴影。在日本核电站事故发生不久的三月十五日,发达国家中反核声音最响的德国就暂停了八座核电站的运行。五月三十日,德国索性宣布这八座1981年前开始发电的核电站直接关闭,剩余的九座核电站也将在从现在起到2022年之前逐渐关闭。也就是说,按照这个政策,德国将在十二年的时间里面逐渐告别核电,比原来的计划提前了十四年。

历史悠久的反核浪潮

    核电在德国电力供应中很重要,所占比例高达22%2009年,德国总耗电量为5970亿度,来自核电的就有1350亿度。当然这个数字已经比2001年有所下降,2001年,德国核电的电量是1710亿度,占总电量的29%。尽管核电在德国如此重要,德国的反核力量却非常强大。早在1950年代,对核电的各种担心就能在西德听到,到1960年代,一些反核声音已经导致了几个核电项目在早期就被放弃。1970年代,德国民间的反核声音已经很强大,曾经成功阻止了一个已经完成了审批程序的核电厂的建造。等到1986年前苏联切尔诺贝利核事故爆发后,德国的反核力量进一步加强。1990年代末期,坚持反核立场的绿党进入德国联邦政府,反核终于成为政府政策。2002年,德国通过法案开始对核电进行限制,宣布将在2021年之前关闭所有核电站。这也就是德国核电在2001年达到顶峰后逐渐下降的原因。不过2007年俄罗斯的能源危机之后,默克尔政府开始怀疑核电退出之后德国能源供应的安全性问题,这一怀疑导致2010年九月德国延长了核电厂的服役期限,把退役期延长到2036年。这个决定当然遭到了德国反核力量的强烈抨击。这次默克尔政府核电政策的再次变化,只不过基本回到了一年前的政策上。德国民众对于核电问题非常敏感,特别是日本核危机之后,为了选票起见,默克尔只能让步。

    核电需要逐渐淡出,俄罗斯的天然气供应的可靠性仍然是个未知数,默克尔这次提出的解决方案就是加大新能源的比例。这个政策与德国最近的发展也是一致的。2000年代,德国的可再生能源发展很快,太阳能发电的装机发电能力从2001年的195兆瓦增加到2009年的9677兆瓦,风能从2001年的8734兆瓦增加到2009年的25813兆瓦,并且这两种新能源的装机能力仍然在高速增长。到2010年,风电、太阳能、水电、生物质等加在一起,德国已经有17%的电力来自可再生能源,默克尔计划到核电完全退出之前把这个比例增加到35%。由于德国水电潜力有限,生物质能总量不足,目前占总供电量8%多一些的风电和太阳能就会是发展的重点。当然,绿党仍然说,这个比例不够。

无法完全依靠的清洁能源

    但是默克尔政府原来的担心是很有道理的,风电和太阳能比例的过高的确会导致能源供应不稳定,因为风能和太阳能的最大问题就是来源不可靠。人类用电有一定的基本规律,在同一天内,用电量也有一个很明显的波峰波谷,一般的,随着上午上班,用电量开始增加,一直持续到前半夜,晚上九点十点以后,用电量才开始下降,到后半夜最低,如此反复。电这种能源形式是非物质的,发出多少电就需要用掉多少电,供电与耗电需要基本平衡,否则电网的稳定性就会受到威胁,这样,发电量同样需要一个波峰波谷。核电、火电由于使用了来源可靠存储方便的物质能源作为能源材料,其发电能力是可以随时调节的,需要多少,就可以在很短的时间内调节成多少,可以说是召之即来,挥之即去,对于稳定电网,保证足够的电力供应贡献巨大。

    但是风电和太阳能就要麻烦了,特别是风电。风在可以预期的将来仍然是超出了人们控制能力的东西,风大的时候,风电会多得你用不掉,这还不算大问题,毕竟风电多了可以通过降低火电等高碳排的能源比例来进行调节;但是风小的时候,如果还赶上用电高峰,那可就很令人头疼了。此外人们对于风的预测仍然掌握很少,对于风电的供应缺乏可靠的预测机制,风电本身的波动性和不可靠性,就可电网本身的稳定性带来了很大的问题。

    太阳能在这方面要比风能略好一些,因为至少太阳光照的变化是有一定规律的,是可以进行长期短期预测的。随着太阳日照的周期变化,太阳能每天都有一个供电波峰波谷,不过很可惜,这个波峰波谷与用电的波峰波谷在时间上仍然有很大的差异,并不能与实际用电的峰谷重合。比如夜晚仍然是用电高峰,太阳能这个时候的贡献率基本上是零。在理论上,风能和太阳能结合在一起,可以削平一些供电的变化,风能的广泛分布也会削平一些供电的波动,但是要是连续来上几个没什么风的阴雨天,风能和太阳能可就都无能为力了。虽然这种情况并不是经常发生,但是一年里面发生个几次的可能性还是有的,电网必须为这种情况进行准备。这个时候,就只能依靠随叫随到的能源来出力了。即能随叫随到又清洁低碳的电力形式是水电,有一些国家负责平衡风能太阳能供电的就是水电。但是由于德国自身的水电潜力不足,目前做这个工作调节的,主要就是火电和核电。

    也就是说,在设计电网的时候,虽然在技术上可以允许比较高比例的风能、太阳能的存在,但是为了预防这种两者同时供能不足的情况,仍然需要建造大量的可靠能源作为备份,来保证能源的连续供应。换句话说,电网要求设计成可以在风电和太阳能贡献很少的情况下仍然可以运行,甚至风电和太阳能完全没有贡献,也不能影响供电。因为目前在德国承担这个任务的主要就是火电和核电,一旦核电从德国电网中退出,那么一个很直接的问题就是,谁来弥补这个空缺?

仍然无法实用的蓄能技术

    如果风能和太阳能可以存储起来,问题就不大了。风能太阳能充足的时候,把多余的电力存下来,等到供电不足的时候使用,这样,风能和太阳能自己就可以成为电网的主力。这方面,一些离岛的应用,小规模的示范,已经显示了实施的可能性。不过到目前为止,大规模能量存储的技术仍然无法满足实际应用要求。

    目前唯一可靠的大规模储能技术是水电蓄能,做法就是在发电量多于用电量的时候,用电把水提到数百米的高处,利用水的势能把这些多出来的电力存储起来;等到发电能力不足的时候,就可以把这些放在高处的水流下来,同时把势能转变成电能进行发电。这个过程的能量效率受到多种因素的影响,比如所使用的设备的转换效率,水的挥发,实际的地形条件等等,一般总的来讲,在70%85%的水平,还算是不错的。这个技术本身也非常成熟,早在1930年代就有了实际应用。这个蓄能方法的另外的好处,就是水电对于电力需求的响应非常快,可以在几秒钟的时间内就消耗掉多余的电量,或者发出所需要的电量,而作为能量调节主力的火电,改变发电能力往往需要几分钟的时间,不如水电便捷。对于电网来讲,越快速地实现电力的供需平衡,对于电网的冲击就越小,供电也就越加稳定。因为这个特点,水电蓄能已经在世界得到了广泛的应用,总装机能力已经超过104GW

    但是水电蓄能的储能密度很低,成本很高。把一立方米的水提高到100米的高处,所存储的能量仅仅有0.27度电,这样,要存储大量的电力,就需要非常大的库容,非常高的高度差。由于工程量浩大,水电蓄能只能在合适的地形来施工以降低成本,这样,其应用对于地形就有很大的要求,可以应用的地点有限,尽管如此,施工成本仍然昂贵。比如德国最大的Goldisthal蓄能水电站,可用库容有1200万立方米,但是只能存储850万度的电量。这个蓄能水电站的发电能力是1060兆瓦,仅是德国风能和太阳能发电能力的3%。这个项目是经过了十数年时间的论证,长达七年的施工才得以完成,总耗费6亿欧元。这个规模的蓄能水电站,德国目前只有三个,其他的水电蓄能项目规模要小很多。这些水电蓄能项目加在一起,德国目前的水电蓄能能力只有6600兆瓦,不到目前风能和太阳能装机能力的20%。如果德国计划继续扩大风能和太阳能发电能力,同时依靠水电蓄能来弥补风电和太阳能发电的不稳定性,就需要把目前的水电蓄能规模扩大十数倍。德国可能很难找到这么多适合水电蓄能的地点,也难以实现这种规模的投资。也就因为这个原因,世界上目前的水电蓄能仍然主要用于电网的短时间调峰,无法用于大规模可再生能源所发出的电量的存储。水电蓄能,显然不能完全解决核电退出后德国电力供应的安全问题。

    水电蓄能至少已经成功在数千兆瓦的级别上有了成功应用,其他的蓄能方式就距离大规模应用非常遥远了。电池是民用小规模蓄能最普遍的方式,也已经有了数十兆瓦级别的应用,在一些偏远、离网的地区已经进入实际使用。但是总体而言,传统的蓄电池蓄能仍然是一个费用昂贵、维护成本高昂、使用寿命有限的方法。当然这方面的技术进步是有的。一些新的电池形式,比如液流电池和液态金属电池等也已经开始了数十兆瓦级别的工业尝试,体现出了相对传统蓄电池的优点,特别是成本优势,显示出了其用于电网蓄能的潜力;空气压缩和飞轮蓄能也已经在小规模有了成功应用;熔岩蓄能、冰冻蓄能、化学能蓄能等也已经有了小规模蓄能尝试,也有一定的工业化前景。但是所有的这些,工业化应用都是在刚刚起步,实际应用规模并不大,技术要完善到数千兆瓦甚至数万兆瓦的级别,还需要很长时间的工业实践和大量的资金以及人力投入,要真正解决德国数万兆瓦级别的电力储存问题,还相当遥远。当然,德国的科技实力雄厚,同时由于日本也准备放弃核电,自身缺少能源的科技大国日本同样需要面临蓄能技术的问题,两个国家都肯定会加大这方面的研发投入,大规模蓄能领域的技术进步应该会加快不少。但是科学研究、工程方法有其自身的发展规律,要利用这些技术帮助德国在2022年之前就解决大规模电网蓄能问题,基本上是不可能的。

    没有可以使用的大规模蓄能技术,为了保证德国的电力供应,要么就需要扩大火力发电规模,要么就需要依赖欧洲电网。德国是欧洲的用电大户,占到全欧洲用电量的12%,在所处的欧洲中西部所占比例更高。由于西欧跨越时区并不多,德国自己的用电高峰期基本上就是欧洲中西部的用电高峰期,真正缺电的时候,很可能根本无法从欧洲电网补充到足够的电力,要得到能源安全的保证,只能尽可能自己来想办法。即使能够从欧洲电网得到支持,欧洲电网里面的核电比例可不低。目前在欧洲与德国一起宣布退出核电的只有瑞士,不过瑞士目前是在使用核电,同时出口水电赚钱。退出核电对于瑞士来讲,不过就是减少一些水电的出口,实际上降低了德国可以购买的电力的清洁程度。在德国周边,其他国家并没有放弃核电的计划,特别是核电大国法国。如果德国迫于降低温室气体排放的压力不扩建火力电厂,那么从法国或者周边国家购买核电很可能就是一个重要选择。但是自己放弃核电,却从邻居那里购买,甚至指望其他国家增建核电厂来确保自己的能源安全,说起来怎么也不好听的。

高昂的电力成本

    扩大蓄能项目规模也好,扩大火力电厂建设也好,这都意味着德国在加大建设昂贵的风电和太阳能项目的同时,需要为这些清洁的发电能力提供一个可靠的备份。这样,即使风能、太阳能因为大规模工业应用、技术逐渐成熟而导致建造单价逐渐下降,电网的总的电力投资成本仍然会高居不下。投资成本的增高就必然会导致德国电价的增高,进而影响到德国工业的竞争能力。这本来也就是德国工业界对放弃核电的担心,也是默克尔政府曾经的担心,去年默克尔政府宣布延长核电厂服役期限,就是基于这个考虑。但是现在默克尔为了选票,显然已经顾不得这些了。

    实际上,不用等到2022年,德国的电力供应就已经要出现问题了。由于今年突然关闭八座核电站,德国根本没有为这些供电能力的缺失进行准备。蓄能也好,清洁能源也好,项目的建设期都需要数年,最近几年能够立刻弥补供电缺口的,只有依赖煤炭的火电。这样,德国今年的二氧化碳排放量就肯定会是个问题。已经有分析人士认为这八座核电站的关闭会带来每年四千万吨的二氧化碳排放,很可能会影响到欧盟碳排交易体制内的碳排放许可需求,推高碳排放交易价格,为整个欧盟增加负担。此外,关闭这八座核电站,德国每年会有十亿欧元的税收损失,依赖这些税收维持的一些清洁能源项目,很有可能受到影响;如果维持这些投入,那么就会增加政府的财政负担。进一步的,由于所关闭的核电站所处的地理位置问题,德国的全国供电面临失衡,有可能到今年冬季局部地区就会出现供电不足的问题。虽然默克尔声称放弃核计划的决定是超越党派的,所作出的决定是不可逆的,但是这样的政策究竟能够坚持多久,还真的需要拭目以待。

 
  相关评论 点击数:583     评论数:3    
游客     发表评论于:2014-7-8 17:26:39
任何事物都是一把双刃剑。
游客     发表评论于:2016-1-11 11:35:27
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游客     发表评论于:2014-7-25 17:38:11
很好
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