秦定龙

(四川电力职业技术学院,四川成都 610072)

1 气候变化与全球气候变暖的概念

气候总是不断变化的,这种变化的起伏通常被看成是一种自然现象。从定义上讲,气候变化是指气候平均状态统计学意义上的巨大改变或者持续较长一段时间的气候变量的明显变化,气候变量包括气温、降雨量、气流及其它变量。气候变化可以是自然因素或自然过程引起的,也可以是由人类活动造成的。《联合国气候变化框架公约》(U N F C C C)第一款中,将“气候变化”定义为:“经过相当一段时间的观察,在自然气候变化之外由人类活动直接或间接地改变全球大气组成所导致的气候改变。”U N F C C C因此将因人类活动而改变大气组成的“气候变化”与归因于自然原因的“气候变率”区分开来。笔者在文中探讨的气候变化是专门指由人类活动所导致的气候变量的改变。

气候变化主要表现在三个方面:全球气候变暖、酸雨和臭氧层破坏。其中全球气候变暖是人类目前最迫切需要解决的问题,关系到人类的未来。而全球气候变暖则是用来描述全球地表气温普遍升高的现象,这种现象可以是自然原因造成的,也可以是由人类活动引发的。两者相比,全球气候变暖是专指气温升高这一变化,因此,气候变化所涵盖的范围更广,不但包括气温升高还包括其它气候变量的变化,这两者在其本质上来讲是相互关联的,全球气候变暖是导致气候变化的原因,而气候变化则因为全球气候变暖才成为热门问题。在分析开发水电可以有效减少二氧化碳排放的因果关系上,必须首先弄清楚气候变化与全球气候变暖的基本概念。科学界普遍认为,气候变化与全球气候变暖都可以导致产生同样触目惊心的恶果。

2 引起全球气候变暖的原因和后果

全球气候变暖对地球的影响最大,是目前全人类迫切需要解决的共同难题。

(1)引起全球气候变暖的主要原因。

根据物理学原理,自然界的任何物体都在向外辐射能量,被称为热辐射。一般物体热辐射的波长有一定的范围,由该物体的绝对温度决定。温度越高,热辐射的强度越大,短波所占的比重越大;温度越低,热辐射的强度越低,长波所占的比例越大。太阳表面温度约为绝对温度6 000 K,热辐射的最强波段为可见光部分;地球表面的温度约为 288 K,地表热辐射的最强波段位于红外区。太阳辐射透过大气层到达地球表面后,被岩石土壤等吸收,地球表面温度上升;与此同时,地球表面物质向大气发射出红外辐射。大气层对红外辐射具有强烈的吸收作用,这就造成地球表面从太阳辐射获得的热量相对多,而散失到大气层以外的热量相对少,从而使得地球表面的温度得以增高,这就是大气的温室效应。温室效应主要是因为人类活动增加了温室气体的数量和种类,阻止了地面热量的散发,从而使地球变暖。最终,地球接受到的太阳辐射的能量和它散失的红外辐射的能量达到平衡,形成地球表面现有的平均气温。

地球大气是多种气体的混合物,其中氮气和氧气占其总量的 99%,但起到温室效应的却主要是一些微量气体,它只占地球大气体积的 1%,这些气体对太阳辐射的主体部分——短波和可见光吸收很弱,而对地面发出的长波辐射吸收强烈。因此,当它们在大气中的浓度增加时,大气的温室效应就会加剧,引起地球表面和大气层下部的温度升高。这些气体被称为“温室气体”。“温室气体”主要包括二氧化碳、臭氧、甲烷、氯氟烃、一氧化碳和水蒸汽等。近百年来的气候变暖被认为是二氧化碳等温室气体在大气中的浓度大幅度上升的结果。

二氧化碳和水蒸汽是最重要的两种温室气体,其中二氧化碳在大气中的含量仅占 0.03%左右,自然环境中的温室效应正是依靠这两种气体的存在才得以正常进行。研究表明,温室气体都有保温和增温作用。由于二氧化碳在温室气体中的含量高,二氧化碳分子在大气中的存在时间很长(约为 50～200年),因此,二氧化碳的增温作用最强。二氧化碳含量的大量增加,会导致地球表面附近的大气温度持续增加。也就是说,二氧化碳是造成全球气候变暖的罪魁祸首。

综合分析表明,引起温室气体增加的主要原因是人类活动。以二氧化碳为例,在人类社会实现工业化以前的 19世纪初,大气中的二氧化碳的含量仅占 0.028%,而到了 2010年,二氧化碳的含量达到了 0.037%以上。据科学界推测,温室效应加剧 70%以上的原因是由于大气中二氧化碳含量的增加。大气中二氧化碳浓度增加的原因主要有两个:首先,由于人口的剧增和工业化的发展,人类社会消耗的化石燃料急剧增加,估计人类向大气中排放了 1 600亿 t二氧化碳。如此大量的二氧化碳进入大气,使大气中的二氧化碳浓度增加;其次,森林毁坏使得被植物吸收利用的二氧化碳量的减少,造成二氧化碳被消耗的速度降低,同样会造成大气中二氧化碳浓度升高。

(2)全球气候变暖对地球和人类世界的危害。

英国伦敦智库机构——国际战略研究所于最近发表的报告称:宗教极端势力、全球气候变暖和核扩散是世界今后几年中面临的主要安全威胁,而全球气候变暖的危害堪比爆发核战争。报告认为:人类活动是全球气候变暖的原因,人类需要立即采取行动控制温室气体减排。报告说:“如果温室气体排放仍得不到控制,其灾难性后果不亚于发生一场核战争。”这样的灾难性后果“如果没有发生在本世纪,必然会发生在下个世纪”。

气候变暖会导致重大自然灾害增加和国家间争斗等问题,危及人类安全。概括起来,全球气候变暖对地球和人类世界的危害如下。

①气候变暖使冰川消融,海平面升高,引起海岸滩涂湿地、红树林和珊瑚礁等生态群丧失,海岸侵蚀,海水入侵沿海地下淡水层,沿海土地盐渍化等,从而造成海岸、河口、海湾自然生态环境失衡,给海岸带生态环境带来极大的灾难。

②水域面积增大,水分蒸发更多,雨季延长,水灾正变得越来越频繁,遭受洪水泛滥的机会增大、遭受风暴影响的程度和严重性加大,水库大坝寿命缩短。

③气温升高会使地球两级的冰雪融化,北极熊和海象会渐渐灭绝。

④许多小岛将会无影无踪,小岛上的一切会被淹没在海水面以下,后果可怕。

⑤因为还有热力惯性的作用,现有的温室气体还将继续影响人类的生活。

⑥温度升高将影响人的生育,进而影响到人类的繁衍和生息。

⑦造成原有生态系统的改变和破坏。

⑧对人类生产领域影响巨大,农、林、牧、渔业等部门会失去常态运转。

⑨将感染疾病等传染病,病菌通过极端天气和气候事件(厄尔尼诺现象、干旱、洪涝、热浪等)传递,扩大疫情的流行,对人体健康危害增加等。

⑩会改变世界的政治格局。

要阻止全球气候变暖,就必须限制二氧化碳的排放量,这就等于是限制了对能源的消耗,必将对世界各国的经济发展产生制约性的影响。二氧化碳如何在各国“减排”已成为各国讨论的焦点问题。发展中国家和发达国家关于温室气体“减排”的争吵,致使阻止全球气候变暖的科学问题必然引发“南北关系”问题,从而使气候问题成为一个国际性政治问题,进而会改变世界的政治格局。

3 减缓全球气候变暖的有效措施

由于全球气候变暖将对人类世界带来灾难性后果,因此各国政府与公众对变暖问题产生了极大的关注。全球气候变暖问题不仅是科学问题、环境问题,而且是能源问题、经济问题和政治问题。气候变暖问题是当今全人类面临的挑战,是全人类需要共同解决的难题。

在目前的认识水平下,二氧化碳在大气中的含量增加是造成全球气候变暖的罪魁祸首。而二氧化碳含量的增加主要又是由于人类大量使用煤炭、石油等化石燃料造成的。要减缓全球气候变暖的目标,顺理成章的主要措施就是减少二氧化碳向大气中的排放量。因此,减排问题就是居住在地球村内每一个居民应尽的责任和义务,如果不减排,大家就一起毁灭。目前来看,有效的减少二氧化碳的排放量是减缓全球气候变暖的有效措施。一些组织和国家在减排问题上已采取了重大措施。

(1)欧盟加大开发可再生能源。

为应对全球气候变暖问题,欧盟准备在 2013年前投资 1 050亿欧元发展“绿色经济”。加大开发可再生能源力度,减少对化石能源的依赖,计划到 2020年将温室气体排放量在 1990年的基础上减少 20%。到 2020年把可再生能源的比例提高到 20%,把用于交通的生物燃料至少提高到10%,将煤、石油、天然气的消耗减少 20%。

(2)美国出台应对措施。

美国政府拟出台一整套应对措施:启动“总量控制和碳排放交易”体系;每年确定目标,最终在 2020年前将温室气体排放降低到 1990年的水平,并到 2050年再减少 80%;另将投资 150亿美元开发清洁能源,发展安全核能与清洁煤炭技术。

(3)中国广泛参与国际合作。

中国一直积极推进减缓气候变化的政策和行动,是遏制温室气体排放的积极参与者。在调整经济结构、转变发展方式、大力节约能源、提高能源利用效率、优化能源结构等方面做出了不懈努力,并取得了显著成效。在 2009年末举行的哥本哈根国际气候变化大会中,中国政府表现出了解决世界气候问题的态度、诚意和决心。

遏制全球气候变暖需要各国联手,落实《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》相关条款,提高能源能效,开发新能源,节能减排,最后达到减缓全球气候变暖的目标。

4 开发水电可以有效减少二氧化碳的排放

2009年 6月 22日,《美国清洁能源安全法案》获得众议院通过。该法案规定,从2020年起,美国总统将获权对来自没有达到温室气体减排标准的国家的产品采取“边界调节税”,亦称“碳关税”。从而使减少二氧化碳排放这样一个纯技术问题上升为国与国之间的经济问题、政治问题。对于以出口为经济推动的发展中国家来说,“碳关税”是一把悬在头上的“达摩克利斯剑”。

为了落实《京都议定书》相关条款和温家宝总理提出的节能减排目标:到 2020年,我国单位国内生产总值二氧化碳排放比 2005年下降 40%～45%,同时不受制于美国的“碳关税”控制。根据中国本身在能源开发和利用方面的特点,制定出适合本国国情的二氧化碳减排方案,才是强国大计。

(1)中国的水能资源非常丰富,理论蕴藏量世界第一。

我国水能资源非常丰富,2005年 11月 26日,全国水力资源复查工作领导小组办公室发布了全国水力资源复查的主要成果:中国大陆水力资源理论蕴藏量在 1万 k W及以上的河流共计 3 886条,水力资源理论蕴藏量年电量为 60 829亿 k W◦h,平均功率为 69 440万 k W;技术可开发装机容量为54 164万 k W,年发电量为 24 740亿 k W◦h;经济可开发装机容量为40 180万 k W,年发电量 17 534亿 k W◦h。中国水力资源理论蕴藏量、技术可开发量、经济可开发量及已建和在建开发量均居世界首位。水力资源是我国能源资源的最重要的组成部分之一,如果将其折算成标准煤,相当于我国能源总量的 40%左右。水能是可再生能源,优先发展水电是我国能源发展战略之一;利用水能,开发水电也是我国的基本国策之一。

(2)中国水能资源开发程度远低于世界发达国家水平。

截至到 2010年底,我国的水电装机容量已达到 2.134亿 k W,占技术可开发量的 39.4%,与发达国家开发程度已达到 70%相比,我国水力资源的开发程度相当低,因此,水力资源开发利用的潜力相当巨大,任重而道远,水电开发前景一片光明。水电、风电等清洁能源在我国能源中所占的比重如表 1所示。

表 1 中国一次能源消费构成及其变化表(1957～2007年) /%

统计数据表明,新中国成立 60余年以来,水能、核能和风能等清洁能源成逐步上升的趋势,但总体上升幅度不大。2008年以前,清洁能源最高消费仅占总能源年消费的 7.5%左右,这其中的绝大部分是水能消费,而核能和风能仅占很少的比例,说明中国在开发利用水电方面还有巨大的潜力。

(3)中国与西欧和北美等发达国家相比水能开发利用程度差距很大。

有关世界组织 1992年发表的统计数据表明:在 1991年,加拿大的水电发电量已占全国总发电量的 61.9%、瑞士占 56.2%、奥地利占 67%、巴西占 88%、秘鲁占 82%,而当时美国的水电装机容量居世界第一位,占可开发量的 50%。挪威现有电力装机容量 2 700万 k W,其中 99%是水电,仅有 1%(即 27万 k W)的工厂备用火电机组,年发电量中 99.6%为水电。到目前为止,西欧和北美等发达国家的水能开发程度已普遍超过 70%,个别国家已无水能可开发。而中国截至到 2009年,水能开发程度仅为 35%左右,其发电量仅占15.91%,说明中国的水能开发程度远远低于西欧和北美、日本等西方发达国家,差距很大,还有很多路要走。在大力减少二氧化碳排放量的当今世界,中国只有加快水能开发的力度,经济才能持续、稳定、安全、高速的发展。

(4)水电比太阳能和风能的优点更为突出。

在单独驱动大功率机械方面,太阳能显然不及水能。太阳能和风能不能为大型工厂提供充足的电力,不能牵引火车在铁轨上飞奔。目前,水力发电机组的单机容量可达到(80～100)万 k W,而太阳能的最大输出功率则无法与水能相提并论。

太阳能是穷人的奢侈品,其成本居高不下。与传统能源——水、火电相比没有任何优势。按照 2006年的经济发展水平,太阳能单位发电成本为 2.38元/k W◦h,而同期的煤电仅为 0.21元/k W◦h,水电则更低。因为发展中国家有大量的传统能源但因其排放较多的温室气体而被限制使用,需从发达国家购买昂贵的风力、太阳能发电设备而花掉大量外汇,反而失去了更多的发展机会,所以说太阳能是穷人的奢侈品。

太阳能和风能很不稳定,阴天和下雨天太阳能发电会受到很大的影响。此外,大气影响风的因素很多,影响风的因素人类不可控,风的变化随机性很大。

太阳能和风能发电的核心技术掌握在欧美等发达国家的手中,而发展中国家始终处于被动受控的状态,因此,不能因为“二氧化碳排放”问题影响发展中国家的发展。

太阳能是否就是真正绝对清洁的能源吗?答案是否定的。经调查发现,太阳能发电所需要的初硅提纯是一个高耗能、重污染的行业,而主要的生产基地就在中国。

目前,中国已经成为世界最大的光伏产业市场,太阳能最重要的原料多晶硅的生产效率低下,国内部分企业多晶硅制造技术陈旧,耗电量大,同时伴随着巨大的污染。每提纯 1 t多晶硅就会有8 t以上的四氯化硅产出,以及三氯氢硅、氯气等废液、废气排出。中国太阳能产业的繁荣是以牺牲脆弱偏远地区的环境为代价的。

中国太阳能市场“两头在外”,即核心技术、重要原料、销售市场均在国外,中国只是一个简单的加工厂,将便利输送到了国外,自己却变得满身灰浊。

风力发电也有污染。来自日本的风力发电监测数据表明,风力发电机组工作时会产生很大的噪音,对附近居民的生活和休息都有影响。此外,风力发电机高度一般均在 10～20 m左右,都是“庞然大物”,再加上风机“嗡嗡”作响的噪音,迁徙的候鸟不敢降落觅食休息,生活在附近的海鸟纷纷“搬家”,生态环境受到了影响。

综上所述,水能比太阳能和风能还是要占很大的优势。

(5)水电的碳排放系数最低。

表 2列出了各类发电的碳排放系数。

表 2 各类发电碳排放系数表

由表 2可以看出:对于水电、核电、风电和太阳能的减排力度,水电的碳排放系数是最低的。

(6)提高水电在一次能源消费中的比重,可以大大减少二氧化碳排放量。

2009年,全国全社会用电量为 36 506.23亿k W◦h。其中煤电和水电等各种类型的发电量和所占比重如表 3所示。

表 3 中国 2009年发电量及分类情况表

可见,中国一次能源的构成主要是煤电和水电,其它类型发电量所构成的比重很小。根据中国能源构成的国情和实际情况,如何加快开发水电和加重水电在能源消费中的比重,是减少二氧化碳排放量的有效途径。

以 2009年全国全社会用电量为基准计算出的 2009年二氧化碳排放量及火、水电比例发生变化时的碳排放量如表 4所示。

由表 4中的计算可以看出,假设以 2009年的总发电量为基数,适当增加水电在一次能源消费中的比重,可以较快的减少碳排放量,这是因为水电的碳排放系数是所有发电种类中最低的(它只有煤电的 1/55)缘故。假如水电发电量增加 1%,则一年可减少二氧化碳排放量约为 968万 t。根据中国能源构成的实际情况,如果把水电发电量增加 10%,即水电发电量占到中国一次能源消费的 25%左右,则可每年减少碳排放量大约为9 677万 t,这是一个不小的数字,只有这样,才能履行中国到 2020年我国单位国内生产总值碳排放比 2005年下降 40%～45%的承诺。减少了碳的排放量,也就是减少了二氧化碳的排放量。既使把中国水电发电量提升到一次能源消费 25%的水平,与西欧和北美等国家相比,差距还是很大。

表 4 2009年火、水电及比重变化时碳排放量变化表 /万 t

(7)美国的研究成果表明:水电站的存在可以减少二氧化碳排放。

美国西北电力规划委员会最近的一项研究表明,在美国西北部地区,由于水电站的存在,使发电排放的二氧化碳量明显低于其它区域。其研究结果显示,2005年,在正常的水资源条件下,美国西北部地区发电站每兆瓦时(M W◦h)的二氧化碳排放量为 236 k g,而整个西部地区电网的排放量为每兆瓦时 408 k g。

5 结 语

中国水能资源理论蕴藏量和年发电量占常规能源资源量的 40%左右,是世界上水能资源总量最多的国家。水能是无污染的清洁能源,可再生、便于开发、可以拉动落后地区经济的发展;水力发电成本低廉,运行的可靠性高,故其发展极为迅速;水力发电工程的设计理论、建设技术、水轮发电机组制造技术和输电技术等都趋于完善,单机容量也不断增大,中国的水力发电技术已是世界一流水平;水力发电是绝对的绿色环保能源,其水利工程还能调沙、防洪、防干旱、调节航运、利于农业发展和河道治理,一举多利,是工程建设中综合利用的典范。

水力发电还可以克服太阳能设备制造中造成的环境污染、克服太阳能和风能发电不稳定、其功率不能拖动大型机械设备、不能为大型工程提供充足电力和成本过高的诸多缺点。当然,在建设水力发电工程中也可能造成对生态环境的一定影响,但这些问题在目前的技术经济条件下是完全可以克服和解决的。

太阳能和风能是穷人的奢侈品。在水能和太阳能及风能的发展选择上,发达国家是尽可能选择太阳能及风能,而发展中国家则是优先选择水能。

2004年 10月 29日,联合国水电与可持续发展国际会议在北京通过了《水电与可持续发展北京宣言》,指明了水电建设必须走可持续发展之路,可持续发展之路也就是水电建设的未来之路。

在中国要持续、稳定、低碳和经济的发展,基于水能占常规能源资源量的 40%左右这样一个事实,走中国自己的能源发展之路,提升加大水能的开发和利用,提高水能在一次能源消费中达到25%以上的比重,应该是一个极好的选择。

[1] 王革华,艾德生.新能源概论[M].北京:化学工业出版社,2006.

[2] 徐汉国,杨国安.中国低碳发展[M].北京:中国电力出版社,2010.

[3] (美)尼克.达拉斯,著.王瑶,译.低碳经济的 24堂课[M].北京:电子工业出版社,2010.

[4] 王罗春,张 萍,赵由才.电力工业环境保护[M].北京:化学工业出版社,2008.

[5] 勾红洋.低碳阴谋[M].太原:山西经济出版社,2010.

[6] 张建强,刘 颖,刘 丹.生态与环境[M].北京:化学工业出版社,2009.