核电碳排放生命周期评估

2023-10-25 11:22  来源: 嘿嘿能源heypower    核电  碳排放  英国核电

随着跨行业举措消除发电和输送电力产生的碳排放,核能的低碳优势将与其他替代发电源一起得到促进发展。


随着跨行业举措消除发电和输送电力产生的碳排放,核能的低碳优势将与其他替代发电源一起得到促进发展。

1、生命周期碳排放


IPCC最新报告称,如果不“在所有部门立即大幅减排,将全球变暖限制在1.5℃是难以实现的”。

虽然核电站提供低碳发电能源,而电站本身是大型基础设施,因此必须考虑到材料采购以及施工、运营和退役过程中产生的碳排放。

根据国际气候变化专门委员会(IPCC)的数据,在发电选择中,核能的生命周期碳排放量与海上风电的碳排放量相似。

他们估计这两种电源的碳排放量为12t/MWh,与排放量最低的陆上风电(排放量为11t/MWh)之间的差异很小。

核能的碳排放量是水电的一半(24t/MWe),是太阳能光伏的一半到五分之一,太阳能光伏的生命周期排放量高达45t/MWh。

当然,与化石燃料发电相比,所有这些排放水平都很小。

在同一IPCC排名中,煤炭生命周期排放量为820t/MWh,甲烷气体排放量为490t/MWe。(IPCC的评估实际上是以“二氧化碳当量排放量”为单位的,因为它考虑了不同的温室气体,其影响可能是二氧化碳的许多倍。)

但这个数字并不是一直固定的。

实现脱碳目标也会影响到供应链中的公司,就像影响到发电公司本身一样。这为所有低碳能源提供了一个机会,随着各式新能源的发展改进,我们将真正地迈向零碳能源。

这对核能意味着什么?英国的压水堆新建项目提供了一个有用的比较时间表。

2、碳评估


塞兹韦尔C项目几乎是欣克利角C项目的翻版,但预计其产生的碳足迹要小得多。

英国欣克利角C项目的“第一批混凝土”于2017年3月开始浇筑,尽管在此之前土建工程已经进行了一段时间。

其后续的塞兹韦尔C项目的工程,预计将在本十年中期完成,建设二期将从30年代后半叶开始。在这二十年里,人们正在采取重大措施来减少其部件的碳负荷。

2021年,欣克利角C项目的所有者NNB发电公司HPC有限公司发布了核电站碳排放的生命周期评估,以及其他影响——欣克利角C项目开发电力的生命周期碳和环境影响分析。

研究发现,“在大多数评估的环境指标中,核心施工阶段是每千瓦时发电量的最高贡献者。

在核心施工生命周期评估(LCA)阶段,总体而言,贡献最高的是建造[欣克利角C]所需材料材料,特别是那些与所用钢材和混凝土相关的产品。”

分析中显示,与建筑相关的全球变暖潜能值(GWP)的77%来自能源和材料使用。建筑所需的能源贡献了30%,电网电力和柴油各占一半。约47%来自所需建筑材料的内含碳,如钢筋(15%)和混凝土(略低于10%)。

将建筑材料和土方工程运输到现场,以及将建筑废物运输到场外,占核心基础设施建设全球升温潜能值的12%。

3、电网碳排放


欣克利角C项目的建设将使用大量碳密集型材料,如混凝土和钢材。

自2017年以来,英国电网建设所需电力的平均碳排放量已经大幅下降。

那一年,英国政府公布了公司用于年度报告的电网电力的温室气体“转换系数”为0.35千克/千瓦时。

2023年,根据2022年的电网电力组合,政府的数字下降了三分之一以上,降至0.21千克/千瓦小时。柴油发电机不是由网络供电,但趋势是相同的。

例如,提供租赁柴油发动机的亚力克公司在2022年承诺,在2030年前将其组织的柴油使用量减少50%。

该公司表示,“具体而言,我们打算从4月起逐步停止提供柴油燃料管理服务,而只提供加氢植物油(HVO)”。

它还正在研究在燃料电池中使用其他潜在的低碳燃料,如甲醇和氢气,以用于柴油发动机的未来应用。

4、混凝土生产碳减排

混凝土和钢铁行业都有到2050年实现净零排放的宏伟目标,但未来几十年的进展需要一些重大的技术发展。

汉森是一家主要的混凝土供应商,其客户包括欣克利角C项目。水泥是混凝土的关键成分,汉森的水泥业务造成了90%的碳排放。

其中一部分来自所使用的能源,但约70%来自水泥生产中涉及的化学过程。

因此,阻止二氧化碳排放的唯一方法是碳捕获和储存(CCS)。

汉森的母公司海德堡材料公司将通过其正在开发的CCUS项目,在2030年之前捕获和储存1000万吨碳。

在英国,汉森有三个项目:

Padeswood水泥厂,位于北威尔士莫尔德附近,该公司计划投资约4亿英镑(5.06亿美元)在那里建造CCS,将通过HyNet西北地下管道运输捕获的碳,并将其储存在海底,目标是使汉森能够在2027年前生产净零碳水泥。

拉特兰Ketton水泥厂,将使用溶剂,选择性地捕获二氧化碳。这可能比其他一些碳捕获技术需要更少的能源。可行性研究现已完成,示范装置预计将于今年晚些时候安装。

Ribblesdale水泥厂,汉森与海德堡材料公司的研发团队在那里演示了湿式洗涤器内强制碳化回收混凝土浆。该过程消除了生产过程中的排放,并产生了一种二次材料,然后可用于取代水泥和混凝土生产中的原始石灰石。

这些发展预计将使该公司在2030年前转向低碳混凝土。

与此同时,它已经能够通过改变其具体成分来减少碳排放。EcoCrete系列用Regen GGBS(磨碎的粒状高炉矿渣)代替了混凝土中的一些水泥。

除了减少碳排放外,使用GGBS还提高了结构的长期耐久性,不需要采石,并减少了对矿渣的处理。

Ricardo的报告指出,“标准”混凝土和高密度核混凝土之间存在差异,因为它需要重骨料,如磁铁矿或铁丸。

但是(根据上述事实,水泥承担了很大一部分碳负荷),报告同时发现,在核心施工阶段,对于总发电量,“一般来说,敏感性分析表明,虽然在关键的核心HPC基础设施中,用重混凝土的数据集代替了普通混凝土的数据集,但该模型对这种变化的敏感性并不高。”

5、钢铁生产碳减排


混凝土和钢铁等材料的低碳生产方法,正在改善核能发电厂碳足迹的平衡。

英国钢铁公司也是欣克利角C项目的主要供应商。其脱碳战略旨在到2035年将碳排放量减少82%,到2050年生产净零钢铁。

其低碳路线图于2021年10月启动。一些减排是可以通过管理行动实现的,例如回收,英国钢铁公司在其最新的脱碳行动计划中表示,已将其回收含量从历史平均13.8%提高到平均24.7%。

该路线图还包括在需要直接加热的操作中整合电弧炉炼钢和用氢气取代甲烷气体的可行性研究。

其他钢铁公司也在减少碳负荷。塔塔钢铁公司技术和研发副总裁Debashish Bhattacharjee博士在最近的一篇博客中表示,该公司最近在其Jamshedpur工厂的一座高炉中成功地试喷了氢气。这是世界上第一次在高炉中连续注入如此大量的氢气。

该试验表明,每吨粗钢的碳排放量有可能减少7-10%。

他说:“通过研究这些数据,我们现在知道了当我们向熔炉中注入大量纯氢时,在气体体积、反应速率和温度方面会发生什么”。

全球能源监测(GEM)认为,钢铁行业已经开始了一个“关键”的转变:其最近发布的报告称,43%的计划炼钢产能现在基于电弧炉,57%使用煤基高炉碱性氧气炉。

尽管电弧技术不到计划产能的一半,但去年报告中的“转折点”意义重大:当时只有33%的计划产能用于发电,而基于化石燃料高炉的计划产能为67%。与水泥和混凝土行业一样,CCS是减少排放的关键技术。

6、输电系统碳排放

整个电力部门的内含碳可以通过主要材料的低碳变体来减少。

整个系统脱碳的首要任务是减少从发电厂开关站到最终用户的输电系统的排放。同样,这些类型的损失影响连接到电网的所有形式的发电。

Ricardo关于欣克利角C项目的报告显示,欣克利角C项目发电的碳负担将低于输送给用户的电力。

报告中说:“HPC输送的千瓦时电力的全球升温潜能值总额几乎有一半来自下游影响……这包括电网本身的基础设施和运营要求,还包括塔架金属和SF6绝缘(一种强大的温室气体)排放泄漏等所需材料的影响。”

输电和配电网络的损失更是雪上加霜,因为必须“补足”损失,导致总排放量增加6%。

7、六氟化硫的使用

输送阶段脱碳的一个主要问题是六氟化硫——缩写化学式SF6,如Ricardo评论中所述——近几十年来一直被常规用于变电站和开关设备,以及较小的电气设备密封项目。

它为变电站设备提供了一个电绝缘环境,以前变电站设备会依靠“气隙”来避免短路和随后的局部停电。

因为它的绝缘性能比空气好得多,所以在SF6中产生电弧的可能性是在空气中的100倍。

因此,将开关设备密封在SF6气氛中,意味着各种配电设施组件可以靠得更近,因此变电站所需的体积更小。

带有气体绝缘开关设备的变电站的占地面积比空气绝缘的变电站小30-40%。这为网络和建筑设计师提供了更多放置电气设备的选择,这在空间昂贵的地区(如城市)非常重要。

毕竟,变电站的空间成本最终会反馈给用户账单。此外,空气绝缘开关设备通常暴露在环境条件下——灰尘、雨水,甚至动物——这使其容易发生故障。

但SF6有一个劣势:它是唯一最具破坏性的温室气体。每吨相当于23,900吨二氧化碳。因为有时会发生气体泄漏,因此(与类似的气体)是输电公司业务碳足迹(BCF)的最大贡献者。

电力供应行业几乎是SF6的唯一用途,自SF6普遍使用以来,其对空气的排放量显著增加。立法者正在进行打击。

例如,欧盟此前曾将电力行业排除在2014年法规对所谓F气体的限制之外。但修订后的法规将影响电力行业。

与此同时,随着碳成本的增加,电力行业有更大的动力来防止泄漏情况的发生。

随着时间的推移,也有新的选择取代电网设施中的SF6,但随着技术的发展,替代品的使用已经放缓。

取代SF6的一种技术主要在空气添加一定比例的全氟烷基和多氟烷基物质。这些化学品简称PFAS,但是这些物质对人体健康存在潜在威胁,使用受到严格限制,至少在美国和欧盟是如此,因为这些国家的立法机构正在制定新的法规。

这种替代方案在严格限制下还不能推广。然而,当塞兹韦尔的一家新工厂安装开关设备并出口电力时,应该能够保证整个网络中电子的低碳传输。

在欣克利角C项目和塞兹韦尔C项目两个反应堆建设时间表之间,脱碳举措正在整个电力行业和整个经济中生效。它们并非核工业独有,但核能可以从这些变化中获得发展。

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