各種發電方法的外部成本

李 敏

前 言

 〝電〞在使用時非常方便、安全,且不會造成污染,但是在將初級能源(燃油、燃煤、燃氣、核能、水力、各種再生能源)轉換成電能的過程中,卻會對社會及環境帶來許多的衝擊。

   不管採用何種初級能源來發電,均需經由各種不同的發電裝置。發電裝置的建造需要耗費地球的資源。能量密度大的初級能源所需的發電裝置較小,能量密度小的初級能源需要較大的發電裝置,也將耗費較多的資源。任何發電裝置的建構與運轉均會對環境帶來衝擊,衝擊的層面與特質會因初級能源的不同而有所不同。任何發電裝置的建構與運轉也都會有可能對從業人員或者一般民眾帶來生命的威脅及健康的影響。各類型的發電裝置所佔的土地,也會因使用之初級能源的不同而有所不同。

  理論上來說,各類型發電方法對社會及環境帶來的衝擊可換算為所謂的〝外部成本〞。但是在換算的過程中,會因地域、時間、對嚴重性的認知、甚至意識型態的差異而產生許多爭議,變成各說各話的局面。因此以下將不討論如何將衝擊與影響換算成外部成本,僅比較各類型發電方法所需的資源及對環境所造成的影響。

  為了能更深入與廣泛的討論各類型的發電方法、資源的需求與所造成的影響,以下的討論將不侷限於終端使用者。

 

燃煤 燃油 燃氣
水力發電 地熱發電 生質能
風力發電 太陽能發電 核能發電

各類型發電方式的土地需求

  任何發電裝置的運轉均需佔用地球表面的面積,根據國際原子能總署資料[5],火力及燃煤電廠每百萬瓦(0.1萬仟瓦)約需土地面積100到260平方米,利用光電池發電,每百萬瓦約需土地面積30,000平方米,而建於陸地的風力發電系統則需75,000平方米。有人認為太陽能發電及風力發電並不佔用實際土地面積。但以風力發電而言,一座600仟瓦之風車實際所佔的面積為36平方米[6],如果核四裝置容量將以風力取代,風車實際所佔的面積即為162公頃,這不包括風車間應該保持的距離。

 

各種發電方法所需的材料總量及工時

  建構任何發電裝置均需要材料及人力,以下的比較是以發電量為基準,即是每產生1百萬瓦-年(也就是87.6億度電)電量所需之材料及工時[7]

 

材料(公噸)

工時(小時)

太陽能發電(光電)

~3.5x104

~2.5x104

太陽能發電(熱)

~2.0x104

~1.0x104

風力發電

~5.0x103

~1.8x104

燃氣

~2.8x102

~2.9x102

燃油

~5.9x102

~3.2x102

燃煤

~1.5x103

~4.0x102

核能

~1.8x103

~6.0x102

 

各類型發電方法的廢棄物體積

  各類型發電方法均會產生廢棄物。核能發電的廢棄物包括低階放射性廢料、使用過核燃料、以及鈾-235濃縮過程中所產生之鈾-235含量較低的鈾;燃煤發電的廢棄物則包括煤渣、除污裝置所收集之微塵及殘餘物;太陽能發電廢棄物的來源則是來自於晶片製造過程中所產生的廢棄物,包括許多極具毒性的氣體,例如silane, arsine, phosphine, diborane等。這些廢棄物的處理都需要特別而昂貴的技術。

  下表所列為各種發電方法中所產生之廢棄物體積,計算基準為1000百萬瓦電廠運轉30年所累積之廢棄物總量[5]。如果將核能產生後之使用過核燃料再處理,回收鈾及鈽,可以大幅減少廢棄物的總量,如果在滋生反應器的技術可以順利的發展,亦可將U-238當作燃料使用。表格中沒有風力發電的數據,其廢棄物為報廢的設備。

 

發電方法

廢棄物種類

總量(公噸)

有害物質(公噸)

核 能

使用過核燃料

1.05x103

1.05x103

低階核廢料

5.67x104

5.67x104

鈾-238

8.16x106

8.16x106

燃 煤

收集之微塵

2.03x106

2.03x106

除污設備產生之廢棄物

3.57x106

含量不明

煤渣

2.18x107

含量不明

太陽能發電(熱)

金屬製造

4.35x105

1.63x104

太陽能發電(光電)

晶片製造

6.86x103

6.86x103

 

 

發電對環境的衝擊

燃煤

  一些產煤國利用露天開採的方式採煤,也就是直接使用重機械將岩石及泥土挖起,再做進一步的篩選。露天採煤的方式,對環境帶來相當大的衝擊,礦區會留下數十平方公里,深達一百公尺的〝大洞〞;挖出的岩石經過雨水的沖刷,造成岩石內的有毒重金屬的析出,雨水再重金屬帶到礦場附近的河流或進入地下水,對生態帶來浩劫。在印度Singrauli地方[1],超過20萬的居民(大部分是農民),即因為12個露天煤礦場所造成的衝擊,流離失所,喪失謀生的依靠。

  燃煤發電方法對環境最大的衝擊來自於煤燃燒所釋放出的硫化物、氮氧化物、及微塵,其排放量與使用的煤、電廠的除污設備、及電廠容量因數有關。民國88年,台電燃煤發電的裝置總容量為810萬仟瓦,總共排放了113,140公噸的硫化物[2],46,035公噸的氮氧化物,以及1,845公噸的微塵到外界環境。燃煤電廠會釋放大量的二氧化碳氣體到外界環境,二氧化碳被認為是地球大氣溫室效應轉強的主要原因,估計台電810萬仟瓦的燃煤電廠每年會排放4,400萬公噸的二氧化 碳(民國89年時全國二氧化碳的排放量為22,300萬公噸)。

  燃煤中本來就含有長半衰期的放射性物質鈾及釷,據估計[3]全世界的燃煤電廠於1982年共使用了280,000萬公噸的煤,共排放了3,640的鈾,及8,960噸的釷到外界環境,其中包括23,450公斤的鈾-235,這些長半衰期核種的衰變會形成各種放射性物質,對人類及生物造成輻射劑量。

燃油

  燃油的開採也會對環境帶來衝擊,但相對於露天煤礦的開採,其影響較小。燃油的運輸也有可能對環境帶來衝擊。1967年Torrey Canyon 油輪的船難,大約3千萬加侖原油洩到英吉利海峽及附近海灘[4]。1989年美國Exxon石油公司的油輪釋放了超過1千萬加侖的原油到Prince William Sound,共花費了20億美元的清理經費,也對環境及生態帶來了巨大的影響。

  石油的燃燒亦會排放氮化物及硫化物。民國88年,台電燃油電廠的總裝置容量為530萬仟瓦,總共排放了45,937公噸的硫化物,23,880公噸的氮化物,以及1,731公噸的微塵到外界,估計台電燃油電廠的二氧化碳排放量為2,116萬公噸。

  石油在使用前的提煉過程亦會污染環境,釋放有毒化學物質,如鉛、水銀、鎘、及砷到外界環境,這些污染物質會進入水源及食物鏈,對人體的健康造成影響。

燃氣

  使用燃氣發電確實較燃煤及燃油為乾淨,但是氮化物及硫化物的排放仍然不可避免。民國88年,台電燃氣電廠的裝置容量為431萬仟瓦,總共排放了140公噸的硫化物與1,858公噸的氮化物,以及530公噸的微塵到外界環境。

水力

  水力發電雖然不會排放污染物到環境,但水壩的建造會淹沒大片的土地,必須遷移許多居民與野生動物,水庫也會影響到附近,以及下游河川的生態。1964年 Aswan水壩修建前,Nile 河下游漁獲量為31,000公噸。1968 年水壩完成後,漁獲量銳減為500公噸,造成 4,500 名漁民失業[4]

地熱發電

  利用地熱發電有數種不同的方法。如果是直接抽取地下的熱水會造成地層的下陷,而自地底抽出的水含有大量的礦物質,如不妥善的處理,會造成水污染。如果是利用水流入地底加溫,成為水蒸汽來發電,注入的水有可能引起地震,而自地底流出之水蒸汽有可能攜帶有毒的化學物質。利用地熱發電會造成地底放射性氫氣以及硫化氫的外釋。加州的地熱發電廠所釋放的氫氣與核電所釋放的放射性核種所造成的影響差不多。

生質能

  利用生質能發電將需要大片的土地。植物的種植也需要大量的肥料與殺蟲劑,植物的燃燒雖不會產生二氧化硫,但會產生微塵,植物的燃燒也會產生二氧化碳。

風力發電

  風力發電不會造成空氣污染,但有可能會對發電裝置附近的鳥類,特別是猛禽類造成傷害。美國National Audubon Society 及U.S. Fish and Wildlife Service已知發出呼籲,希望重新檢討於猛禽類較多的區域,開發風力發電的可能性。歐洲的國家亦有相似的相法[5]

太陽能發電

  太陽能發電在發電過程中,亦不會造成空氣污染,但是在光電晶片的製造過程中會產生大量的有毒廢棄物。

核能發電

  核能發電的熱能來自核分裂,因此不會有空氣污染的問題,可是核分裂的過程中會產生大量的放射性物質。正常運轉的核電廠,將不可避免排放非常微量的放射性物質到外界環境,釋放到外界環境之放射性物質所造成的劑量可能小於環境背景輻射的千分之一。但是如果核能電廠發生嚴重的事故時,會有較大量的放射性物質釋放到外界環境,對環境及民眾造成傷害。

 

各種發電方法對人所造成的傷害

  任何發電方法的建造與運轉過程中,從業人員都有可能受到傷害;燃料的開採與運輸也有可能產生意外,廢棄物的處理與環境的污染均有可能對人類帶來傷害;核電廠發生事故時,亦會對人類帶來傷害,以下之比較亦是以發電量為基準,也就是每產生1百萬瓦-年(87.6億度電)所造成的傷害,傷害是以死亡以及受傷(或生病)所損失的工作天為基礎,這些估計是由Roger Bezdek 於1993年所提出的[8]

 

發電方法

損失工作天

死亡

天然氣

2-8

1

核能

8-15

1-2

水力

60-70

2-6

太陽能發電(光電)

75-125

6-9

太陽能發電(熱)

50-90

8-9

風力

30-90

7-9

燃油

250-825

9-20

燃煤

800-1000

20-90

 

 根據統計資料1930年時每億噸煤的開採要犧牲346名礦工的生命,到1977年時降低19名。煤礦的開採亦會使礦工罹患肺部疾病(Black Lung)。 Wrenn (1979)[9]估計1個1000百萬瓦的燃煤電廠使用的煤,會造成2-4名礦工的死亡,以及2-8個Black-Lung的病例。煤的燃燒會造成空氣污染,美國一個研究機構估計,中國大陸每年會有90萬人因與空氣污染有關的疾病死亡[5]

 

 天然氣雖然乾淨,但是在運輸與儲存的過程中也有可能發生意外。1989年,前蘇聯鳥拉山的天然氣輸入管線發生洩漏[10],因地形的關係,緩慢洩漏出的天然氣並未擴散,當一輛客運火車通過時,車體與軌道間的火花引起天然氣爆炸,1200名乘客中,有300名立即死亡,另外700名需要住院治療。

 

 民眾對核能最大的疑慮來自核電廠的安全,擔心一旦核電廠發生事故,大量放射性物質的外釋,會造成非常大的傷亡。到目前為止,核電廠最嚴重的事故為蘇聯車諾比爾事故,事故發生後有31人因輻射傷害死亡,145個嚴重輻射傷害的病例。1989年時,蘇聯一個民間團體宣稱:事故發生後被強制進入污染區工作的平民及軍人中有256人因輻射傷害而死亡,1990年時認為有300人因輻射傷害而死亡[5]。蘇聯車諾比爾事故發生後,大量的放射性物質隨風飄向歐洲大陸。但歐洲民眾所接受的劑量將不太可能高於每年所接受之背景輻射劑量。

  

  台灣核電廠所使用的普通水反應器不可能發生類似車諾比爾的事故,普通水反應器發生類似三哩島事故之嚴重事故的機率非常低。到目前為止,使用普通水反應器的核能電廠尚未對一般民眾帶來可證明之輻射傷害。

 

結 語

  人類文明的發展與經濟成長需要以能源為動力;在使用能源時必須藉助機械裝置;能源使用的本身與機械裝置的建構均會對環境造成干擾。

  到目前為止,人類對這些干擾會帶來何種影響還不是非常的了解,只能從干擾發生的〝量〞來估計各類型能源使用的優劣,但是談到何者的影響較大或較小時,難免會因價值觀或意識型態、以及知識多寡的不同,產生各說各話的局面,這也使得所謂發電方法外部成本的評估更加困難,要想達到共識可能是緣木求魚。但希望能透過資料的交換與分享,讓社會大眾對各種發電方法所需資源與必須付出的代價有進一步的了解。

附 註:

  以上的文字主要是依據參考資料[5]節譯而來。所列參考資料亦取自參考資料[5],但為求證其正確性,曾參閱數篇可以取得的資料。

參考資料

  1. Flavin, c. and Lenssen, N., 1994 Power Surge, Guide to the Coming Energy Revolution, pp 376.
  2. 文中有關台電的數據均由台電公司提供.
  3. Science News, October, 1994.
  4. Moeller, Dade W., 1992, Environment Health, Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts, p 253-281.
  5. Lehman, Linda L., 1996, “Nuclear Fear The Environment Cost”, Review Copy.
  6. 網址 http://www.eindpower.dk)/.
  7. Inhaber, Herbert, 1979, “Risk with Energy from Conventional and Non-conventional Sources,” Science, Vol. 203, pp. 718~723.
  8. Bezdek, Roger H., 1933, The Environment Health and Safety Implication of Solar Energy in Center Station Power Production, Energy, Vol, Vol. 18, No.6, pp. 681~685.
  9. Wrenn, McDonald E., 1979, “A Comparison of Occupational Human Health Costs of Energy Production: Coal and Nuclear Electric Generation,” Energy and Health, Edited by Breslow, Norman E. and Whittemore, Alice S. Philadelphia: SIAM
  10. Feshbach, Murry and Frieb=ndly, Alfred Jr., 1992, Ecocide in the USSR, pubs. Basic Books, a Division of HarperCollins Publisher, pp. 376.

 

以上資料由經濟能源委員會提供

原作者:李敏委員