低碳电力

低碳电力（low-carbon electricity，也可写为low-carbon power）是指整个发电能源生命周期内温室气体排放量远低于使用化石燃料所产生的电力。能源转型后转向使用低碳电力是限制气候变化最重要的行动之一。

用来发电的低碳能源有风能、太阳能、核能和大部分的水力。这个名词很大程度上将传统化石燃料发电技术排除 - 仅将其中运行的的特定子集包含在内，特别是那些在烟道气中进行碳捕集与封存（CCS）的发电系统。全球于2020年有近40%的电力生产来自低碳能源：约10%为核能发电，近10%为风能和太阳能发电，约20%为水力和其他再生能源发电。

## 历史

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科学界于20世纪末和21世纪初在气候变化上的重大发现，凸显遏制碳排放的必要性。低碳电力的概念于焉兴起。世界气象组织 (WMO) 和联合国环境署 (UNEP) 于1988年成立的政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 为引入低碳能源奠下科学理论基础。IPCC透过定期发表评估报告和特别报告，持续向国际社会提供科学、技术和社会经济上的建议。

于2005年2月16日生效的《京都议定书》，参与签署的大多数工业化国家承诺将减少碳排放。这一历史事件为引进低碳电力技术立下政治基础。

## 不同能源的温室气体排放

本节摘自能源生命周期温室气体排放#几项选定发电能源的GWP

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发电技术｜最低｜中位数｜最高

目前已有商业化技术

煤 – 燃煤锅炉｜740｜820｜910

天然气 – 复循环｜410｜490｜650

生物质 – 专用｜130｜230｜420

太阳能光电 – 公用事业规模｜18｜48｜180

太阳能光电 – 装置于屋顶｜26｜41｜60

地热能｜6.0｜38｜79

聚光太阳能热发电｜8.8｜27｜63

水力｜1.0｜24｜22001

风力发电机 Offshore｜8.0｜12｜35

核能｜3.7｜12｜110

陆上风能｜7.0｜11｜56

尚未进入商业化技术

海洋 (潮汐能与波浪能)｜5.6｜17｜28

1 参见水库对环境的影响#温室气体。

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技术｜克二氧化碳当量/千瓦时

无烟煤｜燃煤锅炉, 未配置碳捕集与封存装置｜1000

整体煤气化联合循环, 未配置碳捕集与封存装置｜850

超临界锅炉, 未配置碳捕集与封存装置｜950

燃煤锅炉, 配置碳捕集与封存装置｜370

整体煤气化联合循环, 配置碳捕集与封存装置｜280

超临界锅炉, 配置碳捕集与封存装置｜330

天然气｜燃气复循环锅炉, 未配置碳捕集与封存装置｜430

燃气复循环锅炉，配置碳捕集与封存装置｜130

水力｜660百万瓦 ｜150

360百万瓦｜11

核能发电｜平均|5.1

聚光太阳能热发电｜塔式｜22

凹槽式｜42

太阳能光电模组｜多晶硅, 于地面架设｜37

多晶硅, 于屋顶架设｜37

碲化镉薄膜半导体, 于地面架设｜12

碲化镉薄膜半导体, 于屋顶架设｜15

铜铟镓硒薄膜太阳能面板, 于地面架设｜11

铜铟镓硒薄膜太阳能面板, 于屋顶架设｜14

风能｜陆上｜12

海上, 混凝土基础｜14

海上, 钢制基础｜13

简称:

- PC — 燃煤锅炉
- CCS — 碳捕集与封存
- IGCC — 整体煤气化联合循环
- SC — 超临界锅炉
- NGCC — 燃气复循环锅炉
- CSP — 聚光太阳能热发电
- PV — 太阳能光电

## 不同低碳电源的属性

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降低目前发电而产生的碳排放量有多种选择。有些选项，例如风能和太阳能，使用完全再生能源，总生命周期的碳排放甚少。其他选择，例如核能发电，在整个生命周期排放中产生的二氧化碳排放量与再生能源技术相当，但会消耗不能再生但可持续的材料（铀）。低碳电力还可包括持续利用世界自然资源的电力，例如天然气和煤炭，但前提是它们在使用这些资源时，尚需采用减少二氧化碳排放的技术，例如截至2012年，已有试点工厂进行碳捕集与封存的作业。

由于电力部门减少碳排放的成本似乎较交通运输等其他部门为低，因此预定将会在电力部门发生最大比例的碳减排，以期达成经济上有效的气候便化缓解。

目前全球已采用不同规模的低碳电力技术。迄2020年，此类发电合计占全球电力的近40%，其中风能和太阳能合计有近10%的占比。

## 不同技术

IPCC于2014年发布的报告中指出，在适当的地点使用核能、风能、太阳能和水力发电，其生命周期温室气体排放量仅为燃煤发电的5%。

### 水力

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水力发电厂的优点是寿命长，许多现有的发电厂已经运作100多年。从电网的角度来看，水力发电也是一项极为灵活的技术。即使与化石燃料发电相比，大型水力发电也是当今能源市场中成本最低的选择之一，且不会产生与工厂运作相关的有害排放。

虽然通常一般水库的温室气体排放量较低，而于热带地区水库的排放量可能会较高。

水力发电是世界上最大的低碳电力能源，于2019年中供应全球总电力的15.6%。中国是迄今为止世界上最大的水力发电国，其次是巴西和加拿大。

然而大型水力发电系统存在一些重大的社会和环境缺点：如果人们居住在规划兴建水库的所在地，则会遭到迁移，水库建设和蓄水期间会释放大量二氧化碳和甲烷，以及对水库的水生生态环境与鸟类造成破坏。现各国已有强烈共识，将采取综合方法来管理水资源，其中包括与其他用水部门合作来规划水电的开发。

### 核能

截至2013年，核能电力产量占世界发电量的10.6%，是第二大低碳能源。根据一份于2024年发表的文章：核能发电在全球发电量中占比约10%，目前全球运营中的核反应炉大约有440座。核能提供全球约四分之一的低碳电力。核能是全球仅次于其他再生能源的第二大低碳电力来源 (于2020年的占比为26% )。

在2010年，欧盟27个国家中的核电于低碳能源中的占比有三分之二，其中一些欧盟国家的大部分电力由核电产生，例如法国有79%的电力来自核能。截至2020年，核电在欧盟提供47%的低碳电力，主要依赖核电的国家通常的排放强度为30-60克二氧化碳当量/千瓦时。

联合国欧洲经济委员会于2021年将核电描述为缓解气候变化的重要工具，在过去半个世纪中已减少74吉吨（Gt，十亿吨）的二氧化碳排放，并提供欧洲20%的能源和43%的低碳能源。

### 风力

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风能发电是利用风力来产生电力。史上的风能主要用于驱动帆船、风车和风力水车，但如今主要是用于发电之用。风力发电几乎完全由风力发电机所产生，通常将许多风力发电机组成风力发电厂，且将其连接到输电网络。

全球于2022年的风力发电量超过2,000太瓦时（一太瓦时=一兆瓦时），占世界生产电力的7%以上，约占世界能源的2%。在2021年中新增发电容量约100吉瓦（主要在中国和美国），全球风电装置容量已超过800吉瓦。分析师表示为实现《巴黎协定》限制气候变化的目标，其扩张速度应该加快 - 在全球发电量中每年的占比要各增加1%以上。

风力发电被认为是一种可持续的再生能源，对环境的影响比燃烧化石燃料要小得多。风电有间歇性问题，因此需要储能或其他可调度的发电能源来维持可靠电力供应。陆上风电厂对景观的影响会较其他类型发电厂更大。位于海上的风电厂虽然通常成本较为昂贵，但对景观的影响较小，且有较高的容量因子。在全球新增装置容量中，目前离岸风电的占比约为10%。

风力发电是单位能源成本最低的电力来源之一。在许多地方，新的陆上风电厂建造成本比新的燃煤或天然气发电厂更便宜。

在南北两个半球纬度较高的地区最适于建造风电厂。在大多数地区的夜间风力发电量较高，而太阳能发电量在冬季会较低。因此将风能和太阳能发电结合，对于许多国家均很适合。

### 太阳能

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太阳能是将阳光转换为电能的发电方式，直接的有太阳能光电发电（PV），间接的则为使用聚光太阳能热发电（CSP）。聚光太阳能系统使用透镜或镜面以及追踪系统，将大面积的阳光聚焦成小光束，利用其热能来发电。太阳能光电则利用光电效应将阳光转换为电流。

商业聚光太阳能热发电厂最早于1980年代开发。位于美国加利福尼亚州莫哈维沙漠SEGS电厂，曾经是是世界上最大的CSP发电厂，装置容量为354百万瓦。其他大型CSP发电厂有两座 - 位于西班牙的索尔诺瓦太阳能电站（装置容量150百万瓦）和安达索尔太阳能电站（装置容量150百万瓦）。在太阳能光电厂中，印度拥有世界上最大的的巴德拉太阳能发电园区（装置容量2,255百万瓦），及世界第二大的帕瓦加达太阳能发电园区（装置容量2,000百万瓦）。截至2014年底，太阳能发电占全球用电量的比例为1%。

于2023年，太阳能占全球发电量的比例约为5.5%，比2022年的4.6%有所增加。

### 地热能

地热电力是由地热能产生的电力。目前使用中的技术有干蒸汽（高温高压蒸汽）发电、闪蒸汽（低压蒸汽）发电和二元循环（透过低沸点介质）发电。目前全球有24个国家使用地热能发电，有70个国家使用地热能供暖。

目前全球的此类装置容量为10,715百万瓦，其中容量最大的三个国家是美国（3,086百万瓦）、菲律宾和印尼。估计全球可用于地热能发电的潜力有35吉瓦到2,000吉瓦不等。

地热能发电被认为是可持续的，因为相对于地球的热含量，此种方式取得的热量极小。现有地热能发电厂的平均排放强度为122公斤二氧化碳/百万瓦时电力，只占传统化石燃料发电厂的一小部分。

### 潮汐能

潮汐能是水力发电形式中的一种，将潮汐的能量转换为电力或其他有用能量。第一个大型潮汐能发电站（兰斯潮汐能发电站）于1966年开始运作。潮汐能发电尚未受到广泛运用，但潮汐会随着月球的运行轨迹而起伏，比风能和太阳能更容易预测。

### 碳捕获与封存

利用碳捕集与封存技术可从发电厂或其他工业的烟道气中捕获二氧化碳，然后将其运送到可安全埋藏的地下储存库中。虽然此种技术已有投入使用的纪录，且也正在其他行业（例如斯莱普纳天然气田）中进行，但电力行业内尚未有大规模的综合项目出现。

目前碳捕集与封存技术的改进在大约未来十年内可将成本降低至少20-30%，而在开发中的新技术有望将成本作更大幅度降低。

## 展望与控制

### 排放

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IPCC在其提出的第一工作组报告中指出，"自20世纪中叶以来观察到的全球平均气温升高很可能是由于观察到的人为温室气体浓度增加所致，进而导致气候变化"。

二氧化碳在人为温室气体排放中的占比有72%（参见温室气体），其于大气中的浓度已从1958年的315ppm (百万分比) 增加到2005年的375ppm以上。而到2022年5月的浓度已达421ppm（参见地球大气中的二氧化碳）。

使用能源所产生的排放占所有人为温室气体排放的61.4%以上。传统燃煤发电厂产生的温室气体排放量占全球温室气体排放量的18.8%，几乎是道路运输排放量的两倍。

估计到2020年，世界产生的碳排放量将是2000年的两倍左右。

根据于2021年6月通过的欧盟气候法（European Climate Law），欧盟国家将于2050年达到气候中和（净零排放），中期目标是在2030年将温室气体排放降低55%（与1990年的水平比较）。

### 用电量

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世界能源消耗预计将从2003年的123,000太瓦时（421千万亿英热单位）增加到2030年的212,000太瓦时（722千万亿英热单位）。预计同期的煤炭消耗量将增加近一倍。成长最快的是非经合组织（OECD）的亚洲国家，特别是中国和印度，这些国家的经济成长大幅推升能源使用。而透过实施低碳电力方案，世界电力需求可继续成长，又能维持稳定的碳排放水准。

人们在交通运输领域中正从使用化石燃料转向电力驱动的载具（例如大众运输和电动车）。此趋势正缓慢进行中，但最终可能会为输电网络电力带来巨大的需求压力。

家庭和工业使用热能和热水主要是透过燃烧化石燃料来提供。一些国家已经开始提供转换使用热泵的补助，热泵使用电力，也会大量增加电力需求。

### 能源基础设施

燃煤电厂的市场占比正逐步让予低碳电力发电厂，任何2020年代建成的燃煤电厂都面临成为搁浅资产的风险，部分原因是它们的容量因子会越来越低。

### 投资

对低碳电源和技术的投资正在快速增加。目前净零排放能源占全球能源的2%，但在新的能源投资中的占比则已达到18%，在2006年取得的资金已达到一千亿美元。

让全球到2050年达成净零排放的目标，在清洁能源投资需在2030年以前增加超过两倍以上（大约4兆（万亿）美元的规模）。