作者:曾貞寧
 
地球上的水,僅有0.025%是可用的淡水資源,而水和能源之間的關係又是緊密關聯且高度相互依存的,因為能源生產和傳輸需要利用水資源,特別是水力發電,核能和火力發電,水和蒸氣扮演了驅動發電的角色;相反的,水資源也需要能源,全球能源發電約8%是用於抽水、處理水和輸送水資源到各用戶中。

根據統計,全世界的可用水資源有70%是用於農業,15%則用於能源生產,估計約90%的能源產出都非常需要使用水資源,我們幾乎可以說,水產生了電,因此,只要我們能發展低耗水的發電方式,就有機會透過能源議題的耕耘,解決部分水資源的問題。

以台灣目前最熱門的核電議題來說,核能發電的產出過程也需要大量的水資源。核能發電是利用鈾-235分裂反應所產生的能量,將水加熱使其變成蒸氣,再推動汽輪機與發電機來發電,接著再以水冷卻蒸氣並釋放多餘的熱能,就是這樣的過程會使用到不少的水資源。

核能發電使用到水資源來冷卻,主要有兩個部分:

  1. 反應爐內的熱轉換:水在反應爐中進行封閉式的循環,由鈾分裂產生的熱能,可以將在反應爐內循環的水轉化成蒸氣,蒸氣推動汽輪機後,再使發電機發電,熱蒸氣再透過冷凝器冷卻為水,循環使用,正常情況下,這部份使用的水是小量的。
  2. 冷凝器冷卻蒸氣並釋放多餘的熱能:所花的水量,則是發電過程中真正主要所消耗的部分。

將蒸氣冷卻有兩種較普遍的方式,貫流式冷卻(once-through cooling)和濕式冷卻塔 (wet cooling towers:recirculating cooling systems),前者的冷却系統用水取自可用水源,例如河、海、湖、運河等,並且為一次性使用,水通過電廠冷凝器吸熱後,流回原水源,過程會有部分蒸發的現象;後者則將冷凝後尚溫熱的水送入冷卻塔,透過接觸空氣,蒸發將熱帶走,再下落到下方的冷水儲水槽,有些水在這過程會飄出,降溫後剩餘的水送回發電廠冷凝器中再循環使用,因此,只需抽取因蒸發或下落飄出而減少的水來填補冷卻系統,相較於前者抽取的水量是較低的。耗損的水資源,主要來自蒸發,但因兩者冷卻方式的不同,後者耗損的水資源是較多的,前者不計算流回原水源的部分,每發一度電所消耗的水資源平均約為1.5公升,後者每發一度電所消耗的水資源平均約為3公升。

fig1

圖一:貫流式冷卻(once-through cooling)

Nuclear Power Generation Process   cooling-tower-basin

圖二:濕式冷卻塔 (cooling towers:open recirculating cooling systems)

下表提供兩種冷卻方式下,每發一度電平均所需抽取的水量,與實際耗損的水量:

 

每度電

貫流式冷卻

濕式冷卻塔

抽取水量

耗損水量

抽取水量

耗損水量

核能發電

95~227公升

0.4~1.5公升

3.0~9.8公升

2.3~3.0公升

 

雖然前者所蒸發耗損的水量較少,使用後會排放回原水源,但因為所需抽取的水量很大,會在抽取過程影響海洋生物,包含會抽入魚卵、魚類和甲殼類等,並且冷凝後尚有溫度的溫水直接排放回水的來源地,對海洋生態系會再次造成影響。

不論使用何種冷卻方式,核能發電過程平均每發一度電至少會消耗1.5~3公升不等的水資源,雖然政府官方資訊提到核能發電為潔淨能源,不會有二氧化碳排放,但每一個行動都要考量各種資源的投入,核電雖然較無碳排,但耗用的水資源卻是各種能源中相對較高的一種。

根據聯合國數據顯示,未來人口會不斷成長,水資源與能源需求必會提升,預估到2035年,能源需求會成長50%,然而,地球整體的水資源是有限的,並且因氣候變遷所導致的不穩定性會提高,在這樣的情況下,如何從各個面向降低水資源的耗損是很重要的課題。

以102年一整年為例,核能發電在台灣所有發電中約佔20%左右,累計的發電量約是400.79億度,以每發一度電消耗水資源1.5公升來計算,去年核能發電就消耗了約600億公升的水資源,相當於24,000多座奧林匹克標準游泳池的水量,因此,除了永續可再生、無碳排放等考量,尋找低耗水發電方式的替代能源是我們也必須思考與努力的方向。