核能與太陽能發電碳排放之生命週期評估

核能與太陽能發電碳排放之生命週期評估(Using Life Cycle Assessment to Evaluate Carbon Dioxide Emissions from Solar Electric and Nuclear Power)
國立臺灣大學環境工程學研究所 許桓瑜

發電方式的選擇須顧及許多面向，包括國家政策、經濟效益、穩定性、運轉操作、以及環境問題等，在現今溫室氣體減量的國際趨勢下，各種發電方式的二氧化碳排放量便顯得相當重要。其中太陽能發電與核能發電因為運轉過程中不會產生任何二氧化碳，被認為是無碳的發電方式。然而，如以本研究群許桓瑜先前所介紹之生命週期評估方法 (life cycle assessment, LCA) 檢視，太陽能發電與核能發電從原料、製造、營運、廢棄處理等各階段，皆會排放二氧化碳及其他溫室氣體，本文將討論利用生命週期評估方法計算核能發電及太陽能發電的碳排放衝擊。

太陽能發電系統的生命週期包含材料和電力平衡系統的生產、系統的操作維護、棄置回收等過程，如下圖一所示。太陽能發電的材料在製造過程中會耗用大量的電力，因此材料的使用成為太陽能發電系統中碳排放的主因。常見的太陽能發電材料為玻璃、半導體、電導體和封裝材料等，其中半導體的部分，目前使用最多的材料是矽。若以矽為原料製造半導體為例，開採石英後，將矽與碳在高溫下反應，得到冶金級矽，再進一步以 1150 度的高溫純化。因為高溫純化需要消耗大量的能源，因此這項過程的碳排放量便占了整個太陽能發電系統總碳排放量的 80%。

圖一、太陽能發電的生命週期。（本文作者繪，資料來源：參考文獻 1）

核能發電系統的生命週期從採礦開始，包含燃料轉化、核電廠建造、運轉過程至最終廢棄物處理等過程，詳細如下圖二所示。因燃料濃縮的機器需使用大量的電力，而核電廠建造則需要鋼筋、混凝土、鋼、銅和鋁等資源，核能發電造成的溫室氣體排放主要來自於燃料濃縮過程中使用的機器以及核電廠的建造。

圖二、核能發電的生命週期。（本文作者繪，資料來源：參考文獻 1）

太陽能發電和核能發電之生命週期評估衝擊計算，可由公式 1 表示。本文整合文獻的太陽能發電與核能發電之生命週期評估結果，選用國際氣候變遷小組開發之 IPCC GWP100a 衝擊評估方法進行計算，此方法考量一百年內氣候變化因素之特徵化因子以計算排放物質之二氧化碳排放量，得到結果為核能發電的二氧化碳排放量低於太陽能發電，如下圖三所示。

衝擊 $$=$$ 排放物質 $$\times$$ 特徵化因子 $$(1)$$

圖三、以 IPCC GWP100a 方法計算核能與太陽能之二氧化碳排放衝擊。（本文作者繪）

近年來世界各國為減少碳排放，積極發展太陽能發電或核能發電取代傳統的化石燃料燃燒，然而經由生命週期評估方法分析的結果，我們可以知道核能發電與太陽能發電雖然在運轉過程中沒有碳排放產生，但在其他階段仍會造成不可忽略的碳排放衝擊。透過生命週期評估的分析計算，可以量化各項製程的環境衝擊，提供未來製程改善、環境決策的參考依據。

參考文獻

1. 沈明來 (2014)。生物統計學入門。九州。
2. 郭寶錚、陳玉敏 (2011)。生物統計學。五南。
3. Hogg, R. V., Tanis, E., & Zimmerman, D. (2015). Probability and statistical inference (9^th edition). Pearson Higher Ed.