當極端氣候成為新常態,頻頻停機的核電也必須正視其「能源韌性」

當極端氣候成為新常態,頻頻停機的核電也必須正視其「能源韌性」
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我們想讓你知道的是

近年來因乾旱和核電廠進水量降低,導致的停機期間遠比過去更長,嚴重衝擊能源供應,而氣候的間接影響則包括因暖化衝擊生態系統而構成的新挑戰。例如,暖化造成水母大量繁衍,堵塞核電廠進水口或冷卻系統......

2021年6月美國和加拿大不列顛哥倫比亞省分別出現了約50度的高溫;同年6月芬蘭首都赫爾辛基則是出現自1844年氣象紀錄以來的最高溫。

7月中旬,比利時、荷蘭、盧森堡、德國皆面臨暴雨釀災;德國西部萊因伐爾茲邦(Rhineland-Palatinate)和北萊因西發利亞邦(North Rhine-Westphalia)受創尤為嚴重,至7月16日止,已知至少有103人因洪災喪命。目前商業媒體多半以德國遭遇逾半世紀以來最嚴重的洪災形容此一極端氣候事件。

極端氣候事件成為常態

賓州州立大學氣候科學家曼恩(Michael Mann)認為,不論是美國的高溫穹頂(heat dome)或是西歐的洪災,嚴重程度遠遠超過一般民眾的理解。他以模型推估,若工業革命不曾發生、溫室氣體排放仍維持在工業革命前的水平,而地球也未暖化,再此以情境比較工業革命後燃燒化石燃料的情境。他直言,如果沒有工業革命,美國現下的高溫穹頂和西歐洪災會是50000年一遇的情景。

曼恩引述一篇2021年7月14日發表於《自然》期刊,名為〈亞馬遜成為砍伐森林和氣候變遷相關的碳源〉(Amazonia as a carbon source linked to deforestation and climate change)的文章闡述,極端氣候所致的巨災只會變得更為頻繁。氣候科學家曾於2010 年至 2018 年間在亞馬遜的4個地點偵測對流層二氧化碳和一氧化碳濃度後發現,亞馬遜東南部因森林砍伐、旱季增長、火災頻仍加劇了雨林東部生態系統的壓力,使得亞馬遜東部已從碳匯轉變為排放二氧化碳的來源。

當地球的肺部發生如此重大的變化,極端氣候事件的頻率和規模也會隨之成長;當極端氣候成了新常態,如何提高並維持能源韌性與檢驗核電的能源韌性就成了所有使用核電國家的重要課題。

極端氣候與能源韌性

美國哈佛大學甘迺迪政府學院研究員艾哈邁德(Ali Ahmad),同時也是《世界核能產業現況報告》(The World Nuclear Industry Status Report)的共同作者,曾於2021年7月5日在《自然能源》(Nature Energy)期刊發表一篇名為〈變遷的氣候致使核電停機頻率增加〉(Increase in frequency of nuclear power outages due to changing climate)的專文。

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艾哈邁德主張,探討核電廠之於氣候的關係時,不能只著眼於碳排,也應該考量核電的能源韌性。能源韌性是指系統因應干擾、從干擾中恢復,乃至於減少各類干擾所致衝擊的能力。相較於過往的能源研究大多著重於全球平均溫度上升如何影響核電廠的冷卻系統,或是側重核電廠碳排與氣候的關係,艾哈邁德則是試圖檢驗核電設施是否具有較高的能源韌性,能否因應極端天氣事件的變異和不可預測,並勾勒出極端氣候條件造成核電計畫外停機的趨勢。

艾哈邁德首先從國際原子能總署所發佈的《會員國核電廠營運經驗》(Operating Experience with Nuclear Power Stations in Member States)年度報告、該組織所建置的核子反應爐資料庫(The Database on Nuclear Power Reactors)以及《世界核能產業現況報告》等來源多方蒐集核電廠計畫外停機的資料。他納入《世界核能產業現況報告》的原因在於國際原子能總署所記載的反應爐的關閉日期並非以最後一次發電日期為依據,而是決定關閉的日期。這使得國際原子能總署高估了運作中反應爐的實際數字。

因近幾十年來核電廠面臨了益發嚴峻的極端天候事件,故而艾哈邁德的研究不僅提出過去30年間氣候因素所導致的停機頻率上升的量化證據,更特別突顯自2010年至2019年的氣候事件造成全球核電機組停機的趨勢。

氣候因素造成的非計畫停機

艾哈邁德在研究中所稱的 「氣候變遷」一詞包括經濟活動造成的氣候影響與自然因素的影響,例如火山釋出甲烷 。至於他所說的「氣候驅動」(climate driven)或「氣候引發」(climate induced)的核電廠停機是指由熱浪、乾旱、風暴、颶風/颱風、環境溫度上升等氣候條件所導致的核電廠非計畫停機。他視熱浪、乾旱為熱干擾。他並納入風暴潮 、洪水、閃電、冰雹、雷暴、龍捲風等天候現象為風暴、颶風/颱風事件。

艾哈邁德依據國際原子能總署所用的停機定義認定各國反應爐機組的停機,也就是當反應爐的實際功率在一段期間內低於機組參考功率時就會構成停機 。所以技術上來說,停機會包括局部停機 (降至特定百分比的額定功率)或完全停機這兩種情況。

在高排放情境下,也就是代表濃度途徑(representative concentration pathway,RCP)8.5,艾哈邁德推估,全球核電機組自2046年至2065年間的年度發電量損失約為0.8%至1.4%。到了本世紀末,也就是自2081至2100年,全球核電機組平均年度發電量的損失則會達到1.4%和2.4%之間。

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艾哈邁德特別說明,前述情境還隱含著許多不確定。在目前的情況下,極端氣候的頻率和強度與全球暖化趨勢還算一致,兩者呈現線性關係。一旦暖化無法控制在工業革命前全球均溫的攝氏1.5度以內,極端氣候事件和暖化就可能發生非線性變化。換言之,升溫超過1.5度後,即使是輕微地擾動氣候系統都可能使系統產生劇烈變化。

艾哈邁德在核電廠停機研究中特別以政府間氣候變遷專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)所提出的高排放情境假設全球均溫可能在2050年前上升攝氏2度。但艾哈邁德的推估仍是假定氣候與溫度呈現線性變化,此時全球核電機組發電量的損失約為1%。

2021年世界氣象組織所發布的《全球年度至十年氣候更新報告》(Global Annual to Decadal Cimate Update)已預估,全球升溫極可能會於2021年至2025年間超過巴黎氣候協定所訂的攝氏1.5度門檻。這表示艾哈邁德所憂心的升溫與極端天氣的非線性關係極有可能出現。

與其他能源相比,核電廠無法快速靈活反應負載變動,升降載,調配發電量,極端氣候事件的頻率增加也突顯了核工業和政府應認知到,若想因應氣候驅動的停機所帶來的挑戰,就必須正視氣候問題。

氣候變遷的直接與間接影響

艾哈邁德的研究顯示,雖然核電廠常發生水溫過高,進而影響冷卻系統的能力,但這並不是核電廠停機的全貌。不同的氣候條件會直接或間接引發停機。這裡先從直接影響說起,核電廠必須以海水、河水、湖水冷卻反應爐爐心 。當暖化造成海洋、河流、湖泊升溫超過標準值,可能就會影響冷卻效果和品質,造成部分停機(降載)或完全停機(關閉反應爐)。此外,河流、湖泊水位過低,難以進水,也會直接影響核電廠運作。

但問題不僅於此。乾旱、熱浪的異常高溫可能會引發野火,波及核電廠區,因而必須緊急疏散廠內作業人員。高環境溫度更會增加輸電、變電時的損耗 。

艾哈邁德的研究發現,近年來因乾旱和核電廠進水量降低所致的停機期間遠比過去更長。自2010年至2019 年這類問題已嚴重衝擊能源供應,每次停機時間平均長達110小時,每次損失135GWh 的發電量。

環境溫度上升是法國核電廠停機的主因。此外,法國核電廠常因每年9月至11月間進水量較低,造成停機。因為停機常集中分布於前述月份,法國核工業遂決定於上述月份停機歲修。

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至於颶風/颱風所造成的平均停機時間約為65小時,每次損失的發電量約為59GWh。在美國、南亞和東亞因颶風/颱風所造成的完全停機事件通常集中分布於7月至9月間。不論停機期間為65或110個小時,這類氣候引發的停機事件都會為穩定的能源供應增加變數。

氣候的間接影響則包括暖化會衝擊生態系統,構成新的挑戰。例如,暖化造成水母大量繁衍,堵塞核電廠進水口或冷卻系統。位於蘇格蘭的托尼斯核電廠(Torness nuclear power station)在2011年就因大量水母堵塞了冷卻系統迫使核電業者EDF緊急停機。此事並非個案。位於瑞典東南部的奧斯卡薩核電廠 (Oskarshamn Nuclear Power Plant)曾於2013年發生水母入侵冷卻系統迫使反應爐停機的事件;根據日經新聞報導,在日本海因暖化而大量增生的巨型水母近年來已對核電廠構成地震以外的重大威脅。

暴雨也可能造成停機,例如變壓器、變電站或輸電線路因雷擊造成電力損壞。風暴所帶來的強降雨可能會使雜物、漂流木堵塞位於河岸或海岸的核電廠進水口。

這也顯示,氣候驅動的停機問題不容小覷。這裡必須說明,並非所有的核電廠停機事件都與氣候變遷相關。艾哈邁德明確表示,非氣候原因也會造成停機,包括地震、海嘯和冷卻水進水口吸入船運材料和海洋垃圾。

艾哈邁德所羅列的氣候驅動的停機事件在美國頗為常見。舉例而言,2011年時艾琳颶風(Hurricane Irene) 以每小時195公里的風速侵襲美國東岸時,美國最大的核電集團艾索倫電力公司(Exelon)已在艾琳重創紐澤西州牡蠣灣核電廠(Oyster Creek Nuclear Power Station)前自行停機,當時影響了60萬戶的電力供應。

艾琳颶風行經北卡羅來納州時,該州布倫斯維克核電廠(the Brunswick nuclear power plant)1號和2號機的功率則是降載至65%。艾琳颶風一路北向,行經馬里蘭州卡爾弗特崖核電廠(the Calvert Cliffs Nuclear Power Plant)。一片鋁壁板因強風吹襲,擊中核電廠變壓器造成停機。

這些停機事件還只是冰山一角。艾琳颶風的強度為3級,也就是時速在178公里至208公里之間。根據美國國家颶風中心的估計,自1851年至2021年間,共有37個熱帶氣旋達到5級颶風的標準,也就是風速至少為每小時252公里或更高。

艾哈邁德的研究發現,過去30年氣候事件與核電廠停機的頻率為正相關。在1990年代,氣候引發的全部和部分停機的頻率約為每爐年0.2次。在過去10年則達到每爐年1.5次。由於與氣候無關的因素在研究期間只增加了50%,這表示氣候引發的計畫外停機正是核電廠停機的主因。與此同時,完全停機的頻率也從1990年代的每爐年0.05次增加到2010年代的每爐年0.25次。

2019年,氣候相關停機所造成的供電損失約佔核電總發電量的0.57%,大約14.7TWh。對比核電,氣候因素所致的太陽能發電量的損失則較小,每增加攝氏1度,發電量就會隨之降低0.45%。

艾哈邁德認為, 再生能源裝設速度快,容易導入新技術,淘換舊機組,再加上目前的材料科學致力於降低太陽能零件之於溫度的敏感性。這遠比運作年限少則30年,多則60年以上的核電廠更能因應不同的氣候條件。

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艾哈邁德表示,自1980年代中期新建核電計畫達到高峰後,新計畫已漸漸減少。近年來,因中國大舉興建反應爐,反應爐併網的數量才略有回升。這也是自1980年代中期以來,全球核電機組的年齡持續增加的原因,到2020年時全球機組的平均年齡為30.7歲。然而反應爐不論新、舊,都會因氣候事件的衝擊造成停機。因氣候因素完全停機的反應爐平均年齡為30.2歲,略低於全球核電機組的平均年齡。

他國經驗,引以為鑒

看到此處,可能有人認為,熱浪、乾旱、風暴、颶風/颱風、環境溫度上升所致的核電廠停機與台灣十分遙遠。然而,世界銀行所出版的《自然災害熱點:全球風險分析》(Natural Disaster Hotpots: A Global Risk analysis)報告卻直指,台灣是個深受自然災害衝擊的「危邦 」。大約73.1%的人口一年會遭遇4次自然災害。台灣正面臨著颱風、高溫久旱、海平面上升等氣候威脅。

正因災害絕不會只發生在國外,艾哈邁德明確地提醒所有使用核電的國家不要心存僥倖。更不要認為,因為本國技術或體制設計與他國大相逕庭,所以他國的人禍永遠不會在這裡發生。當我們輕信這類敘事時,就無法從他人的災難記取教訓。

熱浪、乾旱、風暴、颶風/颱風、環境溫度上升所致的核電廠停機並不遠,問題在於我們是否視而不見。

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責任編輯:丁肇九
核稿編輯:翁世航


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