电力系统由使用不同能源的发电厂、输电网络和配电系统共同组成。这些组件中的任一个都可能在其开发和使用的不同阶段中产生环境影响（即发电对环境的影响英语：Environmental impact of electricity generation），例如于建造、在发电以及在设施退役而需处置的过程中。而影响可分为营运方面的影响（燃料取得、分销及使用）和相关施工方面的影响（制造、安装、退役和处置）。所有形式的发电都会对环境产生某种影响，[1]但燃煤发电厂产生的最为严重。[2][3][4]
温室气体排放
本节摘自能源生命周期中温室气体排放。
温室气体排放是发电对环境产生的影响之一。衡量能源生命周期中温室气体排放涉及利用生命周期评估来计算不同能源的全球暖化潜势（GWP）。这些估算通常仅包含发电部分，但有时也会把供热列入。[5]研究结果以能源产生每单位电能的GWP为单位。量表使用的GWP单位为二氧化碳当量 (CO2e) 和电能单位千瓦时 (kWh)。此类评估的目标是把所有过程的生命周期，从材料和燃料从开采到施工、营运和废弃物管理均列入考虑。
联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）于2014年将全球主要发电来源的二氧化碳当量调查结果整合 - 透过分析数百篇评估不同能源独立科学论文的结果来达成。[6]煤炭所产生是迄今最严重的，其次是天然气，而太阳能、风能和核能属于低碳。经由水力、燃烧生物质、地热能和潮汐能来发电，通常属于低碳，但设计不当或其他因素可能会导致个别发电厂的排放量更高。
对于各项技术，效率上的改进以及自本文发布以来二氧化碳当量的减少部分并未列入考虑。例如风力发电的总生命周期排放量可能已有减少。同样的，本文显示的是第二代反应堆产生的二氧化碳当量，而非第三代反应堆的。其他数据不足处有：a）缺乏某些生命周期阶段的数据，b）不确定在何处将能源的GWP分界点划分。后者对于评估现实世界中存在各式能源组成的联合电网非常重要，简单的评估个别能源的既定做法可能无法达到目的。
用水
发电中的用水也是对环境造成的主要影响之一。[7]所有火力发电厂（使用煤炭、天然气、核能、地热能和生质能）都使用水作为冷却液来驱动热力循环，而将热能转为电力。太阳能光电模组利用水来清洁面板，而水力发电中水库储存的水会被蒸发及渗漏。随着人口增加和干旱频率升高成为人们所关注的问题，往往发电系统所用到的水量会受到高度关注。此外，水资源发生变化也会影响到发电的可靠性。[8]
发电用水涵盖取水和消耗两部分。[8]美国地质调查局（USGS）对两者的定义 - "取水"指的是从地下移走或从水源转移使用的水量，而"消耗"指的是蒸发、蒸发散、变为产品或农作物的成分，或以其他方式直接从水环境移除。[9]取水和消耗都是重要环境影响，需要评估。
不同电源所耗用的淡水量，一般数据如下所示。
| 耗用水量 (加仑/兆瓦时（gal/MW-h)） | |||
|---|---|---|---|
| 能源 | 低耗案例 | 中耗/平均案例 | 高耗案例 |
| 100 (直流冷却) | 270 （直流冷却）, 650 (冷却塔及冷却池) | 845 (冷却塔) | |
| 煤炭 | 58 [10] | 500 | 1,100 (冷却塔，通用燃烧) |
| 天然气 | 100 (蒸气单循环) | 800 (蒸气循环，冷却塔) | 1,170 (附冷却塔的蒸汽循环) |
| 水力发电 | 1,430 | 4,491 | 18,000 |
| 太阳热能 | 53 (气冷式)[11] | 800[11] | 1,060 (Trough)[11] |
| 地热能 | 1,800 | 4,000 | |
| 生物质 | 300 | 480 | |
| 太阳能光电 | 0 | 26 | 33 |
| 风能 | 0[8] | 0[8] | 1[8] |
蒸汽循环发电（核能、煤碳、天然气及太阳热能）需用大量的水来冷却冷凝器中的热量。锅炉的温度越高，相对电力输出所需水量将会减少。燃煤和燃气锅炉可产生高温蒸气，因此效率更高，相对需要更少的冷却水。核能发电锅炉的蒸汽温度受到建造材料限制，而太阳热能则受到能源集中度的限制。[12]
靠近海洋的热循环发电常使用海水冷却，而不设置冷却塔，因为排放热量对海水温度的影响很小，由其造成的环境问题要小得多，而不用消耗可用于别处的淡水。例如日本核能发电厂都位于海岸，根本没用到冷却塔。如果使用干式（气冷式）冷却系统，则不需使用大量的地下水。还有其他更新颖的冷却解决方案，例如位于美国亚利桑那州的帕洛维德核电厂使用污水冷却。
水力发电会耗用水的主要原因是由于水库的水会蒸发及渗入地下水位。
虽然用水仍是发电的主要需求，但自2015年起，用水量已逐渐减少。[13]全球热电厂于2015年的总取水量略高于60兆加仑，但到2020年已下降至略低于50兆加仑。主要是增加再生能源发电的结果。
80%的用水量降低归因于增加使用天然气和再生能源发电。另外20%的用水量降低来自舍弃一次冷却系统，改而采用封闭回路再循环和混合冷却系统。一次性冷却系统将水使用一次后即释放。而封闭回路再循环方式可重复使用，因此取水量会低很多。[14]
化石燃料
今日大多数电力是透过燃烧化石燃料，产生蒸汽以驱动蒸汽涡轮发动机，再带动发电机来达到目的。
而燃烧化石燃料会产生大量的温室气体。化石燃料是重要的碳库，藏在地底。将之开采，提炼，然后燃烧，把其中的碳转化为二氧化碳，释放进入大气中。估计世界电力产业每年的二氧化碳排放量为100亿吨。[15]导致大气中的二氧化碳浓度增加，增强温室效应，进而导致全球暖化。[16]
燃烧化石燃料和采用的燃烧方式，可产生各式排放物，包括臭氧、二氧化硫、二氧化氮和其他气体，以及悬浮微粒。[17]排放物中的二氧化硫和氮氧化物可导致烟雾和酸雨。以往工厂会建造非常高的烟囱让污染物在大气中稀释。这种做法有助于减少局部污染，却成为一个全球性问题。
化石燃料中，特别是煤炭，也含有稀释的放射性物质，大规模燃烧会将这些物质释放进入环境中，导致当地和全球受到低度的放射性污染，讽刺的是这种污染水准比核电厂产生的还要高（因为核电厂受到严格控制）。
煤炭中也含有微量的有毒重元素，如汞、砷等。[18]由发电厂锅炉中高温气化的汞会悬浮在大气中，在世界各地循环。但随着此类人为排放得到更好的控制，由燃煤发电厂排放汞的数量得以降低。美国发电厂于2003年的汞排放量估计约为50吨，而中国排放的则有数百吨。发电厂可安装设备以减少此类排放。
美国的煤炭开采方式还包括露天开采（其中包含层状开采（strip mining）、掘坑开采（open-pit mining）和移除山顶开采（Mountaintop removal mining）。尾矿裸露在外，经水分携带渗入当地河流，导致煤炭产区的大部分或所有河水常年呈现锈红色，形成的硫酸将河流中的所有生物杀死。
美国环境保护局（IEA） 表示全球燃气发电厂于2022年的的温室气体排放量比前一年增加近3%，各国需要更加努力来减少排放量。[19]
这些发电厂除排放温室气体外，还会排放氮氧化物，[20]而根据报导，美国加利福尼亚州居家燃气设备排放的氮氧化物数量更多，而通过法案预定在2030年开始禁止该州居家使用此类设备。[21]
伊朗等少数产油国的发电厂会燃烧如重油等会产生大量污染的燃料来发电。[22]备用发电机经常使用柴油做动力来源，结果也会造成空气污染。[23]
电气化
本节摘自电气化#使用可持续能源进行电气化。
利用清洁能源如再生能源或核能来发电，并将最终用途（例如交通运输和供暖）予以电气化，以确保世界能源供应能永续发展。最近的研究显示在美国和加拿大，如果采用由太阳能光电设备供电的热泵，会比农村地区燃烧丙烷供暖[24]和城市地区的燃烧天然气供暖[25]更有经济效益。 于2023进行年的一项研究[26]针对：(1) 住宅天然气供暖系统和使用电网电力，(2) 住宅天然气供暖系统，采用光电提供电力，(3) 住宅热泵供暖系统和使用电网电力，以及(4)住宅热泵供暖系统及采用光电提供电力。四项研究结果发现在典型的通货膨胀条件下，使用天然气和热泵的生命周期成本几乎相同，这在一定程度上可解释为何美国的热泵销量在一段高通膨时期内会首次超过燃气炉销量。[27]随着通货膨胀率上升或是光电设备成本下降，采光电发电成为对抗价格上涨的手段，加上电网电力价格升高，而最终促成热泵受到采用。研究[26]的结论是："此类技术产生的实质内部报酬率比定期存款利率高20倍，显示光电和热泵技术为消费者提供相对安全的投资价值，同时又能大幅减少碳排放。"如果将储热装置整合到热泵+太阳能加热系统中，其功效会更高。[28][29]
永续生产电力比永续生产液体燃料更为容易。因此使用电动车是让交通更趋于永续发展的一种方式。[30]氢能载具可能是目前尚未广泛被电气化大型车辆中的一种选择，例如长途运输卡车。[31]降低航运和航空排放所需的许多技术仍处于开发初期。[32]
世界上很大部分人口无法负担足够的家庭空调费用。空调除需电气化之外，还需例如被动式节能屋和城市规划，以确保使用的是可持续的空调方式。[33]而发展中国家和发达国家中许多家庭都遭受家庭能源不安全的困扰，无法为其住处取得足够的供暖。[34]而现有的供暖方式往往又会造成污染。
于供暖，具有关键性的永续解决方案是电气化（热泵，或效率较低的电热装置）。 IEA估计目前全球仅有5%的居家取得由热泵供暖及为水加热，但将来可提升到90%以上。[35]使用地源热泵系统不仅可减少与供暖和制冷相关的年度总能源负荷，还可抵销极端的夏季高峰电力需求而将电力需求曲线拉平。[36]然而仅靠热泵和电阻加热并无法满足工业所需，因为有些生产过程需要更高的温度，前述设备无法达成。例如以蒸汽裂解法生产乙烯需要高达900°C的温度，而需要全新的流程。尽管如此，电能转热预计将成为化学工业电气化的第一步，预计到2025年可扩大实施规模。[37]
美国的一些城市已开始禁止于新屋中安装燃气设备，有些城市则考虑设下严格规定。[38]英国政府正在试验家庭经电气化供暖来达成其气候目标。[39]用于炉灶的陶瓷和感应加热以及工业应用（例如蒸汽裂解装置）是不再使用天然气的技术示例。[40]
核能发电
本节摘自核能发电对环境的冲击。
核能发电对环境有各种正面和负面的影响，包括核电厂的建设和运作、核燃料循环以及核事故的影响。核电厂并非燃烧化石燃料来发电，不会直接排放二氧化碳。核燃料在开采、浓缩、制造和运输过程中排放的二氧化碳远少于产生类似能量的化石燃料，但这些工厂仍产生其他对环境有害的物质。[41]核能和再生能源因能减少二氧化碳排放，而可降低环境成本。[42]
核反应堆的安全性非常重要，因为一旦防护设备失效就会造成灾难性的后果，[43]核反应堆防护设备失效的主要原因之一是燃料过热导致炉壳熔化，并向周围环境释放大量裂变产物。[44]正常运作的核电厂所释放的放射性物质比煤电厂少，煤电厂的飞灰中含有大量的钍、铀及其衰变产物。[45]
大型核电厂通常会将废热排入天然水体，导致局部水温升高，对水域生物产生不利影响。替代方案包括有装置冷却水塔。[46]由于大多数商业核电厂无法不停机添加燃料，而需定期（大约两年一次）停机以更换用过的燃料棒，许多运营商将这种无法避免的停机时间安排在春季，当时水力发电值高峰期，而夏季电力需求大增尚未发生，以避免发电量降低而产生的困扰。[47]
铀矿开采会破坏矿场周围的环境。然而采用现代原位浸出法，与传统地下或是露天开采法相比可将此类影响降低。用过核燃料的处置存在争议，许多拟议的长期储存计划都受到严格审查和批评。将新的或低燃耗值核燃料转用于武器生产存在核子武器扩散的风险，但是所有核武国家都是从（非发电用途）研究用反应堆或是专用"生产用反应堆"和/或铀浓缩生产出首批核子武器。最后，反应堆本身结构的某些部分因中子活化而变得有放射性，需要数十年的储存时间才能使用经济方式拆除，之后作为废弃物处置。降低钢材中钴含量以减少中子捕获而产生的钴60数量等做法可减少放射性物质数量，及材料中的放射性毒性。[48]然而部分的问题并不在于放射性，而在监管，大多数国家都认定源自核电厂或核燃料循环设施的"热区"（放射区域）内的任何物体本身均有放射性，即使没检测到污染或中子活化诱导的放射性，也都当然地认为具有放射性。
再生能源
再生能源可带来显著的环境效益。它们可产生电力和成为燃料，而不会释放大量二氧化碳和其他导致气候变化的温室气体，与煤炭和天然气不同。但人们发现许多生物燃料能节省的温室气体远低于最初的预期。（参阅生物燃料对土地利用改变的间接影响）
太阳能和风能都因美学的角度而受到批评。[49]然而有效，又不引人注意的部署这些设备的方法和机会仍然存在：固定式太阳能面板可兼作高速公路沿线的隔音墙，各地不乏漫长的道路、停车场和屋顶以供安装，太阳能面板也可用作窗户的着色玻璃。[50]
配置于水库的水力发电用水坝，其主要优点是能够储存水力以供生产电力之用。这种储藏自然能源以供发电的模式，使水力发电成为目前再生能源中占比最高的。其他优点包括比燃料发电有更长的使用寿命、较低的营运成本以及提供水上休闲活动场所。一些水坝也作为抽水蓄能电站运行，以平衡于不同时段内的电力供需。整体而言，水力发电比燃烧化石燃料或核能发电便宜，且于水力发电资源丰富的地区也可吸引工业进驻。
然而除上述优点之外，建造大型水库水坝也存在一些缺点，包括：居住在规划为水库预定地的居民必须搬迁、水库建设和集水时会释放大量二氧化碳、水域生态系统和鸟类生命受到破坏、河流环境受到不利影响，以及在极少数情况下坝体发生灾难性崩塌事件。[51][52]
建造水力发电用水坝的其他缺点有需建造运送材料道路，而连带破坏陆地生态系统。此外，除二氧化碳排放增加外，甲烷排放也会增加。这是由于修建水坝后蓄水所造成，原有植被淹没在水下，腐烂时会释放出甲烷气体。[53]另外就是建造水坝需发生大量的前期成本和需漫长的建造时间。[53]
有些水坝只用于发电，但在许多地方是用来形成大型水库以防洪和/或用于灌溉，设置水力发电功能是摊销建造水库成本的常见方式，水库的防洪功能可保护生命/财产，灌溉功能则能支持农业发展。
本节摘自潮汐能#环境问题。
潮汐能发电会影响海洋生物。涡轮机的旋转叶片可能会意外杀死经过的海洋生物。位于北爱尔兰斯特兰福德的商用潮汐发电项目SeaGen设有一安全机制，当海洋动物接近时，涡轮机会被关闭。然而由于通过的海洋生物数量较多时，会严重影响到发电量。[54]当一些鱼群受到不断旋转或发出噪音物体的骚扰后，会选择避开该区域。潮汐能发电机选址时会尽量避开拥有大量海洋生物的区域。
有个名为特提斯的数据库提供有关潮汐能潜在环境影响的科学文献和一般资讯。[55]就GWP（即碳足迹）而言，潮汐发电技术的影响范围为15至37克二氧化碳当量/千瓦时，中位数为23.8克二氧化碳当量/千瓦时，[56]与风能和太阳能等再生能源的影响一致，明显优于化石能源。
电力可透过燃烧任何可燃物质来生产。有些电力是透过燃烧专门为此目的而种植的农作物而来。通常先利用发酵方式，生产乙醇成为燃料来达成。也可透过让有机物腐烂，产生生物燃气，再将之燃烧来达成。木材也可作为一种生物质燃料。[57]
燃烧生物质产生的许多排放与燃烧化石燃料相同。然而种植植物，于生长生物质时可从空气中捕获二氧化碳，而抵销燃烧时的排放。
生产生物质与任何类型的农业一样会造成同样的环境问题 - 占用大量土地，且通常需要使用化肥和杀虫剂才能实现有经济效率的收获。而以农业副产品出现的生物质则有一些前景，但大多数此类生物质目前已有用途，或仅单纯的重新混入土壤作肥料施用。
本节摘自风力发电对环境的影响。
风力发电与燃烧化石燃料发电相比，对环境的影响较小。[59]风力发电机每单位发电量产生的GWP最低：平均电力单位所排放的温室气体极低，因此风力发电有助于缓解气候变化。[60]风力发电设施于几个月内的发电量即足以应付用于制造和运输风力发电厂材料所需的能源。[61]
陆上风力发电厂会对景观产生显著的视觉冲击和影响。[62]风电厂因表面功率密度低和风机之间需要一定的距离，通常会比其他发电方式用到更多的土地。[63][64]此类风机、通路、输电线路和变电站构成的网络会导致称为"风电设施蔓延（energy sprawl）"的现象（与都市蔓延比拟），[65]其实风机和道路之间的土地仍然可以用于农业活动。[66][67]
尤其在风景优美和具有重要文化意义的景观中更会将这种冲突凸显。可透过选址限制（例如将厂地退缩）而将影响限制。[68]风机和通路之间的土地仍可用于耕种和放牧。[66][69]风力发电厂会导致"农村工业化"的结果。[70]一些风电厂计划因可能会破坏风景名胜区、考古景观和遗产地而遭到反对。[71][72][73]苏格兰登山者协会发表的报告，结论是风电厂会损害以自然景观和全景知名地区的旅游业。[74]
陆上风电厂对野生动物的最大威胁是会造成栖息地丧失和破碎化，[65]但迄今影响尚小，[75]如果实施适当的监测和缓解策略，可将影响减轻。[76]此种发电方式对全球生态影响甚小。[59]风机的叶片与其他人造结构一样[77]会杀死包括稀有物种在内数以千计的鸟类和蝙蝠，但实际上风机造成的鸟类死亡数目远少于化石燃料基础设施的。[78][79]透过适当的野生动物监测可将这种情况减轻。[80]
许多风机叶片由玻璃纤维制成，有些叶片的使用寿命只有10到20年。[81]之前的旧叶片未作适当的回收，[82]通常被丢弃在垃圾掩埋场。[83]由于叶片是中空的，所占的体积很大。一些垃圾掩埋场业者自2019年起开始要求叶片在掩埋前须先粉碎。[81]2020年代制造的叶片更有可能被设计为可完全回收。[83]
风机在运作中也会产生噪音。在300米（980英尺）的距离外，约有45分贝，比冰箱的声音稍大。在1.5公里（1英里）距离外，则不会听到。[84][85]有传闻称风机会对居住在附近的人们产生健康上负面的影响。[86]通常由同侪审查的研究报告并不支持这些观点。[87][88][89]建造海上固定式风电厂的打桩机运作时会产生水下噪音，[90]但离岸风机运转时会比船舶安静得多。[91]
地热能可用来发电。地热产生的热水可用于工业、农业、沐浴和清洁。在可利用地下蒸汽源的地方，可用来驱动蒸汽涡轮机。由于地下水会枯竭，地热蒸汽源的寿命有其限度。在与人类相关的时间尺度上，透过将地表水于岩层间循以产生热水或蒸气的装置是一种再生能源。
虽然地热能发电厂不燃烧任何燃料，但由于地热井同时会产生蒸汽以外的物质，仍然会有温室气体排放。可能包括硫化氢和二氧化碳。一些地热蒸汽源夹带不溶于水的矿物质，在用于发电之前必须去除，这类矿物质必须妥善处置。任何（封闭式循环）蒸汽发电厂都需要水以冷却冷凝器，然后冷却水被排入天然水源，当这些水返回溪流或湖泊时会将水体温度升高，可能会对当地生态系产生显著影响。[92]
抽取地下水和岩层加速冷却有造成地震的可能。增强型地热系统（EGS）以破坏地下岩石而能产生更多蒸气，此类项目可能会引发地震。由于获取地热能而引起令人反感的地震活动，某些项目（例如2006年于瑞士巴塞尔附近的一个项目）已被暂停或是取消。[93]然而"水力压裂引发的地震规模较自然产生的为低，可通过仔细管理和监测来减少发生"，并且"不应视为进一步开发地热能源的障碍"。[94]
本节摘自太阳能发电#环境影响。
太阳能发电比燃烧化石燃料发电更为清洁，[95]因此用其取代化石燃料对环境有益。[96]太阳能在运作过程中不会产生任何有害排放，但太阳能面板于生产时会产生一定程度的污染。 于2021年发表的一项研究报告估计美国制造单晶硅面板的碳足迹为515克二氧化碳/千瓦峰值发电容量 ，中国的为740二氧化碳/千瓦峰值发电容量，[97]但于制造商使用更多清洁电力和回收材料，此一数字预计将会下降。[98]截至2022年，太阳能发电会为环境产生前期成本（需要经过数年才能回收），[98]但可在其剩余的30年使用寿命中提供清洁能源。[99]
太阳能发电厂的能源生命周期中温室气体排放量有50克/千瓦时，[100][101][102]但如采用电池储存电能时，排放量会高达150克/千瓦时。[103]相较之下，没采用碳捕集与封存措施的复循环燃气发电厂的排放量约为500克/千瓦时，燃煤发电厂的排放量约为1,000克/千瓦时。[104]太阳能发电的总生命周期排放主要来自兴建时期，转向太阳能发电将进一步减少碳排放。[102]
太阳能发电的生命周期表面功率密度变化很大，[105]但平均约为7瓦/平方米，核电约为240瓦/平方米，天然气发电约为240瓦/平方米。[106]然而为开采天然气和加工所需的土地被计入天然气发电时，估计其功率密度并不比太阳能高多少。[95]光电发电需要更多的陆地面积才能产生足够的能量。根据一项于2021年发表的研究报告，欧盟到2050年要从本国境内的太阳能发电厂获得所需的25%至80%的电力，需要太阳能面板覆盖0.5%至2.8%的土地，于印度需覆盖0.3%至1.4%的土地，及于日本和韩国需覆盖1.2%至5.2%的土地。[107]占用如此大面积的光电发电厂将会引起居民的反对，也会导致森林砍伐、去除植被和农地转变的结果。[108]然而有些国家，例如韩国和日本在面板之下种植作物，[109][110] or floating solar,[111]或于水面上建立浮式光电发电厂以为因应。[112][113]预计风能与太阳能对全球生态的影响甚小。[114]如果在建筑物和其他建筑区域安装面板，可以将土地使用量减少到与燃气发电相似的水平。[105]
生产太阳能板会使用对环境有害的材料，但通常用量很少。[115]截至2022年，开采钙钛矿对环境的影响很难估计，但有人担心使用的铅可能会成为一个问题。[95]国际能源署于2021年发表的一项研究报告，预计到2040年的铜需求将增加一倍。该研究警告说铜的供应需要迅速增加，以满足大规模部署太阳能面板和电网升级的需求。[116][117]可能还需要更多的碲和铟，透过回收方式将有助于取得。[95]
由于有时旧式太阳能面板会被更换为更有效率的新面板，拆下的二手面板可运往发展中国家（例如非洲）重复使用。[118]有些国家对太阳能面板回收已制定具体规定。[119][120][121]虽然太阳能发电设备较其他能源的维护成本低很多，[122]一些学者仍呼吁将太阳能发电系统设计得更易于修复。[123][124]
太阳能发电中有很小部分是聚光太阳能热发电。这种发电方式会比燃气发电消耗更多的水，而成为一须列入考虑的因素。此种发电方式需要强烈的阳光，因此通常会建在沙漠之中。[125]
参见
- 空气污染
- 阿塔争议
- 碳原则
- 不同能源的发电成本 – 包含环境与健康成本
- EKOenergy – 一全球活跃的可再生能源非营利性生态标签。
- 能源产业对环境的影响
- 尤金绿色能源标准Eugene Green Energy Standard
- 烟气脱硫
- 烟道气
- 火力发电厂
- 能源生命周期中温室气体排放
- 各国可再生能源电力产量列表
- 世界储能电厂列表
- 核子动力
- 核技术告密者列表
- 发电厂
- 关于气候变化的科学共识
参考文献
外部链接
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