所有的能源生产都需要占用土地——无论是发电厂,还是从地下挖出的矿物资源。哪些能源使用的土地最多,哪些发电技术土地使用效率最高?联合国欧洲经济委员会(UNECE)对此作了统计,并发布了发电技术全生命周期环境影响评估报告,数据统计网站OurWorldinData对其中的土地占用情况作了专门统计,笔者特编译该数据供参考。
没有一种能源是对环境无影响的,不管是煤炭、天然气、核能,还是可再生能源,每一种能源都会占用土地,使用到水资源,并需要一些自然资源作为燃料或用于制造过程。
但是,不同的能源种类在生态环境影响方面存在着巨大的差异。与核电或可再生能源相比,化石燃料每单位能源所排放的温室气体要多得多,因此化石燃料发电技术,会因空气污染而损害更多人的健康。
而涉及到土地使用时,这些能源种类的土地占用组成情况如何?
人们之所以关注土地占用对能源生产的影响,有几个原因:首先考虑的是技术问题,即我们是否有足够的土地来生产我们所需要的全部特定的能源。第二是对景观方面的考虑,即这些技术可能会对我们生活周边景观的影响程度如何。第三是土地使用对自然栖息地和生态环境的影响。
哪些能源生产占用的土地最少?
总土地使用(total land use)的一大部分是发电厂所占用的空间:比如煤电厂区的占用面积,或太阳能电池组件覆盖的土地面积。此外,还需要考虑更多的土地,比如开采煤炭需占用土地,太阳能电池组件需要的金属和矿物材料开采矿产也要占地。
为了捕捉能源占用土地的全貌,联合国欧洲经委会根据全生命周期评估来比较这些土地占用情况:包括工厂本身在运行时的土地使用;用于开采建筑材料的土地;能源燃料的开采,无论是直接使用(即供应链中使用的煤、石油、天然气或铀)还是间接使用(用于生产材料的能源投入);电网连接占地;以及用于管理可能产生的废物的土地等。
每单位电力能源的土地使用情况汇总表(单位:年平米数/每MWh)
上图对不同能源的占地情况作了横向比较。这里只包括关键的电力来源——因为石油主要用于运输,所以不包括在内。这些发电来源的土地使用以每兆瓦时发电量的年-平方米(m2-annum/MWh)为单位。数据还考虑了这些电力来源的不同容量因子,即需要考虑太阳能或风能这样的间歇性发电技术的实际输出情况。
首先,不同能源占地情况存在着巨大差异。在上图最底部,核能是土地效率最高的能源:每单位电力需要的土地不及煤炭的50分之一;比地面太阳能光伏发电节省起码18至27倍。
其次,在单一的能源技术中也存在着巨大的差异。这表现在从最小到最大的土地占用的范围比较宽。这表明,土地利用在很大程度上取决于技术的部署方式和当地环境情况。
以太阳能为例,环境和材料的类型对土地占用影响很大。由镉制成的太阳能电池组件比硅材料电池组件可使用更少的能源和材料,因此每单位使用的土地更少。将太阳能光伏组件安装在屋顶或地面上对土地占用的得分也有明显区别。屋顶太阳能光伏显然需要更少的额外土地,因为屋顶光伏安装在现有的建筑物顶部,因此使用的只是已经被占用掉的空间,但在其生命周期中确实还需要一些土地,因为它们仍然需要使用开采的材料来制造它们,此外,用于提炼硅时也需要能源(主要是电力)。最后,电池组件安装的密度和间距对土地占用得分情况也有影响。
风电也是重要的电力来源,当涉及到土地使用时,报告提出应该以不同的方式考虑。上图最底部,将风电占地单独列出。考虑到几个原因:首先,海上风电需要占用空间,但它占用的是海洋,而不是陆地面积。其次,陆上风电的占地与其他电力来源又有所不同,因为我们还可以将风电机组之间的土地用于其他活动,即不影响耕种和其他活动。而煤炭、天然气或核电站则不具备这种特点。这意味着风电场的土地使用是高度可变的,实际以风电机组占地计算,远小于项目占地。这里提供了世界上22个大型风电场的土地使用情况。
以美国得克萨斯州Roscoe风电场为例,每兆瓦时使用了184平方米的土地(项目占地)。这是一个大型风电项目,农民可以通过发电获得额外的收入,但同时农民还可在风电机组之间继续种地,风电场占地倒成了次要占地,实际可忽略不计。这与集中式风电场形成了对比,如罗马尼亚的F?nt?nele-Cogealac风电场,或美国加州的Tehachapi Pass风电场,这些风电场的能源生产是主要的土地用途,上述风电场占地更小,每兆瓦时只需要8平方米。
考虑到风电机组的实际占地,上表显示陆上风电的直接占地(机组占地)只有0.4平方米每兆瓦时,风电的每单位占地面积很小,仅次于核能。
具体选择在何处部署风电机组,以及如何部署风电机组,意味着既可能使用大量的土地,也可能比我们今天使用的土地更少。
也有一些人认为,我们可以将同样的原则应用于太阳能。在联合国欧洲经济委员会的评估中——上图显示的数字——太阳能组件板的表面积被计入其直接土地使用。但是,有的分析不以这样的方式计算。有些人认为太阳能组件板下的土地有时也可用于其他用途(如耕种),因此应被算作“共用土地”。有证据表明,类似农业光伏系统可能是共享土地的很好例子。最近的研究表明,在某些条件下,农业光伏作物的产量甚至可以比传统作物更高,因为有更好的水份平衡和蒸腾作用,而且可降低作物的温度。
这突显了一个重要的问题:土地使用成本可以有很大的不同,这取决于不同能源技术的建设地点、以及该土地的替代用途。在自然栖息地或森林中建设能源电厂与在没有啥生产用途的沙漠中建造太阳能电站是完全不同的。
将我们需要的低碳能源转型作为一个整体进行评估:它可能不需要像我们设想的那么多土地。如果只是建立在核电基础上的转型,需要的土地确实比我们今天使用的要少得多,而只依靠可再生能源的转型,有可能需要更多的土地,但也许不会多很多。
考虑到转型到低碳能源技术可防止每年数百万人因空气污染而过早死亡,并解决全球气候变化问题,因此即便要多使用一些土地——特别是在没啥实际用处的土地上——也算是一个更合理的代价。