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            能源行業減排任務更加繁重,“去碳化”成為主要發展方向
            來源:碳排放管理師網 碳排放管理師網 發布時間:2022-02-16

             摘要:在碳達峰、碳中和目標下(簡稱“雙碳”目標),中國能源系統將繼續加快清潔低碳轉型。核能具有生產過程不排放溫室氣體、全壽期碳排放量小、能量密度高、無間歇性等優點,可通過規模替代化石能源助力能源系統轉型。通過梳理中國能源系統現狀和核能發展基礎,總結多方研究給出的能源發展目標,分析核能在發電、制氫、區域供熱、海水淡化等領域的發展機遇,量化分解出階段性發展子目標并匹配相應技術路線,總結提出核能行業發展路徑,指出下一步工作重點為重塑核能在能源系統中的定位、堅持創新驅動發展、堅持與經濟社會協調發展等,提出并討論安全和公眾接受性、經濟性、靈活性等需要關注問題,為推動核能行業高質量發展提供政策建議。

              (來源:“中國電力”作者:王海洋)

              引言

              近年來全球極端氣候災害頻發,人們日益認識到氣候問題帶來的災難性影響,也認識到減排溫室氣體、應對氣候變化的重要性和緊迫性。2015年,《巴黎協定》提出21世紀末全球溫升控制目標;同年,“氣候行動”“清潔能源”等被聯合國列入17項可持續發展目標。當前能源生產貢獻了全球一半以上的溫室氣體排放,能源行業減排任務更加繁重,“去碳化”成為主要發展方向。

              2020年9月以來,習近平總書記向國際社會鄭重宣示中國碳達峰新目標、碳中和新愿景和中國國家自主貢獻的一系列新舉措。中國作為全球最大的發展中國家、全球第二大經濟體、最大的出口國與能源生產和消費國,努力實現雙碳目標,是化被動為主動,彰顯大國責任擔當的戰略選擇。

              美國、歐洲碳排放量分別在2000年左右和20世紀90年代初先后達峰,隨后維持平穩波動并呈緩慢下降趨勢,至2018年兩者二氧化碳排放量分別相當峰值時期的約88%和63%[1],他們均設定在2050年左右實現碳中和目標。從碳達峰到碳中和,美歐有50年以上的過渡期,而中國只有30年,目前距離碳達峰目標已不足10年。中國經濟仍處于中高速發展階段,還未完全實現工業化和城鎮化目標,人口數量和能源消費總量還在增長,按期實現能源消費和碳排放“雙達峰”是巨大挑戰。

              數年來世界各國研究和實踐均證明,要實現能源系統清潔低碳轉型,核能必不可少。其生產過程中不排放溫室氣體,全壽期碳排放量小,同時具有能量密度高、無間歇性、占地面積小、受自然條件約束少等優點[2]。在雙碳目標下,核能在發電、制氫、區域供熱、海水淡化等領域將有更多發展機遇。下文將通過量化分析,總結提出核能發展路徑及有關建議,為行業高質量發展政策制定提供參考。

              1 “雙碳”目標下中國能源發展目標

              據統計,能源生產和消費是二氧化碳排放的主要來源,貢獻了約70%的二氧化碳排放,其中煤炭和油氣消費是主要來源[3-4]。

              黨的十八大以來,中國加快構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系,非化石能源在一次能源消費中占比從2012年的約9%提高至2019年的15%,同期核能占比由0.8%提高到約2.2%[5]。2019年,中國碳排放強度比2005年下降48.1%,提前超額完成對外承諾目標[6]。

              2020年9月,習近平主席在第七十五屆聯合國大會上宣布中國的“雙碳”目標;12月,他在氣候雄心峰會上進一步宣布,到2030年中國單位國內生產總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上,非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右,風電、太陽能發電總裝機容量將達12億kW以上。

              在雙碳目標提出以后,多個專家和機構以經濟發展、能源轉型等方面條件為約束,分析給出至2060年中國能源發展的若干階段性目標(見表1)。

              可以看出,實現雙碳目標過程中,中國能源結構或將在一個較短的時期內快速調整,碳排放和能源消費先后“雙達峰”再逐步加速下降,電力消費占比和非化石能源占比將不斷提升,對化石能源的依賴度將較快下降,這意味著非化石能源進入快速發展機遇期。預計在低碳能源替代、區域多能互補、低碳能源多元化利用等方面將有更多發展機會。

              2 中國核能行業發展機遇和目標分析

              人類對核能的和平利用始于發電,這也是現今最主要的核能利用形式。根據國際原子能機構有關報告分析,即使從全壽命周期來看,核能單位發電量的溫室氣體排放也是最小的[13](圖1)。

              從能源效率的觀點來看,能量梯級利用是更為高效的一種方式。2019年,全球共有79座核反應堆(其中部分為多功能)用于海水淡化(10臺)、區域供熱(56臺)和工藝供熱(32臺),累計有750個反應堆年的安全運行經驗[14]。

              隨著技術的發展,尤其是第四代核能系統技術的逐漸成熟和應用,核能更將超脫出僅僅提供電力的角色,在核能制氫、區域供熱、海水淡化等多種非電綜合利用領域發揮功能,起到減排降碳、確保能源安全的重要作用(見圖2)。

              數據來源:文獻[15]

              《“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要》提出,構建現代能源體系作為中國“十四五”階段重點任務,“安全穩妥推動沿海核電建設”“非化石能源占能源消費總量比重提高到20%左右”,“積極有序推進沿海三代核電建設。推動模塊式小型堆、60萬kW級商用高溫氣冷堆、海上浮動式核動力平臺等先進堆型示范……開展山東海陽等核能綜合利用示范”。這為中國核能行業近中期發展指明了方向。

              2.1 發電

              截至2021年一季度末,全球在運行核電機組444臺,裝機容量3.94億kW;在建核電機組53臺,裝機容量0.57億kW。2019年全球核能發電量占比約10.4%,在非化石能源中發電量占比約27.8%[5]。在經濟總量排名靠前國家中,發達國家核能占一次能源消費比例多年保持在4%~9%(見圖3,除法國占比高達約40%,德國決定棄核后核能占比明顯下降,日本受福島核事故影響核能占比下降以外)。截至2018年,這些國家的核電發電量占非化石能源發電量比例高達34%~52%[16]。

              法國核電能耗占比多年保持在40%左右,不再在圖中展示。

              雖然近十幾年來以風電、光伏為代表的新能源快速發展,同時受2011年福島核事故影響,部分國家調整了核電政策,但統計表明,除中國外,福島核事故前后年均開工新建核電機組數量相差甚微,可見其受重視程度并未減弱[17]。目前,全球有19個國家正在新建核電機組,約有30個國家正在考慮、計劃或啟動核能項目,另有約20個國家在某種程度上表達了意愿[18]。

              截至2021年一季度末,中國在運核電機組49臺,裝機容量約5100萬kW;核準在建核電機組17臺,裝機容量近2000萬kW,在運、在建機組數量分別居世界第三和第一。雖然近年來中國核能產業發展速度較快,但根據公開數據,2019年中國核能一次能源消費占比僅約2%,發電量占比約4.7%,發電量在非化石能源中占比約14%,均遠低于發達國家和世界平均水平,未來發展空間很大。

              按照表1給出目標,2030年,中國一次能源需求總量達峰,約55億t標準煤,其中非化石能源占比25%,約14億t標煤,電力需求11萬億~13萬億kW·h。2050年,一次能源需求總量有所下降,電力需求和非化石能源需求仍將保持增長,這意味著電力結構需持續優化;按一次能源消費總量45億t標煤計算,其中非化石能源消費約31.5億t標準煤,電力需求超過16萬億kW·h。

              保守假設2030、2050年核電發電量占總發電量比例分別為8%、20%(分別接近目前全球核電發電量平均占比和達到有核電發達國家的核電占比水平,見圖4),即分別為0.96萬億和3.20萬億kW·h,保守按照年利用小時數7800 h計算,裝機規模分別達約1.23億和4.10億kW。按照典型三代自主知識產權核電機型華龍一號、國和一號單臺功率分別為120萬kW、150萬kW,核電建設周期為5年考慮,2020—2025年、2026—2045年分別年均開工建設7~8臺、10~12臺百萬kW級三代壓水堆機組。

              考慮到核電發展現狀及各方面基礎條件,設定目標是較為現實的,以中國現有能力完全可以實現。此外,未來高溫氣冷堆、鈉冷快堆、模塊式小堆等先進核能技術與非電應用將逐步成熟商用,核能規模提升仍有潛力。

              2.2 制氫

              氫能是具有發展潛力的二次能源,同時還是鋼鐵、化工等傳統產業的重要原料或還原劑。全球多個國家,特別是美國、日本、法國、韓國等發達國家,已制定氫能發展計劃并開展有關工作。

              根據氫能行業有關研究報告,2018年,中國氫氣產量約2100萬t,預計2030年氫氣需求將達到3500萬t,2050年接近6000萬t,主要用于交通運輸、工業領域、建筑及其他領域。中國政府部門已于2020年出臺有關文件提出加快新能源發展,加快制氫加氫設施建設。目前,已有一批制氫和產儲運一體化產業鏈項目獲批[19]。

              在雙碳目標約束下,低碳、零碳制氫工藝成為關注焦點。核能制氫主要可采用傳統電解水工藝、高溫蒸汽電解制氫和硫碘循環工藝制氫3類,有關研究最早始于20世紀60年代。采用傳統電解水工藝只需要核電廠所產生的電,要與現有成熟技術抗衡,電力成本應足夠低。高溫蒸汽電解通過固體氧化物電解池,在至少600 ℃高溫下制氫,比低溫工藝耗能更少、效率更高(超過40%)[20];高溫氣冷堆出口溫度800~950 ℃,恰好具備這樣同時供電、供高溫蒸汽的能力,具有較好的發展前景。硫碘循環工藝也屬于熱化學工藝,該工藝流程需要硫酸、氫碘酸、碘以及這些物料的混合物參與,對材料抗腐蝕性能要求很高,其中硫酸在400 ℃下沸騰蒸發是腐蝕最嚴重的工藝步驟;考慮到材料耐久性問題,該工藝尚未實現商業化。

              以高溫氣冷堆為例,經估算,一臺60萬kW高溫氣冷堆機組可滿足180萬t鋼產能對氫氣、電力及部分氧氣的能量需求,對應于每年可減少能源消費約100萬t標準煤,減排約300萬t二氧化碳。目前,位于山東石島灣的高溫氣冷堆示范電站即將裝料,計劃2021年底投入商業運行;60萬kW高溫堆項目正在積極推進。

              根據前文所述預測目標,保守假設2030、2050年分別有4%、10%(即同年核電發電量占比的一半)制氫產能由核能提供,按照某核能制氫示范裝置效率計算,相當于分別約750萬kW和3200萬kW熱功率。相比于煤制氫,減少二氧化碳排放分別達0.15億t/年和0.60億t/年。

              2.3 區域供熱

              核能區域供熱是十分具有發展前景的方向。全球許多國家,特別是歐洲國家已有約50年商業化的居民核能供熱實踐。早在1954年,前蘇聯應用熱功率為10 MW的實驗供熱堆型,發展了核能供熱技術;隨后幾十年間,以前蘇聯為代表的一批歐洲國家陸續將運行的商用核反應堆用于供熱[21]。

              國家統計局數據顯示,2019年,中國城市集中供熱面積92.51億m2,比2011年幾乎翻一番,2012—2019供熱面積年均增速超過8%,供熱總量也在以超過4%的年增速增長。隨著中國鄉村振興與新型城鎮化建設推進,還會有更多集中供熱需求。

              2017年印發的《北方地區冬季清潔取暖規劃(2017—2021年)》提出,到2021年北方地區清潔取暖率達到70%;對“2+26”重點城市,2021年城區全部實現清潔取暖,縣城和城鄉結合部清潔取暖率達到80%以上,農村地區清潔取暖率60%以上;研究探索核能供熱,推動現役核電機組向周邊供熱,安全發展低溫泳池堆供暖示范。

              中國于1959年開始建造49-2泳池式輕水反應堆;1989年,清華大學核能與新能源技術研究院開發出熱功率5 MW的供熱堆型NHR-5,采用“一體化全功率自然循環”模式,具有固有安全性。近年來,清華大學、中核集團等單位又分別開發出NHR200-II低溫供熱堆、“燕龍”泳池式低溫供熱堆等堆型,為核能供熱技術推廣應用打下基礎。2019年11月,山東海陽核能供熱項目首次正式商用,抽取少量AP1000機組常規島蒸汽為70萬m2住宅供熱?!伴_展山東海陽等核能綜合利用示范”也被寫入“十四五”規劃綱要。隨著后續項目建成,最終海陽核電站可達到超過2億m2的供熱能力,供熱半徑達100 km,每年可節約標準煤約662萬t。

              在中國北方的核電基地中,海陽核電、石島灣核電、紅沿河核電、徐大堡核電等均已(考慮)實施熱電聯供,進行了相應的技術改造或設計,有望于2030年全部實施區域供熱,至2050年具備條件的核電基地均可進行熱電聯供;對于小型低溫供熱堆各類機型,可待項目成熟后盡快示范、商業推廣,十四五期間先行示范2~4個機型,此后逐步推廣。

              當前中國北方地區城鄉供熱面積總計約200億m2,保守假設2030、2050年分別有4%、10%供熱需求由核能提供,按照供熱量50 W/m2測算,分別相當于0.4億kW和1億kW供熱功率。相比燃煤鍋爐供熱,分別減少二氧化碳排放約0.7億和1.7億t/年。

              2.4 海水淡化

              淡水資源不足是全球很多地區面臨的問題。據聯合國統計,全球約20%人口無法獲得安全飲用水,而且這一比例還在增加。根據世界銀行測算,到2025年,將有超過10億人生活在缺水地區。根據中國水利部數據,2030年中國人均水資源量預計僅有1750m3;在充分考慮節水情況下,用水總量為7000億~8000億m3,要求供水能力比當前增長1300億~2300億m3。

              考慮到海水資源量巨大,成本低廉,將海水淡化使用極具發展潛力。目前,大多數海水淡化工藝使用化石燃料,因此也產生了大量碳排放。而利用核能淡化海水,占地少、水質好、供給穩定。前蘇聯于1973年開始,利用核能技術(快增殖反應堆)進行海水淡化實驗,結果證明,在技術和經濟效益上皆可行。20世紀90年代以來,核能應用于海水淡化技術得到了國際原子能機構和世界許多國家的廣泛重視。

              目前較成熟方案是依托大型核電機組建設海水淡化廠,該方案已在中國紅沿河、寧德、三門、海陽等多座核電廠采用;也可直接建設低溫供熱堆用于海水淡化,相關技術方案正在研究中。以紅沿河核電海水淡化廠為例,最大產水規模1.5萬t/天,正常情況下1.3萬t/天,該技術較為成熟,在許多地區具備進一步擴大產能和商業化推廣的條件。

              此外,隨著中國海防建設的需要,如何解決海島供水安全問題已迫在眉睫。中國存在資源性缺水問題的海島約占全國海島總數的91%,大多遠離大陸、分散偏僻,無法引水,面積較小(500 m2~5km2的海島約占中國海島總數的98%),開發本地水資源的能力有限。淡水資源保障是中國大力發展海洋科技的后盾,鑒于此,對濱海核電海水淡化廠、浮動堆海水淡化的需求預計將持續增加。

              在國內外一些海島地區,已有海上浮動核電站的應用實例。2020年5月,俄羅斯建成世界首座浮動核電站“羅蒙諾索夫院士”并投入商業運營,由一艘駁船搭載2臺35 MW的KLT-40C核反應堆,為其北極海岸的楚科特卡地區城市提供能源和淡水。

              根據上文對用水能力增長的預測目標,綜合考慮2050年人口變化、人均用水量增加和節水技術進步多重因素作用,保守假設2030、2050年中國需水量分別為1300億和2300億m3,核能海水淡化占比分別為4%、10%(即同年核電發電量占比的一半),按能耗4kW·h/m3測算,即2030、2050年新增核能淡化能力分別為52億和230億m3,相當于270萬kW和1180萬kW核電裝機,分別減少二氧化碳排放約0.17億和0.74億t/年。

              3 核能行業發展路徑及有關問題建議

              3.1 雙碳目標下核能行業發展路徑

              在雙碳目標約束下,結合中國核能行業發展現狀和有關規劃、政策,本文梳理出未來核能技術較為具有發展前景的方向,并盡可能分階段給出量化目標,見表2。

              為抓住機遇,實現新一輪高質量發展,核能行業要堅持以安全為前提,扎實推進以下工作。

              (1)要重塑核能在能源系統中的定位。在能源系統清潔轉型過程中,各類能源品種的地位和作用都將轉化。核能一方面要擴大電力占比,替代高碳排放能源品種承擔基荷角色,主動與風、光、蓄等能源品種互為補充、相互支撐;另一方面要積極改變自身,技術向著靈活化、智慧化方向發展,通過大中小裝機配合,地上、地下、水面等多重空間布局,抓住機會開拓制氫、供熱等核能綜合利用領域市場,確立核能在清潔能源替代中的突出位置。

              (2)堅持創新驅動發展。雖然幾十年來,中國核能行業從小到大、從弱到強,積累了大量發展經驗,取得了一定成績,但要在新的能源體系中發揮好作用,還需要不斷開展科研創新,牢牢掌握核心技術。美國自20世紀80年代起,很少建設新的核電項目,但一直未停止新技術研發,始終保持強大的基礎研究能力。美國的經驗值得學習,要進一步優化自主品牌核電技術的設計,提高經濟競爭力;對關鍵核心技術、核心部件和基礎材料仍需加大攻關;小型堆研發要盡快走出“大堆小型化”的局限,探索實現固有安全、高度智能、極度簡化、工廠預制、模塊配置等特性;對于第四代各種堆型應分層次開展研發示范工作,形成梯次推進的技術布局;面向長遠,加強對基礎性、原創性科技創新的投入,形成持續、穩定的投入機制[17]。

              (3)堅持全產業鏈協同推進,與經濟社會發展相協調。核能行業在新領域探索發展過程中要充分考慮到扶植培育整個產業鏈,打下扎實的發展基礎,營造良好的市場環境,避免諸如核電越建越貴、關鍵技術部件受制于人的被動局面。貫徹“創新、協調、綠色、開放、共享”五大發展理念,讓核能成為經濟上有優勢,對社會有助益,發展成果可共享的綠色產業。同時要把握“雙循環”新發展格局,在全球新一輪核能發展中占據主動地位。

              3.2 需要關注問題和建議

              (1)安全和公眾接受性問題。核安全是國家安全的重要組成部分,安全是核能行業發展的前提和生命線。2011年日本福島核事故發生后,世界各國汲取事故教訓,積極采取措施提升安全性,重建發展信心。隨著中國發展進入新時代,黨和國家對確保核安全的要求更嚴、標準更高,人民群眾對核安全的關注更多、期待更高。只有解決安全性問題,公眾對核能的接受度才能提高,行業發展才有更大空間。因此,面向雙碳目標,核能行業要在可能影響安全與公眾接受性的環節下大力氣,為規模發展奠定基礎。

              (2)核能經濟性問題。據國際可再生能源際署統計,2010年以來,太陽能光伏、聚光太陽能電池儲能、陸上風電和海上風電等新能源技術成本分別下降82%、47%、71%、38%和29%[22],在三代核電安全性要求提高、新建項目成本不斷攀升的背景下,核能技術發展壓力很大。以核能制氫技術為例,現有技術電解1 m3氫氣需要5 kW·h電能,未來可以下降到2.8 kW·h;當用電成本下降到0.15元/(kW·h)以下時,電解水制氫成本可以和既有供氫技術競爭[23]。目前國內核電上網電價大多在0.4元/(kW·h)以上,因此如何通過技術改進和創新降低核電成本,成為一個關鍵問題。

              (3)在未來能源體系中的靈活性問題。中國資源稟賦和用能負荷不均衡,加之新能源的時空不匹配,預計下一步新能源的波動性和間歇性將給電網運行帶來巨大影響。此外,根據國網能源研究院預測,在用戶端將更加明顯地呈現夏季、冬日負荷“雙峰”特點。在傳統情況下,核電一般以帶基荷運行為主,不參與電網調峰[24];在新的發展階段,核電靈活性不足問題將顯現,或面臨更頻繁的調峰壓力。根據有關研究,隨著核電參與調峰深度的加深,電力系統運行成本和單位發電量成本都將較顯著提高。廣泛開發核能多功能利用或配備儲能,對于彌補核能調峰深度受限問題、增加核能系統靈活性意義重大,還可能避免因大型核電機組頻繁參與調峰帶來的經濟性和安全性挑戰。當前儲能技術中,抽水蓄能較為成熟,相比于化學儲能大多在0.6~0.8元/(kW·h)的度電成本,抽水蓄能度電成本較低(0.21~0.25元/(kW·h))[25]。下一步,探索核能參與“多能互補”電源基地,加強“源網荷儲”互動[26],是重要研究方向。

              4 結語

              在“雙碳”目標下,中國能源系統將向著多元清潔方向發展。核能作為典型低碳能源品種,可在未來能源體系中超脫出僅僅提供電力的角色,助力能源清潔低碳轉型,實現高質量發展。本文結合中國能源系統現狀和核能發展基礎,分析核能在發電、制氫、區域供熱、海水淡化等領域的發展機遇,總結提出行業發展路徑,指出下一步核能行業工作重點為重塑其在能源系統中的定位、堅持創新驅動發展、堅持與經濟社會協調發展,同時應關注安全和公眾接受性、經濟性、靈活性等重要問題,為有關政策制定提供參考。

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