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碳达峰 碳中和方针下我国核能展开途径剖析

  摘要:在碳达峰、碳中和方针下(简称“双碳”方针),我国动力体系将持续加速清洁低碳转型。核能具有出产过程不排放温室气体、全寿期碳排放量小、能量密度高、无间歇性等长处,可经过规划代替化石动力助力动力体系转型。经过整理我国动力体系现状和核能展开根底,总结多方研讨给出的动力展开方针,剖析核能在发电、制氢、区域供热、海水淡化等范畴的展开机会,量化分解出阶段性展开子方针并匹配相应技能道路,总结提出核能职业展开途径,指出下一步作业要点为重塑核能在动力体系中的定位、坚持立异驱动展开、坚持与经济社会和谐展开等,提出并评论安全和大众承受性、经济性、灵敏性等需求注重问题,为推动核能职业高质量展开供应方针主张。

  近年来全球极点气候灾害频发,人们日益认识到气候问题带来的灾难性影响,也认识到减排温室气体、应对气候改动的重要性和紧迫性。2015年,《巴黎协议》提出21世纪末全球温升操控方针;同年,“气候举动”“清洁动力”等被联合国列入17项可持续展开方针。当时动力出产奉献了全球一半以上的温室气体排放,动力职业减排使命愈加深重,“去碳化”成为首要展开方向。

  2020年9月以来,习总书记向世界社会慎重宣示我国碳达峰新方针、碳中和新愿景和我国国家自主奉献的一系列新举措。我国作为全球最大的展开我国家、全球第二大经济体、最大的出口国与动力出产和消费国,努力完成双碳方针,是化被迫为自动,闪现大国职责担任的战略挑选。

  美国、欧洲碳排放量别离在2000年左右和20世纪90年代初先后达峰,随后坚持平稳动摇并呈缓慢下降趋势,至2018年两者二氧化碳排放量别离适当峰值时期的约88%和63%[1],他们均设定在2050年左右完成碳中和方针。从碳达峰到碳中和,美欧有50年以上的过渡期,而我国只要30年,现在间隔碳达峰方针已缺乏10年。我国经济仍处于中高速展开阶段,还未彻底完成工业化和城镇化方针,人口数量和动力消费总量还在添加,如期完成动力消费和碳排放“双达峰”是巨大应战。

  数年来世界各国研讨和实践均证明,要完成动力体系清洁低碳转型,核能必不可少。其出产过程中不排放温室气体,全寿期碳排放量小,一起具有能量密度高、无间歇性、占地面积小、受天然条件束缚少等长处[2]。在双碳方针下,核能在发电、制氢、区域供热、海水淡化等范畴将有更多展开机会。下文将经过量化剖析,总结提出核能展开途径及有关主张,为职业高质量展开方针拟定供应参阅。

  据核算,动力出产和消费是二氧化碳排放的首要来历,奉献了约70%的二氧化碳排放,其间煤炭和油气消费是首要来历[3-4]。

  党的十八大以来,我国加速构建清洁低碳、安全高效的现代动力体系,非化石动力在一次动力消费中占比从2012年的约9%进步至2019年的15%,同期核能占比由0.8%进步到约2.2%[5]。2019年,我国碳排放强度比2005年下降48.1%,提早超额完成对外许诺方针[6]。

  2020年9月,习主席在第七十五届联合国大会上宣告我国的“双碳”方针;12月,他在气候大志峰会进步一步宣告,到2030年我国单位国内出产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上,非化石动力占一次动力消费比重将到达25%左右,风电、太阳能发电总装机容量将达12亿kW以上。

  在双碳方针提出今后,多个专家和组织以经济展开、动力转型等方面条件为束缚,剖析给出至2060年我国动力展开的若干阶段性方针(见表1)。

  能够看出,完成双碳方针过程中,我国动力结构或将在一个较短的时期内快速调整,碳排放和动力消费先后“双达峰”再逐渐加速下降,电力消费占比和非化石动力占比将不断进步,对化石动力的依赖度将较快下降,这意味着非化石动力进入快速展开机会期。估计在低碳动力代替、区域多能互补、低碳动力多元化运用等方面将有更多展开机会。

  人类对核能的和平运用始于发电,这也是如今最首要的核能运用方法。依据世界原子能组织有关陈述剖析,即便从全寿数周期来看,核能单位发电量的温室气体排放也是最小的[13](图1)。

  从动力功率的观念来看,能量梯级运用是更为高效的一种方法。2019年,全球共有79座核反应堆(其间部分为多功用)用于海水淡化(10台)、区域供热(56台)和工艺供热(32台),累计有750个反应堆年的安全运转经历[14]。

  跟着技能的展开,尤其是第四代核能体系技能的逐渐老练和运用,核能更将超脱出只是供应电力的人物,在核能制氢、区域供热、海水淡化等多种非电归纳运用范畴发挥功用,起到减排降碳、保证动力安全的重要效果(见图2)。

  《“十四五”规划和2035年前景方针大纲》提出,构建现代动力体系作为我国“十四五”阶段要点使命,“安全保险推动沿海核电制作”“非化石动力占动力消费总量比重进步到20%左右”,“活跃有序推动沿海三代核电制作。推动模块式小型堆、60万kW级商用高温气冷堆、海上起浮式核动力渠道等先进堆型演示展开山东海阳等核能归纳运用演示”。这为我国核能职业近中期展开指明晰方向。

  到2021年一季度末,全球在运转核电机组444台,装机容量3.94亿kW;在建核电机组53台,装机容量0.57亿kW。2019年全球核能发电量占比约10.4%,在非化石动力中发电量占比约27.8%[5]。在经济总量排名靠前国家中,发达国家核能占一次动力消费份额多年坚持在4%~9%(见图3,除法国占比高达约40%,德国决议弃核后核能占比显着下降,日本受福岛核事端影响核能占比下降以外)。到2018年,这些国家的核电发电量占非化石动力发电量份额高达34%~52%[16]。

  尽管近十几年来以风电、光伏为代表的新动力快速展开,一起受2011年福岛核事端影响,部分国家调整了核电方针,但核算标明,除我国外,福岛核事端前后年均开工新建核电机组数量相差甚微,可见其受注重程度并未削弱[17]。现在,全球有19个国家正在新建核电机组,约有30个国家正在考虑、计划或发动核能项目,另有约20个国家在某种程度上表达了志愿[18]。

  到2021年一季度末,我国在运核电机组49台,装机容量约5100万kW;核准在建核电机组17台,装机容量近2000万kW,在运、在建机组数量别离居世界第三和榜首。尽管近年来我国核能工业展开速度较快,但依据揭露数据,2019年我国核能一次动力消费占比仅约2%,发电量占比约4.7%,发电量在非化石动力中占比约14%,均远低于发达国家和世界平均水平,未来展开空间很大。

  依照表1给出方针,2030年,我国一次动力需求总量达峰,约55亿t规范煤,其间非化石动力占比25%,约14亿t标煤,电力需求11万亿~13万亿kWh。2050年,一次动力需求总量有所下降,电力需求和非化石动力需求仍将坚持添加,这意味着电力结构需持续优化;按一次动力消费总量45亿t标煤核算,其间非化石动力消费约31.5亿t规范煤,电力需求超越16万亿kWh。

  保存假定2030、2050年核电发电量占总发电量份额别离为8%、20%(别离挨近现在全球核电发电量平均占比和到达有核电发达国家的核电占比水平,见图4),即别离为0.96万亿和3.20万亿kWh,保存依照年运用小时数7800 h核算,装机规划别离达约1.23亿和4.10亿kW。依照典型三代自主知识产权核电机型华龙一号、国和一号单台功率别离为120万kW、150万kW,核电制作周期为5年考虑,20202025年、20262045年别离年均开工制作7~8台、10~12台百万kW级三代压水堆机组。

  考虑到核电展开现状及各方面根底条件,设定方针是较为实际的,以我国现有才干彻底能够完成。此外,未来高温气冷堆、钠冷快堆、模块式小堆等先进核能技能与非电运用将逐渐老练商用,核能规划进步仍有潜力。

  氢能是具有展开潜力的二次动力,一起仍是钢铁、化工等传统工业的重要质料或还原剂。全球多个国家,特别是美国、日本、法国、韩国等发达国家,已拟定氢能展开计划并展开有关作业。

  依据氢能职业有关研讨陈述,2018年,我国氢气产值约2100万t,估计2030年氢气需求将到达3500万t,2050年挨近6000万t,首要用于交通运输、工业范畴、修建及其他范畴。我国政府部门已于2020年出台有关文件提出加速新动力展开,加速制氢加氢设备制作。现在,已有一批制氢和产储运一体化工业链项目获批[19]。

  在双碳方针束缚下,低碳、零碳制氢工艺成为注重焦点。核能制氢首要可选用传统电解水工艺、高温蒸汽电解制氢和硫碘循环工艺制氢3类,有关研讨最早始于20世纪60年代。选用传统电解水工艺只需求核电厂所发生的电,要与现有老练技能抗衡,电力本钱应足够低。高温蒸汽电解经过固体氧化物电解池,在至少600 ℃高温下制氢,比低温工艺耗能更少、功率更高(超越40%)[20];高温气冷堆出口温度800~950 ℃,刚好具有这样一起供电、供高温蒸汽的才干,具有较好的展开前景。硫碘循环工艺也归于热化学工艺,该工艺流程需求硫酸、氢碘酸、碘以及这些物料的混合物参加,对资料抗腐蚀功能要求很高,其间硫酸在400 ℃下欢腾蒸腾是腐蚀最严峻的工艺过程;考虑到资料耐久性问题,该工艺没有完成商业化。

  以高温气冷堆为例,经预算,一台60万kW高温气冷堆机组可满意180万t钢产能对氢气、电力及部分氧气的能量需求,对应于每年可削减动力消费约100万t规范煤,减排约300万t二氧化碳。现在,坐落山东石岛湾的高温气冷堆演示电站行将装料,计划2021年末投入商业运转;60万kW高温堆项目正在活跃推动。

  依据前文所述猜测方针,保存假定2030、2050年别离有4%、10%(即同年核电发电量占比的一半)制氢产能由核能供应,依照某核能制氢演示设备功率核算,适当于别离约750万kW和3200万kW热功率。比较于煤制氢,削减二氧化碳排放别离达0.15亿t/年和0.60亿t/年。

  核能区域供热是非常具有展开前景的方向。全球许多国家,特别是欧洲国家已有约50年商业化的居民核能供热实践。早在1954年,前苏联运用热功率为10 MW的试验供热堆型,展开了核能供热技能;随后几十年间,曾经苏联为代表的一批欧洲国家连续将运转的商用核反应堆用于供热[21]。

  国家核算局数据闪现,2019年,我国城市集中供热面积92.51亿m2,比2011年简直翻一番,20122019供热面积年均增速超越8%,供热总量也在以超越4%的年增速添加。跟着我国村庄复兴与新式城镇化制作推动,还会有更多集中供热需求。

  2017年印发的《北方区域冬天清洁取暖规划(20172021年)》提出,到2021年北方区域清洁取暖率到达70%;对“2+26”要点城市,2021年城区悉数完成清洁取暖,县城和城乡结合部清洁取暖率到达80%以上,农村区域清洁取暖率60%以上;研讨探究核能供热,推动现役核电机组向周边供热,安全展开低温泳池堆供暖演示。

  我国于1959年开端制作49-2泳池式轻水反应堆;1989年,清华大学核能与新动力技能研讨院开宣布热功率5 MW的供热堆型NHR-5,选用“一体化全功率天然循环”形式,具有固有安全性。近年来,清华大学、中核集团等单位又别离开宣布NHR200-II低温供热堆、“燕龙”泳池式低温供热堆等堆型,为核能供热技能推行运用打下根底。2019年11月,山东海阳核能供热项目初次正式商用,抽取少数AP1000机组惯例岛蒸汽为70万m2住所供热。“展开山东海阳等核能归纳运用演示”也被写入“十四五”规划大纲。跟着后续项目建成,终究海阳核电站可到达超越2亿m2的供热才干,供热半径达100 km,每年可节省规范煤约662万t。

  在我国北方的核电基地中,海阳核电、石岛湾核电、红沿河核电、徐大堡核电等均已(考虑)施行热电联供,进行了相应的技能改造或规划,有望于2030年悉数施行区域供热,至2050年具有条件的核电基地均可进行热电联供;关于小型低温供热堆各类机型,可待项目老练后赶快演示、商业推行,十四五期间先行演示2~4个机型,尔后逐渐推行。

  当时我国北方区域城乡供热面积总计约200亿m2,保存假定2030、2050年别离有4%、10%供热需求由核能供应,依照供热量50 W/m2测算,别离适当于0.4亿kW和1亿kW供热功率。比较燃煤锅炉供热,别离削减二氧化碳排放约0.7亿和1.7亿t/年。

  淡水资源缺乏是全球许多区域面对的问题。据联合国核算,全球约20%人口无法取得安全饮用水,并且这一份额还在添加。依据世界银行测算,到2025年,将有超越10亿人生活在缺水区域。依据我国水利部数据,2030年我国人均水资源量估计仅有1750m3;在充沛考虑节水情况下,用水总量为7000亿~8000亿m3,要求供水才干比当时添加1300亿~2300亿m3。

  考虑到海水资源量巨大,本钱低价,将海水淡化运用极具展开潜力。现在,大多数海水淡化工艺运用化石燃料,因而也发生了很多碳排放。而运用核能淡化海水,占地少、水质好、供应安稳。前苏联于1973年开端,运用核能技能(快增殖反应堆)进行海水淡化试验,效果证明,在技能和经济效益上皆可行。20世纪90年代以来,核能运用于海水淡化技能得到了世界原子能组织和世界许多国家的广泛注重。

  现在较老练计划是依托大型核电机组制作海水淡化厂,该计划已在我国红沿河、宁德、三门、海阳等多座核电厂选用;也可直接制作低温供热堆用于海水淡化,相关技能计划正在研讨中。以红沿河核电海水淡化厂为例,最大产水规划1.5万t/天,正常情况下1.3万t/天,该技能较为老练,在许多区域具有进一步扩展产能和商业化推行的条件。

  此外,跟着我国海防制作的需求,怎么处理海岛供水安全问题已火烧眉毛。我国存在资源性缺水问题的海岛约占全国海岛总数的91%,大多远离大陆、涣散偏远,无法引水,面积较小(500 m2~5km2的海岛约占我国海岛总数的98%),开发本地水资源的才干有限。淡水资源保证是我国大力展开海洋科技的后台,鉴于此,对沿海核电海水淡化厂、起浮堆海水淡化的需求估计将持续添加。

  在国内外一些海岛区域,已有海上起浮核电站的运用实例。2020年5月,俄罗斯建成世界首座起浮核电站“罗蒙诺索夫院士”并投入商业运营,由一艘驳船搭载2台35 MW的KLT-40C核反应堆,为其北极海岸的楚科特卡区域城市供应动力和淡水。

  依据上文对用水才干添加的猜测方针,归纳考虑2050年人口改动、人均用水量添加和节水技能进步多重要素效果,保存假定2030、2050年我国需水量别离为1300亿和2300亿m3,核能海水淡化占比别离为4%、10%(即同年核电发电量占比的一半),按能耗4kWh/m3测算,即2030、2050年新增核能淡化才干别离为52亿和230亿m3,适当于270万kW和1180万kW核电装机,别离削减二氧化碳排放约0.17亿和0.74亿t/年。

  在双碳方针束缚下,结合我国核能职业展开现状和有关规划、方针,本文整理出未来核能技能较为具有展开前景的方向,并尽或许分阶段给出量化方针,见表2。

  (1)要重塑核能在动力体系中的定位。在动力体系清洁转型过程中,各类动力种类的位置和效果都将转化。核能一方面要扩展电力占比,代替高碳排放动力种类承当基荷人物,自动与风、光、蓄等动力种类互为补充、彼此支撑;另一方面要活跃改动本身,技能向着灵敏化、才智化方向展开,经过大中小装机合作,地上、地下、水面等多重空间布局,抓住机会开辟制氢、供热等核能归纳运用范畴商场,建立核能在清洁动力代替中的突出位置。

  (2)坚持立异驱动展开。尽管几十年来,我国核能职业从小到大、从弱到强,积累了很多展开经历,取得了必定效果,但要在新的动力体系中发挥好效果,还需求不断展开科研立异,牢牢掌握核心技能。美国自20世纪80年代起,很少制作新的核电项目,但一向未中止新技能研制,始终坚持强壮的根底研讨才干。美国的经历值得学习,要进一步优化自主品牌核电技能的规划,进步经济竞赛力;对要害核心技能、核心部件和根底资料仍需加大攻关;小型堆研制要赶快走出“大堆小型化”的限制,探究完成固有安全、高度智能、极度简化、工厂预制、模块装备等特性;关于第四代各种堆型应分层次展开研制演示作业,构成梯次推动的技能布局;面向久远,加强对根底性、原创性科技立异的投入,构成持续、安稳的投入机制[17]。

  (3)坚持全工业链协同推动,与经济社会展开相和谐。核能职业在新范畴探究展开过程中要充沛考虑到拔擢培养整个工业链,打下厚实的展开根底,营建杰出的商场环境,防止比如核电越建越贵、要害技能部件受制于人的被迫局面。遵循“立异、和谐、绿色、敞开、同享”五大展开理念,让核能成为经济上有优势,对社会有助益,展开效果可同享的绿色工业。一起要掌握“双循环”新展开格式,在全球新一轮核能展开中占据自动位置。

  (1)安全和大众承受性问题。核安满是国家安全的重要组成部分,安满是核能职业展开的条件和生命线年日本福岛核事端发生后,世界各国罗致事端经验,活跃采纳办法进步安全性,重建展开决心。跟着我国展开进入新时代,党和国家对保证核安全的要求更严、规范更高,人民群众对核安全的注重更多、等待更高。只要处理安全性问题,大众对核能的承受度才干进步,职业展开才有更大空间。因而,面向双碳方针,核能职业要在或许影响安全与大众承受性的环节下大力气,为规划展开奠定根底。

  (2)核能经济性问题。据世界可再生动力际署核算,2010年以来,太阳能光伏、聚光太阳能电池储能、陆优势电和海优势电等新动力技能本钱别离下降82%、47%、71%、38%和29%[22],在三代核电安全性要求进步、新建项目本钱不断攀升的布景下,核能技能展开压力很大。以核能制氢技能为例,现有技能电解1 m3氢气需求5 kWh电能,未来能够下降到2.8 kWh;当用电本钱下降到0.15元/(kWh)以下时,电解水制氢本钱能够和既有供氢技能竞赛[23]。现在国内核电上网电价大多在0.4元/(kWh)以上,因而怎么经过技能改善和立异下降核电本钱,成为一个要害问题。

  (3)在未来动力体系中的灵敏性问题。我国资源禀赋和用能负荷不均衡,加之新动力的时空不匹配,估计下一步新动力的动摇性和间歇性将给电网运转带来巨大影响。此外,依据国网动力研讨院猜测,在用户端将愈加显着地出现夏日、冬日负荷“双峰”特色。在传统情况下,核电一般以带基荷运转为主,不参加电网调峰[24];在新的展开阶段,核电灵敏性缺乏问题将闪现,或面对更频频的调峰压力。依据有关研讨,跟着核电参加调峰深度的加深,电力体系运转本钱和单位发电量本钱都将较明显进步。广泛开发核能多功用运用或装备储能,关于补偿核能调峰深度受限问题、添加核能体系灵敏性含义严重,还或许防止因大型核电机组频频参加调峰带来的经济性和安全性应战。当时储能技能中,抽水蓄能较为老练,比较于化学储能大多在0.6~0.8元/(kWh)的度电本钱,抽水蓄能度电本钱较低(0.21~0.25元/(kWh))[25]。下一步,探究核能参加“多能互补”电源基地,加强“源网荷储”互动[26],是重要研讨方向。

  在“双碳”方针下,我国动力体系将向着多元清洁方向展开。核能作为典型低碳动力种类,可在未来动力体系中超脱出只是供应电力的人物,助力动力清洁低碳转型,完成高质量展开。本文结合我国动力体系现状和核能展开根底,剖析核能在发电、制氢、区域供热、海水淡化等范畴的展开机会,总结提出职业展开途径,指出下一步核能职业作业要点为重塑其在动力体系中的定位、坚持立异驱动展开、坚持与经济社会和谐展开,一起应注重安全和大众承受性、经济性、灵敏性等重要问题,为有关方针拟定供应参阅。

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