北极星核电网讯:核能应发挥什么作用、该如何发展一直是近几十年来关于未来能源讨论的热门话题之一。尽管这个话题很吸引人，不过我想把重点放在一个经常被误解的话题上：若是整个社会只依赖核能，即核能供应占能源供应的100%的话，经济会如何呢？
世界上功率最大的核电站之一，加拿大Bruce核电站，功率为6400MW。
后面我将证明，核能在能源供应中占100%是一个符合成本效益的选择，这与可再生资源占100%正好相反。首先，我会说明促使我做这个假设研究的原因，然后会用计算结果和论据对这个案例进行说明，最后是这个案例研究的结论。
100%核能系统的假设的相关性
能源讨论中的中间派有时会试图平息反核和支持核电人士的争论，表示：“所有的能源选择都需要解决能源/气候挑战。”这个声明还有其他的表达形式，例如：“没有一个能源可以应对这项挑战”，“没有解决气候/能源问题的灵丹妙药”或者“我们不能仅仅因为我们不喜欢就将选项排除”。
尽管我能理解这些观点——如果仅仅出于目前减排二氧化碳的紧迫性——我关注到这些观点可能会“创造”核能的潜在作用。若是没有太阳能、风能、生物质能、地热、潮汐能、能源储存、需求响应、远距离传输、质能电网以及其他被认为是应对挑战所必须的其他技术，核能也能独自应对能源方面的挑战。
相对于现在在能源上的花费，核能占能源系统100%时成本如何？是否如中间派所表示的那样，100%的核能或者100%的可再生能源都是不可能的极端选择，还是那种更宽容的态度“我们需要所有形式的能源供给”来解决气候/能源挑战？不过这些观点可能都不正确，因为可能如科学家讨论的那样，核能可以独自应对这项挑战（能源&气候）。
100%的核能，成本会如何？
为了确定100%的核能的成本，出于简化分析的考虑，我做了以下假设：
×以美国2017年所需要的小时电量为参考，并假设这些用电需求得到了满足。
×假设其他形式的能源需求（区域供热、过程热和化石燃料需要不能完全被电力供应所取代），由一些电力组合，电解制氢来合成燃料或核能提供的过程热等来满足需求。不过我并没有考虑这些能源需求，尽管假设会增大对电力的需求。换句话说，这样可能会极大的增加电力需求，但不会对100%的核能相对经济性产生影响。
×假设满足能源要求只有两种选择：核能和天然气。
×假设现有的发电厂的容量为足量，即无需扩建升级电力系统。
×使用EIA的2018年展望来对新一代的能源供应的成本构成、操作和燃料供应进行计算。
×对于储备发电能力、输配电力损失以及一些意义不大的细节问题进行了忽略。
×使用了一个简单的财务模型来对电网的年成本和每千瓦时成本进行计算，主要包括三个部分：资本成本、租金成本、运行和燃料成本，依次定义为：
#资本成本是由初始资本成本除上工厂寿命（核电厂40年，天然气20年）。它反映了每年需要为偿还初始投资所需要支付的款项。
#租金成本是给予资本提供者的资本回报率，即除了年度资本成本还款之外，每年向投资者（例如养老基金或者股票持有者）支付占初始资本固定百分比的资金。租金也称为加权平均资本成本（WACC），通常由各种类型的债务和收益组成，并且可进一步划分为名义（税后）和实际（税前）。为了简化起见，我们使用一个简单的租金加权平均资本成本（整个发电厂生命周期内每年向投资者支付的%），并忽略了税收、债务/股本比等的影响。
#运行和燃料成本是维持发电厂运行和燃料需要的总成本：工资、供应、维修、燃料和其他需要支付的资金，但不包括租金以及所需要支付的初始投资返还在内。
结果
依据EIA给出的美国电力消耗的小时数据，具体如下图表所示：
2017年美国小时电力需求，来自EIA网站。
很显然，最大电力需求出现在夏天，超过了700GW。年总消费量为3943TWh。平均需求量为450GW。电力需求每天和每个季节都存在波动。若是只使用核能和天然气供电，则发电容量约为700GW。例如，400GW核能发电和300GW天然气发电，则发电厂利用曲线如下图所示：
核能发电容量为400GW时的，核能&天然气发电调度模型结果。
这个简单的模型中，核电（橙色）一直在发电，只有用电需求低于400GW时，核电发电才会降低至300GW。而天然气（灰色）只满足和核能之外的电力需求。因此单独只依赖核能，核能和天然气组合均能在任何时刻都满足美国的电力需求。
为了研究核电的经济性，使用简单的模型来计算核能与天然气的不同组合的成本以及二氧化碳排放量，范围从核能占0到700GW全部由核能供给，天然气则根据实际需要提供核能之外的发电。随着电力系统的核能所占比例越来越高，核能和天然气的容量因子发生了变化，如下图所示：
满足美国2017年小时电力需求，核能和天然气容量因子。横坐标为电网上核电装机容量，最右为700GW(能够满足2017年美国的电力需求)。
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