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核电在未来能源系统中的定位与发展

北极星电力网新闻中心  来源:中国电力企业管理  作者:陈敏曦  2019/9/4 10:15:42  我要投稿  
所属频道: 核电   关键词: 三代核电 核电行业 核电

北极星核电网讯:从本世纪中叶起到现在,人们都在严肃地谈论着“脱碳”的问题。也许现在是时候,以一种与“真相”和解、以一种向前推进的方式,而不是以往“喊口号”的形式,或是各自为阵、相互攻击的姿态,来严肃地谈谈核电问题。

(来源:微信公众号“中国电力企业管理”  ID:zgdlqygl  作者:陈敏曦 编译)

如果核电在能源系统中占据一席之地,那么它将在未来能源系统中扮演什么角色?将如何确保电站建设的经济性、建成的及时性以及投资的准确性?对于核能领域新技术发展的假设是什么?对于核废料的长远计划又是什么?

如果核电彻底退出,那么将以何种电源满足世界日益增长的能源需求?不仅是目前的居民用电需求,还有电气化运输、供暖和工业所需的电力。

就在今年早些时候,由美国众议员亚历山大·奥卡西奥·科尔特斯(Alexandria Ocasio Cortez)和参议员埃德·马基(Ed Markey)共同提出,并由92名众议员、12名参议员和数十名民主党总统候选人共同发起的绿色新政中,并没有提及核能发电。那么,核电究竟是维持或是退出?新建还是停滞?是否继续投资于下一代核电技术?从目前来看都未可知。

也正因如此,我们需要认真考虑核电的出路问题。无论你是终身反核运动者,还是新科技的狂热粉丝。

面临的挑战

首当其冲,是如何应对“脱碳”挑战。

正如政府间气候变化专门委员会(IPCC)去年10月的报告表明,要使全球“脱碳”经济保持在与巴黎协定中“2摄氏度”的目标运行在一致的轨道上,到2030年全球必须减少20%的碳排放,而如果将目标设定在“1.5摄氏度”,则需要减少45%的碳排放。而在过去的18年里,全球能源领域的碳排放量增长了40%以上。

电力领域是全球最大的碳排放源——占二氧化碳总排放量的42%,而且其中“逃逸甲烷”的占比可能更大。因此,到下一个十年末的碳减排计划,都需要以电力领域的“脱碳”为中心阵地。因为其不仅是最大的排放源,而且也是最适合运用市场手段来解决问题的领域。

2018年,全球电力领域的总发电量超过26000太瓦时。根据彭博新能源财经(BloombergNEF)的数据,核电在其中的占比约为10%;化石燃料占比63%,其中煤电是最大的基础能源,占比37%;其次是天然气,占比23%。可再生能源提供了26%的发电份额,其中最大的贡献者是水电,占比16%;风能和太阳能发电分别占比4.8%和2.2%,仅占总发电量的7%。

但值得一提的是,尽管占比总发电量仅为7%,但对于全球的风电和太阳能发电来说,已经是一项非凡的成就——从世纪之交开始受到关注,这些新能源发电技术克服了巨大的初始成本劣势,并推动了技术标准和市场结构的全面改革。

但是反过来想想,近20年的非凡增长,以及近3万亿美元的投资,风电和太阳能发电的发电量仍然只占比7%,仅仅满足了3%的终端能源需求。所以,当我们谈到2030年全球能源系统“脱碳”目标时,风电和太阳能发电可能还并不是一个特别令人信服的“跳板”。

因此,在经济增长达到一定水平的前提下,如果计划在电力行业依靠新能源发电技术实现20%或45%的碳减排目标,那么在未来十年中,风电和太阳能发电需要增加2至4倍的产能,也就是过去20年产能总和的2至4倍。

BNEF最近发布的“2019年新能源展望”(NewEnergyOutlook,2019)指出,“凭借现有的技术,虽然我们有望达到温度控制区间的下限,但在目前的发展轨道上,我们极有可能达不到这一区间的上限。”

正如我们所看到的,现实情况总是与想象脱节。因为电力领域的碳排放只占整个能源系统排放的42%,而在供暖、运输和工业领域,碳减排的路径也是依赖于电力领域来实现,无论是直接的、还是通过碳捕获和储存(CCS)技术,抑或是通过某种形式的电气化来实现。

如果将整个能源系统20%~45%的脱碳目标全部转化为电力领域的目标,也就意味着在2030年之前,电力领域需要实现30%或90%的减排,才能分别保持在“2摄氏度”或“1.5摄氏度”的运行轨道中。这也意味着要再建造10~15倍于目前风力和太阳能发电的装机容量。

当然,我们不能忽视能源效率的提高,正如国际能源署(IEA)刚刚成立了能源效率紧急行动全球委员会。尽管我们可以假设,在未来十年里,全球经济将保持平稳发展,能源强度将减少四分之一,但是从目前的情况来看,在任何主要经济体实现可持续发展时期,我们所期待的上述的改善速度还从未出现过。

所以,我们可能仍需要寄希望于5~10倍于现有产能的累积,但事实上,风电和太阳能发电如此迅猛的增速,极有可能会伴随着未来一定程度上的产能削减。

核电再审视

2018年,EON在巴伐利亚的Isar-2核电站生产了11.5太瓦时的电能。这座核电站始建于1988年,是世界上发电量第二大的核电站。相比之下,丹麦全境所有6100台风电机组在2018年生产了13.9太瓦时电能。也就是说,一台核电机组的“零碳”发电量是丹麦所有风电机组发电量的83%。

如果Isar-2的运行寿命能够安全运行至60年,也就是延续到2048年,它将持续生产大量的“零碳”电力,但可惜的是,它将于2022年关闭。

2018年,可再生能源为德国电力消费者提供了36%的电能需求,同样,可再生能源也满足了英国34%的电力需求。英国在增加可再生能源电力供给的同时,还维持了其核电的发电能力,使其二氧化碳排放强度削减一半至222gCO2/kWh,但德国选择关闭其核电站,使其二氧化碳排放强度达到490gCO2/kWh,是英国碳排放强度的两倍多。

尽管德国关闭了大部分燃煤发电厂,但到目前为止,德国电力系统的碳排放强度仍然会超过300gCO2/kWh。在法国的电力系统中,72%的电量依赖核能,众所周知,该国的碳排放强度低于100gCO2/kWh。

按照去年煤炭委员会的提议,直到2038年德国的煤电才能完全退出,这与“2摄氏度”的协定轨迹是不完全一致的。同时,德国并没有显示出意愿恢复其已经关闭的核电站。

这将导致一场气候“悲剧”,正如德国的反核活动人士也将与化石燃料促进者一样,被历史划定在同一战线之上。但更为重要的是,即便德国其余7座核电站将无法被“挽救”,但其他国家并没有效仿德国的做法——关闭现有高性能、安全的核电站。

目前人们更为关注的是核电的安全性。从客观的角度来看,核电是目前最为安全的能源发电技术之一。2016年的一项研究表明,在每太瓦时燃煤发电的过程中,约导致224人死亡,其中包括采矿、道路事故、空气和水污染,死亡人数是太阳能发电、风电和核能发电的2000多倍。

除了安全性以外,民间反核人士的论据还有核电的经济性。如果单就这一点来说,理由成立的条件并不针对所有的核电机组。据美国核能研究所估算表明,2018年美国现有核电机组的平均电力成本仅为每兆瓦时33.50美元。

国际能源署(IEA)近期发表了一份题为《清洁能源系统中的核电》的报告,其中提到,即使在现有成本中加上每十年一次的深度安全评估和必要的升级改造,由此产生的额外成本折合入电力成本也仅为每兆瓦时 40~55美元。很简单,对于大量的可调零碳电力来说,核电仍然是具有强大经济性的。

关于核电站退役

世界上现有的452座核电站都将面临退役的“潜在职责”。正如英国政府估计,在未来120年内,该国将花费2340亿英镑(约2970亿美元),用于拆除17座旧核电站及核反应堆的清理工作。

其中75%的站址都位于塞拉菲尔德(Sellafield),这是核能和核武器工业的重要聚集地点。如果排除塞拉菲尔德(Sellafield),剩余其他站点的退役清理费用为298亿英镑。

同样,德国提供了380亿欧元用于17座核反应堆的退役,折合每个反应堆22亿欧元,这一数字与英国的估算类似。然而,法国预估其退役费用却降低了一个数量级,仅为每吉瓦3亿欧元,法国电力公司(EDF)仅提供了230亿欧元用于其58个现有反应堆的退役,但业内认为这一数字并不可信。

最后,我们必须谈谈核废料。在一个很容易被情绪化的问题面前,我们要保持正确的态度。

全球核工业,包括医疗、工业试验、食品处理和其他用途所产生的核废料,每年约有3.4万立方米的高等级核废料产生,如果等量化估算,它可以被装进一个足球场面积的两层楼建筑物中。近50年来,高等级核废料均被安置在内华达州的特斯拉吉加弗多利核废料工厂中。

显然,将放射性物质的半衰期留给子孙后代来管理,似乎并不明智。

切勿将现有核电站退役

与新建核电站混为一谈

很明显,要想保持“2摄氏度”、甚至是“1.5摄氏度”的能源发展轨迹,我们必须尽量维持现有核电厂的正常运行,并尽量延长它们的寿命。

显然,从逻辑上说,维持现有核电站应该是一个很好的想法,绝对优于以同样的技术再新建一座核电站。

在2014年时,核电曾信心满满的规划了一条“复兴”之路,但由于福岛核事故的余波未平,核电的发展走向了完全相反的道路——通过新建核电站来证明其安全可信赖程度。

位于南卡罗莱纳州的两座新建西屋AP1000机组,最初投资预算为115亿美元,计划于2017年投入运营,但直到投资达到90亿美元,仍未完成总工程量的一半,最终该项目被放弃建设。

位于格鲁吉亚的两台发电机组也计划在2017年开始运营,预计成本为147亿美元。但截止到发稿前,其预定的调试日期改为2022年,预计总投资将超过270亿美元。这两个项目的失败引发了西屋电气公司的破产,也几乎使其所有者——东芝(Toshiba)公司濒临倒闭。

同样,在欧洲的情况也并不乐观。EDF承诺在2010年前完成芬兰的1.6吉瓦OlkiluotoEPR发电项目,总投资成本为35亿美元,但从目前情况看来,已经花费了大约100亿美元,直到在2020年才能投入运行。位于EDF公司附近的Flamanville核电站最初计划成本投入为38亿美元,在2012年完工。但这些计划完全被反应堆容器故障所打乱,从而也导致了成本上升至126亿美元,运行时间推迟到今年年内。

就在上个月,法国核安全监管机构拒绝了EDF关于先投运、后修复故障的要求。这也就意味着,作为EDF的旗舰项目,将很难实现在2022年底前投运的目标,同时,其最终成本仍然是个未知数。

在英国,欣克利C项目曾被EDF的前首席执行官承诺,到2007年被作为英国的“圣诞礼物”投运,但现在看来像至少在2027年才能投入运行。当时,英国人曾被承诺,将从2012年开始的35年内,以每兆瓦时92.50英镑的价格享受该电站的电力,但是从目前看来,这个价格至少要抬升至106.40英镑(134美元)每兆瓦时。同时,英国财政部还为高达170亿英镑的建设投资提供了贷款担保。

虽然容量为3.2吉瓦的欣克利C项目总投资“仅为”203亿英镑(257亿美元),但在其35年保证价格期间生产的电力总成本将超过1000亿英镑(1260亿美元)。英国国家审计署估算,该项目的补贴成本将低于300亿英镑(380亿美元)。

或许将会有人质疑,如果有这300亿英镑的补贴,可以为英国的电力用户提供3.2吉瓦的效率改善和能效提升;或者可以建造足够的陆上或海上风力发电场,以及所需的互联线路,并向全英国提供3.2吉瓦的可调度电力;甚至是3.2吉瓦的天然气发电容量,配备碳捕获和储存技术;抑或是在北非建造3.2吉瓦的可调度太阳能发电,配有海底高压直流电缆送至英国。

生态主义者则更热衷于讨论法国“零碳”核电为用户提供的经济性电力。但是他们并没有提到,EDF无法支撑起其面临的巨大资金需求。现在的问题是,法国政府将以何种方式来救助法国电力公司。这也是继2016年,法国政府介入法国核电技术旗舰公司Areva(现为Framatome公司)破产及资本重组的又一案例。

还有一种观点认为,可再生能源推高了电力价格,并以德国为论据来印证其观点。但德国的现状是具有独特性的,并且德国在能源结构的发展中也走了“弯路”,正如德国关闭了其现有的核电站,失去了所有具有经济性的电源,这也是该国为其成为可再生能源先驱所付出的过多代价。同时,德国还将能源公司的全部电力成本疏导给了零售电力消费者——通过新增社会税收来补充公用事业账单。

但反过来看,在过去六年里,随着德国可再生能源普及率持续提升,其零售电价已经开始回落。

亚洲的核电又是何种情况?几年前,韩国以低于Areva公司竞标价格近半的优势赢得了阿联酋5.5吉瓦Barakah项目的建设权,该合同价格为186亿美元。此后,韩国一直被认为是核能“复兴”的典范。但随后发现,该国的旗舰产品APR1400之所以如此具有价格优势,是源于其安全特性的权重配比过轻,且依赖于未经认证的零部件。

在近期新建的10座核电站中,有8座位于中国。即便是这样的建设速度,该国的供应链依旧显示出了与建设速度相当的管理及供应能力。同时,该国刚刚取消了为期三年的新建核电的许可禁令。最近,该国完成了世界上第一座欧洲加压反应堆(EPR)——泰神的投产任务,该项目总投资超过80亿美元。

在过去的五年中,全球平均新增核电装机仅为7.5吉瓦。目前正在建设的核电站仅有54座,接近10年来的最低水平。

小型核反应堆更应受到关注

虽然,目前一代的大规模、集中核电技术新建核电站,已经被测试到在经济性上的欠缺,但小型核反应堆(SMRs)看起来仍然很有希望。在2015年,智库研究推出的“第三条路径”(Third Way)中显示,仅在美国就有50多个SMR项目正在筹备。或许,现在是时候把资源聚焦于最具潜力的前6个项目上,快速推进它们的建设许可。

尽管每种设计都可能需要数十亿美元才能完成系列化生产。但只有投入,才能验证其是否能兑现我们对于未来能源系统的希望。

SMRs的建设制造,可以提供更具经济性的低成本电力 (45美元/兆瓦时);同时他们的安全性可以大大提高,并且一个小型反应堆的装载能力很有可能优于目前单个大型核电站。

尽管小型反应堆具有相当优势,但将SMRs推向市场的进展依然缓慢。在西方世界,一项采用加压水设计,可提供60兆瓦电力或200兆瓦热输出的NuScale项目,在技术层面仍在接受美国核能管理委员会的设计认证审查,美国正在进展的一些实验室项目,也将初投产计划设定在2020年左右。

目前,加拿大拥有19座在运核电站,以及一条基于国内 “坎杜(Candu)”加压重水设计的核供应链。

2017年11月,该国陆地能源公司(Terrestrial Energy)的整体熔盐反应堆(设计用于提供400兆瓦的热输出或190兆瓦的电力输出),完成了加拿大核安全委员会监管许可预审查的第一阶段工作。该公司也同样致力于在2020年末交付其SMR的第一次运行。

中国已开始对其125兆瓦 ACP 100设计进行最后的监管审批,首个单元的投产目标日期为2025年。阿根廷则争取在2020年完成其第一座卡雷姆25兆瓦反应堆的建设。

在目前SMR的“竞赛”中,领先的国家是俄罗斯。俄罗斯原子能公司最近生产了三台核动力破冰船,目前正在安装世界上第一座定制式浮动核电站——阿卡德米克·洛蒙诺索夫(Akademik Lomonosov),该电站可以被移动到任何需要70兆瓦电力和300兆瓦热输出的地方。

最后,我们仍需要探讨核技术问题,可以说,在未来的25年内,我们将持续围绕这个话题进行讨论。当然,在我们持续加大资金投入和研发力度的基础上,近期在相关领域也有了一些可喜的进展——法国卡达拉赫地区规模宏大的ITER跨国项目,有望在2026年推出第一批等离子体,同时在模块化技术等方面,十余家初创企业已经筹集了超过10亿美元的资金。

同时,我们还应该将更多的研发资金投入到低能量核反应技术。虽然研究参与者并没有发现“净能量”产生的证据,但他们确实观察到了一些当前理论无法解释的现象。

对于核电的辩论将是长期且持续的,因为就目前的能源技术而言,单纯依靠风电和太阳能发电,是不足以满足短期内实现“脱碳”经济所需的“零碳”能源的;那么,当务之急则应该是保持现有核电站的运转。当涉及到新建核电站时,我们应该认识到,目前一代的核电厂设计及技术还不能够体现足够的经济性;也正因如此,或许我们更应关注小型反应堆(SMRs)的技术研发,直到其可以效仿,甚至是替代目前的核电技术。

本文刊载于《中国电力企业管理》2019年08期,编译者系本刊记者

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