經(jīng)合組織核能機(jī)構(gòu)(OECD/NEA)2022年7月22日發(fā)布報(bào)告《超越電力：核能熱電聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性》，指出利用現(xiàn)有核電廠或未來的新建核電廠進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)具有廣闊的市場(chǎng)前景。這份報(bào)告基于經(jīng)合組織核能機(jī)構(gòu)“核能熱電聯(lián)產(chǎn)在低碳能源未來中的作用及其經(jīng)濟(jì)性的特設(shè)專家組”的研究成果。

核能在推進(jìn)全球碳減排方面發(fā)揮了重要作用。在發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體，核電是發(fā)電量最大的低碳電力來源，占所有低碳能源發(fā)電量的約40%。國(guó)際能源署(IEA)估計(jì)，1971—2018年，核電的利用總計(jì)減少了630億噸二氧化碳排放。許多國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)對(duì)旨在實(shí)現(xiàn)能源領(lǐng)域脫碳的未來發(fā)展情景進(jìn)行了預(yù)測(cè)，大部分情景預(yù)計(jì)核能將會(huì)大規(guī)模發(fā)展。例如，國(guó)際能源署(IEA)2021年發(fā)布的凈零排放情景預(yù)計(jì)，全球核電裝機(jī)容量到2050年將達(dá)8.12億千瓦，主要由百萬千萬級(jí)水冷堆組成。除了發(fā)電，核反應(yīng)堆還能以熱電聯(lián)產(chǎn)的方式幫助能源行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳減排。這種方式能夠滿足區(qū)域供暖、氫與合成燃料的生產(chǎn)、海水淡化等領(lǐng)域的能源需求。這些領(lǐng)域的能源需求目前主要由化石燃料或生物質(zhì)能滿足。

1、發(fā)展前景

核能是一種技術(shù)成熟的低碳基荷能源，能夠以熱電聯(lián)產(chǎn)方式取代化石燃料滿足工業(yè)部門能源需求，進(jìn)而為全球碳減排作出更大貢獻(xiàn)。供熱設(shè)施目前是全球空氣污染物和二氧化碳的重要排放源。與電廠不同的是，供熱設(shè)施通常靠近終端用戶。這意味著這些設(shè)施釋放的污染物易在工業(yè)區(qū)或居民區(qū)擴(kuò)散，進(jìn)而導(dǎo)致工作人員或居民出現(xiàn)健康問題。核反應(yīng)堆能夠供熱，并且不會(huì)排放空氣污染物。

核能的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是生產(chǎn)成本穩(wěn)定。鈾的采購(gòu)費(fèi)用通常僅占核電廠發(fā)電成本的5%，這意味著核電廠的發(fā)電成本不會(huì)像化石燃料一樣易受燃料價(jià)格波動(dòng)的影響，能夠以穩(wěn)定的成本滿足客戶能源需求。此外，核能熱電聯(lián)產(chǎn)還能顯著提高能源利用率。如果僅用于發(fā)電，僅有約1/3的堆芯熱量能得到有效利用，另外2/3則作為廢熱排放。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)的研究表明，核能熱電聯(lián)產(chǎn)能夠?qū)⒛茉蠢寐侍岣咧?0%，而傳統(tǒng)核電廠能源利用率的全球平均值為37%。實(shí)施核能熱電聯(lián)產(chǎn)，核反應(yīng)堆在根據(jù)電網(wǎng)需求調(diào)整輸出電量的同時(shí)還能夠持續(xù)保持滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，因?yàn)樗€能生產(chǎn)其他能源產(chǎn)品，進(jìn)而增加運(yùn)營(yíng)收入。已有研究機(jī)構(gòu)提議建立“核-可再生能源混合能源系統(tǒng)”(下文簡(jiǎn)稱“混合能源系統(tǒng)”)。該系統(tǒng)由核反應(yīng)堆、可再生能源、電力和熱能儲(chǔ)存設(shè)施以及副產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)施(例如制氫設(shè)施)組成。核能熱電聯(lián)產(chǎn)還有助于增強(qiáng)電網(wǎng)對(duì)太陽能、風(fēng)能等間歇性可再生能源的消納能力。

根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)公布的數(shù)據(jù)，截至2020年底,全球至少有70臺(tái)在運(yùn)核電機(jī)組已開展非電力應(yīng)用，總計(jì)累積了約750堆年的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，然而這些機(jī)組僅有小部分熱能用于供熱。迄今為止，核能的非電力應(yīng)用僅限于低溫供熱，例如海水淡化和區(qū)域供暖。現(xiàn)有反應(yīng)堆能夠提供200℃以下的低溫?zé)崮埽瑑H能滿足極少工業(yè)部門的需求。目前正在研發(fā)的一些先進(jìn)反應(yīng)堆擁有更高的堆芯出口溫度，更適于滿足工業(yè)部門的熱能需求。歐盟研究計(jì)劃“旨在實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源供應(yīng)的創(chuàng)新型反應(yīng)堆工藝熱應(yīng)用終端用戶需求”(EUROPAIRS)研究了歐洲供熱市場(chǎng)以及核能熱電聯(lián)產(chǎn)的前景。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，短期內(nèi)核能可以在部分細(xì)分市場(chǎng)(現(xiàn)有的傳統(tǒng)核能熱電聯(lián)產(chǎn)市場(chǎng)、特定工業(yè)流程中的預(yù)熱)中具有競(jìng)爭(zhēng)力。

許多技術(shù)開發(fā)商正在開展模塊化小堆研發(fā)，其中許多小堆基于第四代反應(yīng)堆概念，目標(biāo)用途包括海水淡化、制氫、工藝熱供應(yīng)等核能熱電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用。相對(duì)于現(xiàn)有壓水堆，帶有先進(jìn)非能動(dòng)安全特性的小型一體化壓水堆更適于建在居民區(qū)或工業(yè)區(qū)附近，也更容易獲得接受。因此這種反應(yīng)堆是一種前景廣闊的低溫?zé)崮芄?yīng)方案。類似高溫氣冷堆的能夠提供高溫?zé)崮艿姆磻?yīng)堆在替代化石燃料為工業(yè)部門提供高溫工藝熱方面也有廣闊應(yīng)用前景。

2、商業(yè)和經(jīng)濟(jì)性考慮

相對(duì)于現(xiàn)有核電廠，核能熱電聯(lián)產(chǎn)廠的建設(shè)融資將面臨更大的挑戰(zhàn)，因?yàn)槠湟鎸?duì)更多的干系人。核能熱電聯(lián)產(chǎn)廠需要面對(duì)兩個(gè)市場(chǎng)：電力和熱能(或工業(yè)產(chǎn)品)。在大多數(shù)國(guó)家，電網(wǎng)的分布比供熱網(wǎng)絡(luò)更為廣闊。相對(duì)于需要建設(shè)專門的基礎(chǔ)設(shè)施以將熱能輸送給新用戶，將電力輸送給用戶的成本可以忽略不計(jì)。確定核能熱電聯(lián)產(chǎn)廠細(xì)分目標(biāo)市場(chǎng)的一個(gè)最重要參數(shù)的溫度。其他重要參數(shù)包括所需的熱量、特定安全要求、適應(yīng)負(fù)載瞬變的能力、運(yùn)行可靠性、傳熱技術(shù)限制，以及(非常重要的)核反應(yīng)堆與熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)施的取證程序。從技術(shù)上講，核能熱電聯(lián)產(chǎn)廠可以采用兩種系統(tǒng)集成技術(shù)：一是電力或連續(xù)耦合系統(tǒng)，即核反應(yīng)堆堆芯能量?jī)H用于發(fā)電，然后將電力用于其他用途;二是熱耦合系統(tǒng)，即核反應(yīng)堆堆芯能量用于發(fā)電和供熱，并滿足非電力應(yīng)用需求。

核能熱電聯(lián)產(chǎn)廠可以采用一體化或非一體化商業(yè)模式運(yùn)營(yíng)。在非一體化模式中，核能熱電聯(lián)產(chǎn)廠和供熱網(wǎng)絡(luò)由兩家獨(dú)立的企業(yè)擁有。在一體化模式中，包括核反應(yīng)堆運(yùn)營(yíng)商、熱能終端用戶、能源管理和配送者以及管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商在內(nèi)的干系人整合程度將取決于技術(shù)和安全方面的考慮。融資和所有權(quán)模式將取決于經(jīng)濟(jì)一體化程度。蘇聯(lián)曾采用一體化模式，即核電廠及配套的供熱管線同時(shí)建設(shè)，且由一家企業(yè)擁有。瑞士貝茲瑙核電廠及其配套區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)采用的是非一體化模式，分別由兩家獨(dú)立企業(yè)擁有。在大多數(shù)情況下，海水淡化廠與核電廠通常隸屬于同一家企業(yè)。未來，隨著淡水需求的不斷增加，可能會(huì)出現(xiàn)淡水淡化廠和核電廠由不同企業(yè)擁有的情況。目前沒有核能高溫(即超過250℃)工藝熱應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)可供參考。有必要在融資、商業(yè)模式、現(xiàn)場(chǎng)集成等領(lǐng)域?yàn)楹四芨邷毓に嚐釕?yīng)用設(shè)計(jì)創(chuàng)新方案。

如果核能熱電聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性超過了其他技術(shù)，尤其是利用燃燒天然氣提供高溫蒸汽和電力的技術(shù)，那么核能熱電聯(lián)產(chǎn)極有可能得到大規(guī)模發(fā)展。由于前期投資巨大和規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，大型輕水堆或先進(jìn)反應(yīng)堆可能適于滿足大規(guī)模的熱電聯(lián)產(chǎn)需求。如果模塊化小堆技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力能夠獲得證明和認(rèn)可，則可用于滿足其他細(xì)分市場(chǎng)的能源需求。

3、案例研究

報(bào)告介紹了多個(gè)核能熱電聯(lián)產(chǎn)的案例，涉及區(qū)域供暖、海水淡化、制氫、混合能源系統(tǒng)及其他工業(yè)應(yīng)用。

區(qū)域供暖案例包括瑞士和匈牙利已利用核能進(jìn)行供暖的實(shí)例，以及芬蘭、法國(guó)、斯洛文尼亞等國(guó)計(jì)劃開展的核能供暖實(shí)例。瑞士貝茲瑙核電廠已為附近約1.5萬居民提供了30多年的供暖服務(wù)。即使在化石燃料價(jià)格低迷時(shí)期，核能供暖相對(duì)于化石燃料供暖也具有競(jìng)爭(zhēng)力。經(jīng)濟(jì)性評(píng)估表示，在電力價(jià)格持續(xù)走低的情況下，從核電廠提取蒸汽用于供暖是一種有益的替代方案。其他案例探討了將現(xiàn)有的和/或新的供熱網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有核電廠連接的情況。這些研究明確了核能區(qū)域供暖在取代傳統(tǒng)能源方面的潛力，但也注意到了一些挑戰(zhàn)，包括現(xiàn)有核電廠的剩余運(yùn)行壽期。與此同時(shí)，核能區(qū)域供暖的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力還取決于核電廠與終端熱力用戶之間的距離、供熱網(wǎng)絡(luò)改造費(fèi)用以及現(xiàn)有核電廠改造費(fèi)用或新核電廠建設(shè)費(fèi)用。鑒于核電廠和供熱網(wǎng)絡(luò)的改造投資大，且相關(guān)設(shè)施將長(zhǎng)期運(yùn)行，需要政府在融資及其他方面給予政策支持，從而使這一低碳能源技術(shù)得到推廣應(yīng)用。

雖然迄今的核能海水淡化廠均是使用水冷堆提供能量，但報(bào)告的相關(guān)案例均假設(shè)使用先進(jìn)反應(yīng)堆提供能量。經(jīng)過專門配置和優(yōu)化的多級(jí)閃蒸(MSF)海水淡化工藝能夠有效利用日本高溫氣冷堆GTHTR300C功率轉(zhuǎn)換流程中的廢熱，其產(chǎn)水量與傳統(tǒng)多級(jí)閃蒸工藝高45%。在中東市場(chǎng)條件下，GTHTR300C的淡水生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于燃油和燃?xì)狻Ａ硪粋€(gè)案例研究表明，將反滲透和多效蒸餾(MED)技術(shù)與熱功率為33萬千瓦的韓國(guó)一體化壓水堆SMART相結(jié)合，能夠經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行海水淡化。

關(guān)于制氫的案例均基于下述技術(shù)假設(shè)：利用先進(jìn)反應(yīng)堆產(chǎn)生的高溫?zé)崃亢碗娏υ诟邷毓r下進(jìn)行水的分解。韓國(guó)和日本的研究表明，利用堆芯出口溫度高達(dá)950℃的超高溫反應(yīng)堆(VHTR)進(jìn)行硫碘熱化學(xué)循環(huán)水分解制氫，在經(jīng)濟(jì)上是可行的。研究還發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于現(xiàn)有的水電解制氫，硫碘熱化學(xué)循環(huán)水分解制氫具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。一個(gè)案例研究涉及使用堆芯出口溫度650℃的超臨界水冷堆(SCWR)進(jìn)行高溫蒸汽電解制氫。這一研究表明，這一技術(shù)的平準(zhǔn)化成本顯著高于使用北美低價(jià)天然氣的傳統(tǒng)制氫技術(shù)。研究還發(fā)現(xiàn)，核能制氫在部分地區(qū)可能具有競(jìng)爭(zhēng)力，具體取決于天然氣價(jià)格和碳稅。高溫水分解制氫技術(shù)仍處于開發(fā)階段，尚未進(jìn)行工業(yè)規(guī)模的示范。但是，預(yù)計(jì)這一技術(shù)將在超高溫反應(yīng)堆實(shí)現(xiàn)商業(yè)化時(shí)發(fā)展成熟。

混合能源系統(tǒng)可能包括核反應(yīng)堆、發(fā)電機(jī)、風(fēng)車、太陽能光伏、熱能和電能儲(chǔ)存設(shè)備以及相關(guān)的工藝設(shè)備(例如制氫設(shè)備)，其造價(jià)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其任何子系統(tǒng)。因此，需要為混合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的商業(yè)模式，以便能吸引投資，并建立商業(yè)架構(gòu)，確保內(nèi)部的能源調(diào)度決策能使整個(gè)系統(tǒng)而不是單個(gè)子系統(tǒng)的利潤(rùn)最大化。

4、建議

報(bào)告為推進(jìn)核能熱電聯(lián)產(chǎn)的商業(yè)應(yīng)用提出了五條建議。

第一，政府應(yīng)考慮制定國(guó)家/地區(qū)供熱行業(yè)脫碳路線圖，并考慮使用核能取代化石燃料供熱的潛力。目前各國(guó)通常僅制定電力行業(yè)脫碳路線圖。

第二，政府應(yīng)認(rèn)識(shí)到核能熱電聯(lián)供是未來低碳能源系統(tǒng)不可或缺的組成部分。政府應(yīng)通過碳稅及其他措施，減少化石燃料的使用，并支持核能的熱應(yīng)用。

第三，政府應(yīng)當(dāng)協(xié)調(diào)能源政策和水資源政策，以推進(jìn)核能海水淡化項(xiàng)目。涉及能源和水資源規(guī)劃的機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)共同努力，為核能海水淡化項(xiàng)目提供創(chuàng)新的融資和商業(yè)模式。

第四，推進(jìn)核能熱電聯(lián)產(chǎn)的商業(yè)化應(yīng)用需要實(shí)施示范項(xiàng)目。示范項(xiàng)目應(yīng)當(dāng)采用公私合資的方式推進(jìn)，并且有工業(yè)部門的大力參與。

第五，應(yīng)進(jìn)一步加深對(duì)核能熱電聯(lián)產(chǎn)潛力的認(rèn)識(shí)，開展利用核能熱電聯(lián)產(chǎn)推進(jìn)核能與可再生能源整合的研究，包括開展全生命周期評(píng)價(jià)。