核电突破:集群模式发展的潜力

核电突破:集群模式发展的潜力

能源在保障人类进步和社会发展方面发挥了重要的推动和保障作用,但由于化石能源的大量开发造成了严重的生态环境破坏,已经威胁到人类生存,而发展清洁低碳的核电对保障能源安全、保护生态、调整能源结构都有着重要意义(www.06064.cn)。

分析我国能源产业现状及挑战,在习近平生态文明思想的指导下,基于碳排放约束和可持续发展要求,高质量发核电是能源结构调整的重要任务,但受福岛事故影响,核电发展遇到前所未有的困难,尤其新厂址开发难度很大,短期看集群式发展不失为一个突破方向。

发展核电的重要意义

二氧化碳是全球变暖的主要因素,也是化石燃料的必然产物,有研究表明,当前地球的二氧化碳浓度与300万年前类似,而当时的海平面比现在要高出三米,可以看出人类所面临的巨大挑战。

但与碳排放的斗争举步维艰,尤其不同于发达国家,大量的发展中国家正在进行工业化,大量的能源需求必然导致碳排放还将迅速增长,而发展清洁低碳的核电对降低碳排放、改善能源结构、促进可持续发展都有着重要意义。

(一)从世界看发展核电的重要性

1. 世界能源结构向低碳转型的困境

工业化以来全球大规模的化石能源消费导致了大量的温室气体排放,二氧化碳浓度由工业革命前的280ppm上升到目前的380ppm,使近百年来全球平均气温升高了0.74℃,而70%以上的温室气体排放归因于化石燃料燃烧。在《京都协议书》的框架下,各国都在采取措施以减少二氧化碳排放,也只有各国都采取强有力的措施,才能实现到2030年二氧化碳排放量不超过400亿吨的目标。

2018年全球排放高达338.9亿吨,从趋势上看,虽然全球可再生能源发电增长迅猛,但仍不能满足电力增长的需求,需要煤炭进行补充,这在发展中国家尤为突出,可见发电行业脱碳在短期内难以实现的现实不容忽视。

从动态看,2018年的能源生产、消费和碳排放都以近些年最快的速度增长,煤炭在新增电力总量中仍占有约三分之一的比例,这与人类追求的低碳社会南辕北辙,能源结构转型的速度与巴黎协定的预期目标更加遥远。

而最明显的特征是,与1998年相比,世界能源结构中煤炭占比38%、非化石燃料占比36%,这个比例基本没变,也就是全球电力结构近20年来并没有明显改善。这主要就是因为核电发电量的降低,而其他可再生能源的增长填补不了这个缺口。

2. 核电在应对气候变化中的重要作用

国际能源署在《清洁能源系统中的核电:低碳发电的关键来源》指出,核电能够为全球能源转型做出重要贡献。当前核电是全球第二大低碳能源,占发电量的10%,然而由于各种经济、监管等原因,发达国家在役的核电厂寿期结束开始逐步退役,后续在没有新的核电项目补充的情况下,核电发电量可能出现急剧下降,这将严重威胁能源安全和气候控制目标。

如果按当前的趋势,到2025年发达国家核电装机容量将减少四分之一,到2040年将减少三分之二,这将增加全球40亿吨碳排放,超过当前排放的10%。

《巴黎协定》的目标是控制全球温升不超过2℃,争取控制在1.5℃之内。如果要实现这个目标,到本世纪下半叶全球要实现温室气体净零排放,而从当前各国形势看,离目标越来越远,就2030年而言,要实现2℃目标二氧化碳排放要比当前减少20%,但按当前的趋势排放还要增加10%。

所以,按现在的趋势发展,到本世纪末全球温升有可能超过3℃~4℃,这将把地球带入百万年来未曾进入的气候带,对人类社会将是灾难性损害。

3. 核电是理想和必要的低碳能源

核能是一种可大规模替代化石能源的清洁、低碳、基荷能源,是大国强国技术,其能源特性和战略属性决定了核能在全球能源转型中将发挥重要作用。每台100万kW核电机组每年可以减排二氧化碳约600万吨,1亿kW核电每年可以发电2.4万亿kWh,折合2.4亿吨标煤,减排约6亿吨二氧化碳。

现在世界各国都必须探索实现经济社会发展与碳减排双赢的发展路径,核电是理想的低碳能源。政府间气候变化问题小组最近题为《全球变暖1.5℃》特别报告明确提出了全球大幅扩大核电规模会对减缓气候变化做出重要贡献,也非常必要。IAEA对核电的预测,在高值模式下到2050年全球核电增幅为80%。

(二)从国内看核电发展的现实意义

1. 实现低碳发展的重要举措

从低碳发展角度看。2000年以来我国碳排放的增量约占全球总增量的45%。2009年,我国政府提出了2020年的减排目标,但在测算时预计届时核电装机为8000万kW,但受福岛核事故严重影响,我国核电进入观望期,目前的装机容量仅有4875万kW,约为目标的一半,势必造成我国减排目标压力巨大。

而近几年我国控煤虽然取得了阶段性成果,但碳排放在2017、2018年都产生增长,主要原因是石油消费的增长抵消了减煤的正效应,当社会各界把减排的目标都集中在煤炭的同时,也需要关注石油。

2018年石油占一次消费达到18%,消费强度逐年提高,如果不加以控制,在煤炭占比下降后,不但会使我国能源对外依存度继续提高,威胁到能源安全,而且石油消费的温室气体排放及对空气、水污染的影响将日益加重。

我国核工业体系健全,技术和经验已经全球领先,核安全完全有保障,在我国能源结构转型尤其应对减排压力中核电是重要的战略选择,安全高效发展核电是能源行业践行习近平生态文明思想的重要举措。

2. 调整能源结构的重要选择

受我国资源禀赋和逆向分布特征,我国形成了以煤为主的能源结构,2018年我国一次能源消费总量46.4亿吨标准煤(tce),消费了全球能源总量的23.6%,煤炭显然是我国主要的一次能源,消费27.4亿tce,占全球50.5%。

虽然煤炭在我国能源结构中的比重已经由十年前的73.6%降至59%,但总量可观;电力方面,2018年我国电力装机已接近19亿kW,其中火电11.4亿kW;核电4466万kW;总发电量为69939亿kWh,其中火电49231亿kWh;核电2944亿kWh。

非化石能源中,水电受制于资源条件,开发总容量有限,风能、太阳能还需要解决诸如经济性、储能、产业配套等问题,短时间内还难以成为主力能源,而核电具有产业成熟、技术先进、功率密度高,布局灵活等优势,从调整能源结构的角度来看,发展发电具有重要意义。

3. 保障我国能源安全的重要任务

当前我国能源安全形势严峻,发达国家通过控制能源竭力维护世界主导权的态势不会改变,促使能源的战略属性、政治属性进一步凸显,针对能源资源的博弈日趋激烈。美国“重返亚洲”对我国形成战略压力,况且我国周边环境复杂,石油运输通道受制于人,能源安全形势严峻。

我国的煤炭、天然气和石油的储采比分别只有38、37.6和18.7年,2018年能源总体对外依存度21%,石油对达到70%,天然气43%,煤炭6%,而我国虽然总的电力装机容量数量可观,但人均与发达国家相比相差巨大,2018年人均生活用电量仅为美国的14.1%,随着工业化、电气化刚性需求持续增加,能源总需求的缺口将进一步加大,资源约束日益凸显。

根据测算,如果考虑国内供应量不变,到2030年我国石油对外依存度将上升到73%,而天然气或将达到70%。在化石能源发展受限、可再生能源短期内难以弥补缺口的情况下,足以看出发展核电对保障能源安全的重要作用。

4. 保障可再生能源消纳的重要基础

近些年,全球范围内可再生能源都得到快速发展,我国更是以每年超过10%的速度增加,这是能源发展的总趋势。而当前在储能技术还没有取得重大突破前,大规模的可再生能源开发和大比例的间歇性电能并入电网,对电网运行会带来一定挑战,需要基荷能源进行保障。

有研究结果表明,当间歇性能源在电力结构中的比重超过30%时,将会给电网带来安全风险,增加电力供应成本。如2019年8月的英国大停电事故,有分析认为主要原因是新能源大量替代传统电力导致了系统惯量水平下降,其中一个细节,就是在系统频率临近崩溃之前,有28秒的僵持时间,在28秒中,如果英国不是淘汰那么多传统电力,通过快速爬坡是能够顶住系统频率崩溃的。

而恰恰是因为传统能源的消失,系统转动惯量的减少,随着电压的崩溃,分布式可再生能源形成孤网,进一步发展成孤岛效应解列,造成整个系统崩溃的大型事故,更如日食对德国太阳能供电产生的重大影响等可见基荷能源的重要性。

核电的特点是能源密度高,运行稳定,布局灵活,便于在负荷中心就近布置,是理想基荷能源,有助于改善电网电能结构,保障电力运行稳定。

同时,在负荷中心灵活布置核电基地,可以减少电力运输的大量成本,对全社会经济性有积极影响,也就是实现东部地区能源使用从“身边来”和“远方来”相结合。

5. 保持我国核工业技术水平的重要依托

核能是世界大国战略必争的高科技产业,如美国、俄罗斯等国尽管能源充足,但为了保持竞争力和产业持续发展仍坚持发展核能。国外经验和我国实践证明,和平时期能完整保留一支与核大国相适应的核科技力量并不断提高,有效的办法就是发展核电。

自主地、较大规模地发展核电,有利于维护我国核科技工业体系的完整性,带动和促进我国整个核工业产业的发展,从而进一步增强我国的核威慑力量,实现我国的战略目标。

我国核电发展的空间分析

通过数学模型,对我国今后十年能源结构发展趋势分析可以看出,我国能源需求强劲,在碳排放约束下,煤炭发展受限尽早达峰,石油从高速增长到消费达峰,而天然气激增,对外依存度或将达到70%左右,可再生能源中,水电开发基本完成,风电、太阳能保持快速发展但仍不能满足增量需求,对存量的替代无从谈起,在能源刚性需求下,核电仍有较大发展空间。

(一)我国2030年能源发展数量测算

1. 测算方法和参数

利用弹性系数法测算,考察我国过去十年能源增长,从2009年能源消费总量为33.6亿tce到2018年的46.4亿tce,可以计算出能源消费总量年均增长3.8%。

2005年-2013年我国GDP年均增速10.2%,能源消费弹性为0.59,可见这一阶段是我国经济发展与高能耗的重工业关系密切。2013-2018年GDP年均增速6.9%,能源消费弹性0.32,可见我国经济转型的明显特征。

而从更长的时间维度计算,自2000年到2018年能源消费弹性系数的平均值为0.34,这些数据印证了国家GPD与能源消费约成3倍的关系原理。

考虑到产业转型和能耗降低等变化对弹性系数的影响,在预测到2030年能源消费时,将能源消费弹性系数从2018年0.51的基础上,年度下降4.5%,到2030年能源消费弹性达到0.29。

GDP的预测更是复杂的,各个机构的预测差别也较大,世界银行、中国石油经济技术研究院等机构及专家预测未来10年我国进入质量效益型的高质量发展阶段,GDP增速将维持6%左右。

而按照高盛的预测到2039年、美国卡内基国际和平基金会预测到2035年、汇丰集团首席执行官预测到2050年、胡鞍钢预测到2020年而美国咨询公司普华永道预测到2030年我国的GDP将成为世界第一。

从历史数据看,进入新常态后,我国GDP年增速一路走低,但降幅在逐渐收窄,GDP增速有企稳的迹象,6%-7%似乎是近期增速的底部,当然触底企稳只是未来的一种可能,也有一些经济学家持悲观态度,认为未来GDP增速将降低到6%,再到5%、4%甚至3%以下都是有可能,而现实中经济增速始终存在进一步下滑的风险。为了保守起见,本文按照GDP增速在2018年6.5%的基础上年度降低2%,到2030年逐渐降低到5.1%。

基于GDP和能源消费弹性系数的变化,能源消费总量增速在2018年的基础上逐年递减,从2018年的3.3%逐年递减,到2030年为1.49%,年均降幅约1.5%。

对于石油,参考《中国石油消费总量达峰与控制方案研究》确定的控油“路线图”,到2050年,我国油耗需要在4.2亿吨以内才能实现《巴黎协定》承诺的目标,《报告》预计到2025年我国石油消费达到峰值7.2亿吨,2035年则下降到6亿吨。

考察近10年石油在总体消费中的占比,从2009年21.50%到2018年的19.75%,年均降低0.06%,在此基础上,按4.5倍的强度系数进行调整以确定到2030年石油在一次能源的占比,本文测算到2029年石油消费达到峰值7.02亿吨油当量。

对于天然气,考察近10年天然气在总体消费中的占比,从2009年2%到2018年的6.5%,年均增长0.15%,而近年来,天然气的增速加速放大,并考虑到宏观目标即到2030年,天然气占总体消费份额的15%,因此按4.5倍的强度系数进行调整,以确定到2030年天然气在一次能源的占比,年均增长7%。

对于煤炭,我国当前消费约40亿吨,截至2018年底全国证照齐全的煤矿产能为35亿吨/年,在建煤矿产能10.3亿吨/年,考虑到批小建大等情况,估计我国煤炭产能将在48亿吨/年,而大多机构预计我国煤炭的消费峰值在42-43亿吨/年,也就是相比当前消费总量约增加7%左右。

虽然近两年煤炭的用量在增加,但在能源中的占比逐渐下降。考察近10年煤炭占比情况,从2009年70.6%到2018年的59%,年均降低0.37%,而近年来,随着可再生能源的大力推广,并考虑到2030年碳排放达到峰值的约束,按3.2倍的系数进行调整,煤炭到2023年达到消费峰值,相比2018年增长2.6%。

对于非化石能源,包括水电、核能和风电、太阳能。考察近10年的发展趋势,在能源消费中的占比从2009年的5.9%上升到14.7%,年均增幅0.28%。

近些年,可再生能源快速发展,并考虑到2030年非化石能源在总体能源占比达到20%的宏观目标,系数按2.8进行调整,预测到非化石能源2030年占比为24.4%。

对于碳排放,按《中国能源统计年鉴》及《国家温室气体排放清单指南》给出的各能源排放系数,确定煤炭(标煤)为0.755,石油综合(取煤油、汽油、燃料油、柴油、原油的平均值)0.584,天然气为0.448。以2018年化石能源消费量与碳排放数值为基础,同比例测算到2030年的数值。

2. 我国2030年能源结构测算结果

到2030年我国能源消费总量为4211百万吨油当量(toe),合60亿吨标煤,增幅为30%,其中化石能源增长15%,非化石能源增长113%。碳排放到2029年达到峰值104亿吨。

(二)我国2030年电力产业发展测算

1. 2030年非化石能源发电量预测

我国2018年总发电量为69940亿kWh,由于各发电形式的换算比例不同,为了便于分析,按1百万toe在一座现代发电厂中可以发电4.4TWh考虑,则可以计算发电量约占一次能源消费总量的比例为49%,其中非化石能源发电量为20708亿kWh。按照上文中能源结构结果,换算2030年非化石能源发电总量为45221亿kWh。

近十年水电、核电和近四年风电、太阳能发电量年均增长率分别为10.7%、29.6%、24.3%和87.4%,结合能源开发总量和工程判断,测算水电、核电、可再生能源(风、光)分别为17064、6752、21373亿kWh。

2. 2030年发电量测算

非化石能源根据上文分析可以测算发电量,而火电需要根据发电总量进行预测反推。分析我国能源消费总量和发电量的关系,2008年能源消费总量为32.1亿吨标煤,实际发电量占折合的总发电量比例为34.98%,2018年则为48.99%。按趋势折合一定系数,并结合上述分析能源消费总量来预测发电量。

各能源形式的发电量预测则根据工程判断以及资源储量和全球互联网模式下的大规模清洁能源开发设想和推进情况进行预测,其中火电2030年发电量测算为52267.5亿kWh,加上上述水电、核电、风电和太阳能的测算,2030年总发电量在9.7万亿kWh左右。

从最终结果可以看出,到2030年,总发电量占能源消费量的比重为53%,年均增幅0.3%,远低于前十年的平均增幅1.4%。而可见可再生能源在满足电力增长方面还存在一定欠缺。也可以看出,即使总发电量达到约10万亿kWh,人均用电量达到7千kWh,仍然仅相当于美国当前人均用电量水平的一半。

3. 2030年装机容量预测

为了简化处理,装机容量根据发电量的增长比例在一定系数调节后,按比例调整,结果如上图所示。

(三)2030年核电发展空间

根据预测,到2030年,总的装机容量达到29亿kW,平均年度增幅3.7%。核电1. 2亿kW,年均年增长8.85%。值得注意的是,也有机构和学者分析认为,我国风电和太阳能短期内经济可开发容量分别为3亿kW和4亿kW左右。在这种情况下,风光电不足容量需要核电补充,换算为核电容量约为0.8亿kW。而对于火电如果继续维持0状态,增量部分仍需由核电替代,换算约为0.35亿kW,可见核电装机容量或者需求或将达到2.35亿kW左右。

2011年福岛事故前,中国工程院《中国能源中长期发展战略研究》,由满足碳排放要求倒推,到2035年左右,核电需达到2亿kW,这与本文前述分析基本一致。

国际原子能机构2019年10月发布的,《核技术评论》(2019)中,比较乐观预测了全球核电发展趋势了,认为我国到2030年核电装机将达到1.2-1.5亿kW,海外建造机组将达到30座。

从碳排放角度看,到2030年,我国碳排放达到104亿吨,火电就贡献了40亿吨,分析中,核电装机为1.2亿kW,每年相当于减排约7.2亿吨二氧化碳,若核电装机达到2.35亿kW,则可以再减排6亿吨,总排放或降低到100亿吨以内。

公司名称:青州蒙特机械有限公司