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黄文 谢千 郑保军 | “双碳”背景下核能高质量发展的挑战与对策
发布日期:2021-11-01 作者:黄文 谢千 郑保军 信息来源:十大研究 访问次数: 字号:[ ]

编者按:我国力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和,是党中央经过深思熟虑作出的重大战略决策,事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体。能源领域碳排放总量大、占比高,是实现绿色低碳转型和高质量发展的关键。公司能源业务部成立了以张宗玟等部门领导为核心、以青年党员为骨干的“3060”研究小组,贯彻新发展理念和能源安全新战略,对以新能源为主体的新型电力系统、碳排放和水电、新能源、核电、储能、煤炭等方面高质量发展进行了探索性研究,以推动构建清洁低碳安全高效的能源体系。为促进研究成果的应用,本公众号将核心研究成果以系列文章的形式陆续刊发,供业界同仁参考。


“双碳”背景下核能高质量发展的挑战与对策

黄文 谢千 郑保军


摘要:核能具有清洁低碳、出力稳定、边际成本低等特征,且发展沿海核电的部署与我国经济布局深度契合,是能源供给侧尤其是新增非化石能源中最有望兼顾“低碳、经济、安全”矛盾三角的能源形式,能通过规模化发展替代化石能源,并与新能源形成强互补发展。本文以“双碳”目标(碳达峰、碳中和)及“两个构建”(构建清洁低碳安全高效的能源体系、构建以新能源为主体的新型电力系统)为准绳,总结提出核能在未来“双碳”战略目标下的挑战和对策建议,以期促进未来核能高质量发展。

关键词:“双碳”战略目标;核能;高质量发展;创新;高效;挑战

一、引言

2020年9月22日,国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论会上做出“碳达峰、碳中和”郑重承诺,首次提出了我国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”的“双碳”战略目标。该战略目标体现了我国将携手世界积极应对全球气候变化这一巨大挑战的坚定决心,也彰显了我国在构建人类命运共同体上的大国责任与担当,这些都为新冠肺炎疫情后的全球绿色发展和协调共赢注入强大信心。已有研究指出,中国“双碳”战略目标的顺利实现,将有效推动全球温升趋势的改变,使得全球温度将比预期降低0.3℃甚至更高[1]。

自进入21世纪以来,我国经济快速发展,我国的碳排放量也在快速攀升。相关研究数据[2]显示,2019年我国碳排放量约115亿吨,约占全球总排放量的30%,位居全球第一,较2000年我国碳排放量提高约168%。21世纪以来我国的碳排放量和GDP增长情况见下图1。

图1 21世纪以来我国的碳排放量和GDP增长情况

目前我国相关研究领域总体上对2060年“碳中和”背景下的碳排放限值已达成一定共识[3]。据有关研究机构的预测[2],我国若要实现基准的“1.5℃情景”下的减排目标,2050年后允许碳排放值仅为当前碳排放量的15%~25%,即使在“退而求其次”、可行备用的“2℃情景”下,允许碳排放值也仅为当前碳排放量的40%~50%,并低于2000年我国碳排放量。而目前,我国经济仍处于中高速、高质量发展阶段,能源消费量还在增长,碳排放量还有增加的可能,需要经历2030年前“碳达峰”,才能走向2060年的“碳中和”。相比发达国家,我国“碳达峰”到“碳中和”间隔仅有30年时间,减排强度及困难程度在全球范围首屈一指。未来我国碳的达峰和减排情景设想见下图2。

图2 未来我国碳的达峰和减排情景设想

而实现“双碳”战略目标首当其冲的就是能源产业。据统计,2019年我国能源供给侧的碳排放量约46亿吨,占比约40%;能源消费侧(仅工业领域)的碳排放量约33亿吨,占比约30%,合计贡献已达70%,是我国二氧化碳排放的主要来源[3]。构建清洁低碳安全高效的能源体系、构建以新能源为主体的新型电力系统,实现能源产业“低碳”甚至“零碳”转型发展,是我国实现“双碳”战略目标的重要保障和前提,也是未来能源产业适应我国新时期高质量发展目标的重大要求和长久研究方向。

二、核能是我国能源和电力统筹发展的战略性保障

近年来,随着我国稳步实施“两个构建”,我国风能和太阳能等可再生能源成为增速最快的能源。2020年,我国风能发电装机容量约2.82亿千瓦,太阳能发电装机容量约2.53亿千瓦,较2015年分别增长约1.2倍和4.8倍;预计2025年、2030年、2035年,我国风能发电装机规模有望达到4亿、6亿、10亿千瓦,太阳能发电装机规模有望达到5亿、9亿、15亿千瓦[3][5]。

但是,过往数十年来世界各国能源和电力发展实践和研究成果均表明,能源结构的低碳化是一个漫长、复杂、曲折的过程。可再生能源固有的能量密度低、发电不稳定等特征,使其在大规模发展下仍将面临一些短时期内无法回避的现实瓶颈或问题。如新能源大发时段需要大量可控电源深度调节以保障消纳,在热潮、寒潮等特殊天气需要电力稳定供应时往往又出力下降,甚至出现如2021年7月28日东北电网风电的短时最低出力不足网内风电装机千分之一的极端情况。

而从全球尤其是发达国家过往发展经验和未来发展策略等来看,能源和电力系统将呈现多种能源形式并存的局面,可再生能源、核能、储能等新型能源形式与必要的化石能源等不同能源并存互补,各自发挥自己的优势,为全球和各国经济和社会发展提供充足的能源和电力保障。全球及典型地区能源消费和电力供应情况及未来预测[6]见下图3~图6。

图3 全球及典型地区能源消费情况(单位:EJ)

图4 全球及典型地区电力供应情况(单位:TW·h)

图5 全球及典型地区能源消费预测(单位:EJ)

图6 全球及典型地区电力供应预测-核电高低方案平均(单位:TW·h)

目前,全球GDP前15强国家基本均已明确2050年前后实现“碳中和”目标,除意大利和澳大利亚外,核能在其能源和电力系统中均占有一定比重[6](见图7),在GDP前10强国家尤其是联合国5大常任理事国中,我国核电所占比例相对较低(见图8)。

图7 2020年全球GDP前15强国家核能发电情况(单位:GW,%)

图8 2010-2020年5大常任理事国核电发电量及占比情况(单位:TW·h,%)

鉴于其具有的清洁低碳、出力稳定、边际成本低等特征,且发展沿海核电的部署与我国经济布局深度契合,核能是我国能源供给侧尤其是新增非化石能源中最有望兼顾“低碳、经济、安全”矛盾三角的能源形式,可规模化发展替代我国沿海负荷中心周边的化石能源。核电与可再生能源技术特征对应互补,可实现电力电量时空匹配度更高的互补型发展,共同成为未来能源和电力系统非化石能源的重要组成部分。

图9 我国各省区市经济发展及核电基地位置示意

当前我国正处于实现“两个一百年”伟大奋斗目标的征程中,未来我国经济社会仍将高质量发展和持续壮大,人均能源消费水平仍将不断提高,而终端能源消费更多地由一次能源向以清洁高效电力为主的二次能源转变,能源和电力需求仍有较大的持续增长空间。据相关预测,我国非化石能源到2030年在一次能源消费中占比约达25%,而到2060年,在一次能源消费中占比将约达80%甚至更高。而核电作为我国非化石能源的重要组成部分,未来发展前景广阔。部分研究机构预测,到2030年、2035年,我国核电在运装机容量将分别达到1.1亿千瓦和1.5亿千瓦[7]。

三、“双碳”目标下我国核能行业高质量发展面临的挑战

(一)核能要应对能源电力市场化及未来“碳市场”建立的竞争挑战

近年来,我国能源和电力市场化改革积极推进,各区域电力市场已经建立,市场化售电量比例迅速提高。据中国电力企业联合会网站信息,全社会用电量中市场交易电量比重正在逐年提高,2020年全国市场化交易电量占上网电量的比重已超过40%。2020年核电上网电量市场化率约33%,较2019年继续提高2个百分点,较2018年和2017年分别提高约8个百分点和15个百分点。而随着风电、光伏平价上网工作的深入推进,以及电力市场化改革的持续深化,核电需要在控制成本、适应电力系统需求等方面开展更多工作,以面对市场竞争的挑战。未来随着我国“碳市场”的建立,核能行业需要进一步思考如何发挥自身优势,以迎接“碳市场”建立带来的清洁能源价格竞争及挑战,并充分吸收能源和电力产业低碳发展的红利。

(二)尚不完善的相关法规体系对核能新型产业发展支撑作用不足

核能发展各阶段各类型项目均具有资金投入大、建设周期长、需要较长的前期准备工作等特点,从厂址普选到初步可行性研究、可行性研究、核准和开工建设往往需经历数年的时间,需取得数十个政府支持性文件。虽然核能行业从业人员经过多年的历练和磨合,已经初步形成了一整套的经验和方法,并较好地在核能行业应用实践。但从“十三五”末核电规划目标的完成情况来看,仍然存在未能完全适应新时期能源和电力整体发展要求等现象,以致规划目标未能完全实现的问题(“十三五”核电在运装机目标实现96%,在建装机目标仅实现40%左右)。而在核电以外的核能新型产业领域如核能综合利用等,由于缺乏完善、可指导的相关标准体系,更使得产业发展缓慢,甚至出现核能项目与用能单位在进度目标上的倒挂问题,即“需要核能时却顶不上来”“区域用能的需求萎缩后核能项目方能建成”。

(三)针对发展面临的重大转变亟需突破思维和开展新型研究

随着“双碳”战略目标的实施推进,短期内核电受益于清洁低碳的优势,但伴随其他清洁能源技术的发展,核能过往具有的低碳优势将被弱化甚至逐步消失,外部面对的常规电力系统、常规能源体系将逐渐转变为新型电力系统、新型能源体系及其更高的安全高效要求等。因此,过往简单的电力项目滚动型发展模式、作为电网基荷以追求稳定出力等诉求将受到全面的挑战和面临更多的问题。如何适时有效调整我国核能发展的思维模式和诉求状态,适应并促进核能成为新型电力系统尤其是新型能源体系的有机部分或者重要基石、探索形成与高比例新能源匹配度高甚至一体化发展新模式、核能积极安全有序发展带来的前后端能力建设等研究,应成为未来核能研究发展的重要方向,从而帮助核能行业适应发展规模增加及面临的新型发展形势的要求。

四、“双碳”目标下我国核能行业高质量发展的对策建议

(一)完善法规体系,拓展核能在未来我国能源体系中的作用和定位

未来我国核能发展应充分结合能源供应的发展趋势和经济安全需求等研究成果,进一步完善相关法规体系,既疏导核电持续发展及前期开发存在的各方面压力,又积极拓展核能在未来我国能源体系中的作用和定位。核电行业可通过“已有规模稳妥发展、后续规模有序增长”等有效途径,使核电成为我国新型电力系统的重要基础支撑,从而在帮助电力系统应对极端气候挑战和保障电力安全供应中发挥更加重要的作用。在积极实现已有核电机组安全稳定运行的基础上,通过一批核能综合利用型工程项目的开工建设或技术改造等,逐步推动核能开发资源配置的扩展化、多样化,从而推动核能在新型能源体系中发挥更重要的作用。

(二)持续巩固核能在安全能源、高效能源及创新能源等领域的优势

随着未来清洁能源的更加普遍应用,核能在清洁低碳之外的安全、高效及其创新性要求将进一步强化。核能行业应时刻清醒地意识到“核安全是核能行业的生命线”“高效是核能行业的生存线”“创新是核能行业的发展线”。在未来我国核能发展时,采取各种有效的针对性政策、措施或活动,巩固我国在核能领域已取得的安全性、高效性及创新性成果,并在未来核电项目建设及综合利用等新领域中进一步发展和提升。未来可将诸如核电网络安全、信息数据安全、与高比例新能源的数字协同、智能匹配外部新型电力系统发展等作为行业专项活动,保证在未来固有核电领域和拓宽后的技术应用领域中,核能的安全性、高效性和创新性等特征仍可以得到持续保障。

而安全性作为核能行业的生命线,更应该在全产业发展中得到优先保障。核能行业应将核安全始终作为重要工作全面受控开展,通过全面监督发现可能存在的安全问题、潜在风险苗头、安全文化松动迹象等,开展定期普适性和不定期专门性的专项安全活动。同时,积极研究探索公众宣传新思路新办法,提高和加强核能在公众方面的接受程度,树立核能在公众心中的安全、高效、创新发展形象。

(三)提高未来核电经济性,以应对能源和电力市场化等改革

随着我国能源和电力市场化改革深化以及未来全国“碳市场”的发展成熟,核能行业不可避免地将面临与其他低碳能源形式的竞争发展。当前我国核电发展已逐步完成向三代技术的全面转型升级,相关建设成本在大幅提升后,后续将逐步凸显三代技术的技术经济优势及其规模效应。而未来核电机组为适应新型电力系统可能需要开展的调峰及购买服务等,也将对核电经济性带来影响。在保障核能安全性、高效性、创新性等特征的基础上,核能行业需要充分提高经济性以应对能源和电力市场化等改革,如通过完善核电价格组成和优化核电设计以降低核电造价(核能行业协会提出的“批量化建设的三代核电站建成价15000元/kW左右、上网电价0.40元/kWh左右”,具有市场竞争的比较优势)、通过后续核电建设规模有序增长以实现行业可持续发展、基于综合成本优势来积极拓展核能应用以实现核能在更广阔的能源领域发展而不局限电力领域的竞争等,稳妥有序提高核能市场竞争力和在能源及电力体系中的份额,树立并巩固核能对稳定清洁低碳能源价格乃至全社会用能成本的重要战略地位。

(四)通过科技专项带动等核电成功经验推动核能持续创新发展

在国家重大专项和重点科研课题的带动下,我国核能行业积极吸取全球先进核能技术并自主取得了一系列先进研究成果,建成全球首座AP1000三代核电机组、全球首座“华龙一号”自主三代核电机组,正在建设国际领先的高温气冷堆核电示范工程和国内首个商业化快堆示范工程。未来我国核能发展应积极总结过往发展成功经验,围绕“双碳”目标持续推动核能及其产业范畴内的科技领域创新,如围绕核电站相关设备材料回收利用、综合能源一体化发展新模式、新型节能增效工艺及设备(及国产化)等开展专项研究,或对已有核电站及未来核电站开展整体物联网设计甚至智慧核电厂设计等,部分重大方向还应凝聚全行业力量建立国家级综合创新研发中心。总之,通过助力能源供给侧和消费侧两端的创新发展,实现对“双碳”战略目标的贯彻落实。

五、结束语

在“双碳”战略目标的指导下,我国能源产业的转型主要将从能源结构调整、能源增效利用和能源“碳汇”工程三方面开展。核能作为已具有清洁低碳特征的能源品种,当前应将重点放在促进能源结构调整和能源增效利用方面,助力我国实现“两个构建”及能源和电力产业高质量发展。本文基于对国内外能源发展趋势和核能发展现状的分析,提出我国核能未来高质量发展的一些建议,以供有关核能发展政策或措施行动出台参考。

注:原文载自《中国工程咨询》2021年第10期,本次发表有较大改动。文中部分图片来源于网络。

参考文献

[1]余碧莹,赵光普,安润颖,等.碳中和目标下中国碳排放路径研究[J].北京理工大学学报(社会科学版),2021,23(2),17-24.

[2]陈白平,陆怡,刘恭毅,Thomas Palme,等.BCG中国气候路径报告:承前继后、坚定前行[R].2020-10,4-20.

[3]张运洲,张宁,代红才,等.中国电力系统低碳发展分析模型构建与转型路径比较[J].中国电力,2021,54(3):1-11.

[4]赵明轩,吕连宏,张保留,等.中国能源消费、经济增长与碳排放之间的动态关系[J].环境科学研究,2021,24(6):1509-1522.

[5]World Resources Institute, Climate Watch [DB/OL].2021-03-14~03-15.

https://www.wri.org.cn/en/publication.

[6]International Atomic Energy Agency, REFERENCE SERIES NO.1, 2020 Edition, 9-135.

[7]荣健.我国核电安全高效发展路径与措施[EB/OL].中国核能行业协会,2020-08-20.

http://www.china-nea.cn/site/content/37816.html/site/content/37816.html.




 
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