膠東半島通過核能綜合利用實(shí)現(xiàn)碳中和方案

王瀟

膠東半島主要包括青島市、煙臺市和威海市，其經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平均處于山東省前列。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展離不開能源的大量供給，我國的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)一直是以化石能源為主，碳排放高，因此膠東半島如何實(shí)現(xiàn)碳中和既是山東省關(guān)心的問題，也是我國沿海發(fā)達(dá)地區(qū)普遍面臨的難題。膠東半島能源消費(fèi)按行業(yè)可分為電力、供熱、工業(yè)和交通。在“雙碳”目標(biāo)下，交通行業(yè)的能源轉(zhuǎn)型方向是電氣化，因此膠東半島碳中和就簡化為如何實(shí)現(xiàn)電力碳中和、供熱碳中和以及工業(yè)碳中和。

膠東半島用能現(xiàn)狀

山東省火電裝機(jī)容量居全國首位，92%的發(fā)電量來自于火電。膠東半島同樣建設(shè)有大量火力發(fā)電廠，但其不同于其他地區(qū)，山東省的全部核電廠都分布在這里。核電裝機(jī)容量為270萬kW，占山東省總裝機(jī)容量的2%，發(fā)電量占山東省總發(fā)電量的4%。膠東半島電力需求巨大，日最大電力負(fù)荷達(dá)2040萬kW，全社會用電量為1260億kWh，占山東省的近五分之一。膠東半島集中供熱總面積達(dá)4.23億m2，燃煤供熱占比超過98%。燃煤供熱中又以燃煤小熱電和燃煤鍋爐為主，供熱能源利用效率低，污染排放高。

工業(yè)部門能源需求種類主要包括電力、熱力、化石燃料和用作原料的化石燃料。通過化石能源產(chǎn)生高溫高壓進(jìn)行生產(chǎn)的工業(yè)行業(yè)，未來以電氣化用能為主，因此實(shí)現(xiàn)工業(yè)碳中和的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)工業(yè)用熱（主要為蒸汽）的碳中和。

淡水資源極度匱乏也是膠東半島面臨的困境。青島市是全國缺水最嚴(yán)重的城市之一，人均淡水資源量僅為247m?/人，煙臺市和威海市人均水資源量也處于極度缺水線500m?/人上下，遠(yuǎn)低于全國平均水平2000m?/人。

通過以上分析可知，如何實(shí)現(xiàn)電力、供熱和工業(yè)用熱的碳中和，以及解決水資源短缺問題是膠東半島實(shí)現(xiàn)碳中和的必答題。

核能綜合利用實(shí)現(xiàn)碳中和總體思路

膠東半島擁有較為豐富的核電資源，海陽核電基地1、2號機(jī)組已投入商運(yùn)，分別于2019年和2021年采暖季完成了海陽市70萬m2和450萬m2的居民核能供熱，同時(shí)還與清華大學(xué)合作建成了水熱同產(chǎn)同送示范工程。未來膠東半島將規(guī)劃建設(shè)3座6臺百萬千瓦級核電基地，分別為海陽核電基地、榮成核電基地和招遠(yuǎn)核電基地，總裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到2250萬kW。

對于電力來說，可以形成以核電為主，光伏、風(fēng)電等可再生能源發(fā)電為輔的電力供應(yīng)格局，通過核電的電熱協(xié)同結(jié)合V2G、儲氫等方式實(shí)現(xiàn)電力的日間和長周期調(diào)峰。對于供熱和供水來說，通過核電水熱同產(chǎn)同送、跨季節(jié)儲熱調(diào)峰滿足膠東半島95%以上的集中供熱負(fù)荷需求，產(chǎn)生的高品質(zhì)淡水供給水廠作為重要的淡水資源。對于工業(yè)用熱來說，通過核電水熱同產(chǎn)同送輸送熱水至各工業(yè)用戶，在末端制取蒸汽，滿足未來工業(yè)生產(chǎn)的全部蒸汽需求。因此，核能綜合利用為膠東半島實(shí)現(xiàn)碳中和開辟了新思路。

膠東半島碳中和方案

基于以上思路，清華大學(xué)陸續(xù)研發(fā)了多項(xiàng)技術(shù)作為支撐，助力核能綜合利用的大規(guī)模應(yīng)用，包括水熱同產(chǎn)同送技術(shù)、跨季節(jié)儲熱調(diào)峰技術(shù)、水熱同產(chǎn)同送末端制取蒸汽技術(shù)和電熱水協(xié)同技術(shù)等。

根據(jù)膠東半島各城市目前電力負(fù)荷和用電量的增長情況，初步預(yù)測未來的電力負(fù)荷需求，年均增速按3%考慮，則未來日最大電力負(fù)荷約為3200萬kW，用電量需求近2000億kWh。如果核電未來的運(yùn)行小時(shí)數(shù)按7500計(jì)算，則年總發(fā)電量為1688億kWh，能夠占膠東半島未來總用電量的80%，其余20%可由光伏、風(fēng)電等滿足。電力調(diào)峰主要由核電廠電熱水協(xié)同實(shí)現(xiàn)，通過儲熱或儲水來實(shí)現(xiàn)電力從低谷期向高峰期的轉(zhuǎn)移。通過儲熱（水）實(shí)現(xiàn)電力調(diào)峰也是公認(rèn)的最經(jīng)濟(jì)的電力調(diào)峰方式。

從供熱的角度，百萬千瓦級的核電機(jī)組潛力巨大。根據(jù)海陽核電基地的機(jī)組參數(shù)計(jì)算可知，單臺機(jī)組的供熱能力約為6000萬GJ，未來膠東半島核電基地的總供熱能力可達(dá)10.8億GJ，而該區(qū)域未來的集中供熱面積約為7.3億m2，總需熱量約為2億GJ。采用水熱同產(chǎn)同送結(jié)合跨季節(jié)儲熱調(diào)峰技術(shù)對膠東半島核能供熱進(jìn)行初步規(guī)劃布局，遠(yuǎn)期核能供熱面積可達(dá)到7.1億m2，占膠東半島總供熱面積的96.7%，年可產(chǎn)淡水5億噸。經(jīng)計(jì)算，水熱同產(chǎn)同送結(jié)合跨季節(jié)儲熱調(diào)峰系統(tǒng)的初投資從70元/m2至106元/m2不等，當(dāng)?shù)畠r(jià)格按5元/噸計(jì)算時(shí)，至城市邊緣的熱價(jià)從50-64元/GJ不等，單從跨季節(jié)儲熱的調(diào)峰成本來看，其遠(yuǎn)低于約60元/GJ的燃?xì)庹{(diào)峰成本。

供熱僅利用了膠東半島未來核電供熱能力的約五分之一，利用剩余熱量足以解決膠東半島未來工業(yè)用熱需求。通過對標(biāo)發(fā)達(dá)國家的工業(yè)結(jié)構(gòu)和工業(yè)能耗水平，以及我國遠(yuǎn)期人均GDP翻兩番的目標(biāo)，膠東半島各城市的工業(yè)用熱需求約折合標(biāo)煤1291萬噸。以海陽核電基地向青島市供蒸汽為例，敷設(shè)DN1600水熱同送管網(wǎng)，在末端生產(chǎn)1MPa.a、180℃蒸汽，年可產(chǎn)蒸汽量3630萬噸，產(chǎn)淡水量1.3億噸，如果淡水價(jià)格按5元/噸計(jì)算，則長輸熱水末端制取蒸汽的成本約為185元/噸，通過技術(shù)優(yōu)化還可以進(jìn)一步降低成本。利用核能可以替代膠東半島未來所有工業(yè)熱力和化石燃料需求，可供蒸汽1.9億噸，年可產(chǎn)淡水6.7億噸。

通過以上方案的計(jì)算和分析可知，利用核能綜合利用實(shí)現(xiàn)電力、供熱和工業(yè)用熱的碳中和是經(jīng)濟(jì)可行的，還能提供11.7億噸低成本、高品質(zhì)淡水，占膠東半島年總需水量的60%以上，可以從根本上解決膠東半島淡水資源短缺問題。

結(jié)論和建議

膠東半島核能資源豐富，核電廠供電、供熱潛力巨大，通過核能綜合利用——電熱水聯(lián)產(chǎn)可實(shí)現(xiàn)膠東半島碳中和。具體來說，以核電為主，其他可再生能源為輔，電熱協(xié)同實(shí)現(xiàn)電力碳中和;通過核能水熱同產(chǎn)同送結(jié)合跨季節(jié)儲熱調(diào)峰實(shí)現(xiàn)供熱碳中和;通過核能水熱同產(chǎn)同送末端制取蒸汽實(shí)現(xiàn)工業(yè)用熱碳中和。

建議由政府主導(dǎo)，組織專家團(tuán)隊(duì)深入論證核能綜合利用——熱電水聯(lián)產(chǎn)技術(shù)和工程應(yīng)用的可行性;由山東省編制核能綜合利用實(shí)施方案，指導(dǎo)各城市推動(dòng)和實(shí)施核能綜合利用，各城市組織成立核能綜合利用領(lǐng)導(dǎo)小組，加強(qiáng)膠東半島各城市之間核能利用的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，使核能綜合利用更經(jīng)濟(jì)、更快落地;各城市出臺相關(guān)政策鼓勵(lì)和保障核電項(xiàng)目實(shí)施，釋放核能綜合利用的社會效益。