核能熱電聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟性

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

核能在推進全球碳減排方面發(fā)揮了重要作用。在發(fā)達經(jīng)濟體，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%。國際能源署（IEA）估計，1971—2018 年，核電的利用總計減少了630 億噸二氧化碳排放。許多國際權(quán)威機構(gòu)對旨在實現(xiàn)能源領(lǐng)域脫碳的未來發(fā)展情景進行了預(yù)測，大部分情景預(yù)計核能將會大規(guī)模發(fā)展。例如，國際能源署2021 年發(fā)布的凈零排放情景預(yù)計，全球核電裝機容量到2050 年將達8.12 億千瓦，主要由百萬千萬級水冷堆組成。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，進而為全球碳減排作出更大貢獻。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)擴散，進而導(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，并且不會排放空氣污染物。

核能的另一項優(yōu)勢是生產(chǎn)成本穩(wěn)定。鈾的采購費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)電成本不會像化石燃料一樣易受燃料價格波動的影響，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，只有約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。國際原子能機構(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)整輸出電量的同時還能夠持續(xù)保持滿負(fù)荷運行狀態(tài)，因為它還能生產(chǎn)其他能源產(chǎn)品，進而增加運營收入。已有研究機構(gòu)提議建立“核-可再生能源混合能源系統(tǒng)”（簡稱“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)還有助于增強電網(wǎng)對太陽能、風(fēng)能等間歇性可再生能源的消納能力。

根據(jù)國際原子能機構(gòu)公布的數(shù)據(jù)，截至2020 年底,全球至少有70 臺在運核電機組已開展非電力應(yīng)用，總計累積了約750 堆年的運營經(jīng)驗，然而這些機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?，F(xiàn)有反應(yīng)堆能夠提供200℃以下的低溫?zé)崮?，僅能滿足極少工業(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。歐盟研究計劃“旨在實現(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（現(xiàn)有的傳統(tǒng)核能熱電聯(lián)產(chǎn)市場、特定工業(yè)流程中的預(yù)熱）中具有競爭力。

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。相對于現(xiàn)有壓水堆，帶有先進非能動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)濟性考慮

相對于現(xiàn)有核電廠，核能熱電聯(lián)產(chǎn)廠的建設(shè)融資將面臨更嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因為其要面對更多的干系人。核能熱電聯(lián)產(chǎn)廠需要面對兩個市場：電力和熱能（或工業(yè)產(chǎn)品）。在大多數(shù)國家，電網(wǎng)的分布比供熱網(wǎng)絡(luò)更為廣闊。相對于需要建設(shè)專門向新用戶輸送熱能的基礎(chǔ)設(shè)施，將電力輸送給用戶的成本可以忽略不計。確定核能熱電聯(lián)產(chǎn)廠細(xì)分目標(biāo)市場的一個最重要參數(shù)是溫度。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)廠的取證程序。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)堆堆芯能量僅用于發(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)模式運營。在非一體化模式中，核能熱電聯(lián)產(chǎn)廠和供熱網(wǎng)絡(luò)由兩家獨立的企業(yè)擁有。在一體化模式中，包括核反應(yīng)堆運營商、熱能終端用戶、能源管理和配送者以及管網(wǎng)運營商在內(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建設(shè)，且由一家企業(yè)擁有和運營。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，分別由兩家獨立企業(yè)擁有和運營。目前，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，可能會出現(xiàn)海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)驗可供參考。有必要在融資、商業(yè)模式、現(xiàn)場集成等領(lǐng)域為核能高溫工藝熱應(yīng)用設(shè)計創(chuàng)新方案。

如果核能熱電聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟性超過了其他技術(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)濟效益，大型輕水堆或先進反應(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)的競爭力能夠獲得證明和認(rèn)可，則可用于滿足其他細(xì)分市場的能源需求。

3 案例研究

報告介紹了多個核能熱電聯(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行供暖的實例，以及芬蘭、法國、斯洛文尼亞等國開展的核能供暖研究成果。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)。即使在化石燃料價格低迷時期，核能供暖相對于化石燃料供暖也具有競爭力。經(jīng)濟性評估表示，在電力價格持續(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)有核電廠的剩余運行壽期。與此同時，核能區(qū)域供暖的經(jīng)濟競爭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)改造費用以及現(xiàn)有核電廠改造費用或新核電廠建設(shè)費用。鑒于核電廠和供熱網(wǎng)絡(luò)的改造投資大，且相關(guān)設(shè)施將長期運行，需要政府在融資及其他方面給予政策支持，從而推進這一低碳能源技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

雖然迄今的核能海水淡化廠均使用水冷堆提供能量，但報告的相關(guān)案例假設(shè)使用先進反應(yīng)堆提供能量。經(jīng)過專門配置和優(yōu)化的多級閃蒸（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)水量比傳統(tǒng)多級閃蒸工藝高45%。在中東市場條件下，GTHTR300C 的淡水生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于燃油和燃?xì)?。另一個案例研究表明，將反滲透和多效蒸餾（MED）技術(shù)與熱功率為33萬千瓦的韓國一體化壓水堆SMART 相結(jié)合，能夠經(jīng)濟地進行海水淡化。

關(guān)于制氫的案例均基于下述技術(shù)假設(shè)：利用先進反應(yīng)堆產(chǎn)生的高溫?zé)崮芎碗娏υ诟邷毓r下進行水的分解。韓國和日本的研究表明，利用堆芯出口溫度高達950℃的超高溫反應(yīng)堆（VHTR）進行硫碘熱化學(xué)循環(huán)水分解制氫，在經(jīng)濟上是可行的。研究還發(fā)現(xiàn)，相對于現(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)濟競爭力。一個案例研究涉及使用堆芯出口溫度650℃的超臨界水冷堆（SCWR）進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)可能具有競爭力，具體取決于天然氣價格和碳稅。高溫水分解制氫技術(shù)仍處于開發(fā)階段，尚未進行工業(yè)規(guī)模的示范。但是，預(yù)計這一技術(shù)將在超高溫反應(yīng)堆實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用時發(fā)展成熟。

混合能源系統(tǒng)可能包括核反應(yīng)堆、發(fā)電機、風(fēng)車、太陽能光伏、熱能和電能儲存設(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)度決策能使整個系統(tǒng)而不是單個子系統(tǒng)的利潤最大化。

4 主要研究成果

對于核能熱電聯(lián)供的未來應(yīng)用前景，報告從碳減排、市場機遇與挑戰(zhàn)以及經(jīng)濟性與商業(yè)考慮三方面介紹了相關(guān)研究成果。

4.1 碳減排

在碳減排方面，報告總結(jié)了五項成果。

第一，核能熱電聯(lián)供是實現(xiàn)國際能源署凈零排放情景設(shè)定的全球能源行業(yè)碳減排目標(biāo)不可或缺的技術(shù)選項。

第二，熱電聯(lián)供是未來核能發(fā)展不可或缺的組成部分，因為它能夠在更大的范圍內(nèi)取代化石燃料，減少二氧化碳和空氣污染物的排放，并提高核能設(shè)施的能源利用率。

第三，需要擴大有關(guān)核能熱電聯(lián)產(chǎn)潛力的宣傳，加深公眾、決策者和工業(yè)部門的了解。

第四，雖然經(jīng)濟性和環(huán)境收益是決策的重要助推力，但相關(guān)干系人需要在項目的早期規(guī)劃階段就參與項目，以便能夠獲得公眾接受。

第五，核能熱電聯(lián)產(chǎn)的市場潛力很大，即使僅滿足部分熱能市場需求，也需要建設(shè)大量核反應(yīng)堆。

4.2 市場機遇和挑戰(zhàn)

在市場機遇和挑戰(zhàn)方面，報告總結(jié)了九項成果。

第一，瑞士等國已在核能區(qū)域供暖領(lǐng)域取得成功經(jīng)驗。

第二，核能區(qū)域供暖是一項成熟技術(shù)，可以在新核電廠設(shè)計中考慮區(qū)域供暖需求。但是，鑒于目前有其他技術(shù)可供選擇，核能區(qū)域供暖技術(shù)供應(yīng)商應(yīng)與供暖服務(wù)商加強合作，提供更有競爭力的技術(shù)方案。

第三，供熱網(wǎng)絡(luò)成本是核能區(qū)域供暖經(jīng)濟競爭力的重要影響因素，尤其是現(xiàn)有核電廠通常距離人口聚集區(qū)有幾十千米。如果不需要為核電廠建設(shè)專門的供熱網(wǎng)絡(luò)，核能區(qū)域供暖將是最具競爭力的技術(shù)方案。

第四，對于海水淡化項目，需要協(xié)調(diào)處理能源政策和水資源政策。

第五，鑒于全球淡水需求在不斷增長，模塊化小堆適于以不排放二氧化碳的方式滿足海水淡化的能源需求。

第六，目前處于研發(fā)階段的多種先進反應(yīng)堆和模塊化小堆能夠提供更高的堆芯出口溫度，適于為工業(yè)部門提供工藝熱。

第七，需要考慮核反應(yīng)堆和工業(yè)設(shè)施之間存在的運行壽期差異問題：核反應(yīng)堆運行壽期為40～60 年，工業(yè)設(shè)施運行壽期通常不足20 年。核能區(qū)域供暖也面臨類似問題。

第八，建設(shè)混合能源系統(tǒng)這一理念表明，核能熱電聯(lián)產(chǎn)能夠在下述方面發(fā)揮重要作用：在能源結(jié)構(gòu)清潔低碳轉(zhuǎn)型的過程中推進間歇性可再生能源與核能的集成。

第九，在同址建設(shè)核反應(yīng)堆與工業(yè)設(shè)施時，需要考慮相關(guān)的安全問題以及在取證方面可能面臨的挑戰(zhàn)。目前缺乏在同址建設(shè)工業(yè)設(shè)施與核反應(yīng)堆方面的監(jiān)管信息。

4.3 經(jīng)濟性與商業(yè)考慮

在經(jīng)濟性與商業(yè)考慮方面，報告總結(jié)了十項研究成果。

第一，如果其經(jīng)濟性能夠超過現(xiàn)有技術(shù)，主要是利用燃?xì)馍a(chǎn)蒸汽和發(fā)電的技術(shù)，核能熱電聯(lián)產(chǎn)可能擁有廣闊的市場前景。

第二，需要根據(jù)商業(yè)模式和項目特點，選擇適用于核能熱電聯(lián)產(chǎn)項目的經(jīng)濟性分析方法。在選擇成本分配的經(jīng)濟模型時，主要考慮因素包括商業(yè)模式、市場條件和預(yù)期用途。

第三，對于區(qū)域供暖和海水淡化等應(yīng)用，核能熱電聯(lián)產(chǎn)在技術(shù)上具有可行性，但尚未建立經(jīng)濟案例。政府應(yīng)適當(dāng)評價碳減排價值，并據(jù)此鼓勵對核能熱電聯(lián)產(chǎn)的投資。

第四，對于一些先進反應(yīng)堆，似乎可以建立有利的經(jīng)濟案例，因為這些反應(yīng)堆的廢熱也可用于非電力應(yīng)用，不會影響反應(yīng)堆的功率輸出。

第五，核能熱電聯(lián)產(chǎn)的（經(jīng)濟）案例很大程度上取決于具體國情及其應(yīng)用條件，例如該地區(qū)的天然氣價格。

第六，案例研究表明，核能制氫在某些地區(qū)可能具有競爭力，具體取決于天然氣價格和碳稅。

第七，與核電廠項目相比，核能熱電聯(lián)產(chǎn)廠的融資可能會面臨更大的挑戰(zhàn)，因為它需要面對更多的干系人。

第八，鑒于沒有核能高溫（超過250℃）熱應(yīng)用的實際經(jīng)驗可供參考，目前沒有占主導(dǎo)地位的商業(yè)模式。有必要在融資、商業(yè)模式、現(xiàn)場整合等方面設(shè)計創(chuàng)新方案。

第九，包括核反應(yīng)堆、熱力終端用戶、能源管理和配送者以及管網(wǎng)運營商在內(nèi)的干系人之間的整合程度取決于熱電聯(lián)產(chǎn)針對的細(xì)分市場。

第十，需要為混合能源系統(tǒng)建立創(chuàng)新的商業(yè)模式，以實現(xiàn)大規(guī)模融資并建立相應(yīng)的商業(yè)架構(gòu)，確保內(nèi)部能源調(diào)度決策能夠使整個系統(tǒng)而不是單個子系統(tǒng)的利潤最大化。

5 建議

報告為推進核能熱電聯(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。目前各國通常僅制定電力行業(yè)脫碳路線圖。

第二，政府應(yīng)認(rèn)識到核能熱電聯(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，以推進核能海水淡化項目。涉及能源和水資源規(guī)劃的機構(gòu)應(yīng)當(dāng)共同努力，為核能海水淡化項目提供創(chuàng)新的融資和商業(yè)模式。

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

第五，應(yīng)進一步加深對核能熱電聯(lián)產(chǎn)潛力的認(rèn)識，開展利用核能熱電聯(lián)產(chǎn)推進核能與可再生能源整合的研究，包括開展全生命周期評價。