核電在未來能源系統(tǒng)中的定位與發(fā)展

核電在未來能源系統(tǒng)中的定位與發(fā)展從本世紀中葉起到現在，人們都在嚴肅地談論著“脫碳”的問題。也許現在是時候，以一種與“真相”和解、以一種向前推進的方式，而不是以往“喊口號”的形式，或是各自為陣、相互攻擊的姿態(tài)，來嚴肅地談談核電問題。如果核電在能源系統(tǒng)中占據一席之地，那么它將在未來能源系統(tǒng)中扮演什么角色？將如何確保電站建設的經濟性、建成的及時性以及投資的準確性？對于核能領域新技術發(fā)展的假設是什么？對于核廢料的長遠計劃又是什么？如果核電徹底退出，那么將以何種電源滿足世界日益增長的能源需求？不僅是目前的居民用電需求，還有電氣化運輸、供暖和工業(yè)所需的電力。就在今年早些時候，由美國眾議員亞歷山大·奧卡西奧·科爾特斯(AlexandriaOcasioCortez)和參議員埃德·馬基(EdMarkey)共同提出，并由92名眾議員、12名參議員和數十名民主黨總統(tǒng)候選人共同發(fā)起的綠色新政中，并沒有提及核能發(fā)電。那么，核電究竟是維持或是退出？新建還是停滯？是否繼續(xù)投資于下一代核電技術？從目前來看都未可知。也正因如此，我們需要認真考慮核電的出路問題。無論你是終身反核運動者，還是新科技的狂熱粉絲。面臨的挑戰(zhàn)首當其沖，是如何應對“脫碳”挑戰(zhàn)。正如政府間氣候變化專門委員會(IPCC)去年10月的報告表明，要使全球“脫碳”經濟保持在與巴黎協(xié)定中“2攝氏度”的目標運行在一致的軌道上，到2030年全球必須減少20%的碳排放，而如果將目標設定在“1.5攝氏度”，則需要減少45%的碳排放。而在過去的18年里，全球能源領域的碳排放量增長了40%以上。電力領域是全球最大的碳排放源——占二氧化碳總排放量的42%，而且其中“逃逸甲烷”的占比可能更大。因此，到下一個十年末的碳減排計劃，都需要以電力領域的“脫碳”為中心陣地。因為其不僅是最大的排放源，而且也是最適合運用市場手段來解決問題的領域。2018年，全球電力領域的總發(fā)電量超過26000太瓦時。根據彭博新能源財經（BloombergNEF）的數據，核電在其中的占比約為10%；化石燃料占比63%，其中煤電是最大的基礎能源，占比37%；其次是天然氣，占比23%?？稍偕茉刺峁┝?6%的發(fā)電份額，其中最大的貢獻者是水電，占比16%；風能和太陽能發(fā)電分別占比4.8%和2.2%，僅占總發(fā)電量的7%。但值得一提的是，盡管占比總發(fā)電量僅為7%，但對于全球的風電和太陽能發(fā)電來說，已經是一項非凡的成就——從世紀之交開始受到關注，這些新能源發(fā)電技術克服了巨大的初始成本劣勢，并推動了技術標準和市場結構的全面改革。但是反過來想想，近20年的非凡增長，以及近3萬億美元的投資，風電和太陽能發(fā)電的發(fā)電量仍然只占比7%，僅僅滿足了3%的終端能源需求。所以，當我們談到2030年全球能源系統(tǒng)“脫碳”目標時，風電和太陽能發(fā)電可能還并不是一個特別令人信服的“跳板”。因此，在經濟增長達到一定水平的前提下，如果計劃在電力行業(yè)依靠新能源發(fā)電技術實現20%或45%的碳減排目標，那么在未來十年中，風電和太陽能發(fā)電需要增加2至4倍的產能，也就是過去20年產能總和的2至4倍。BNEF最近發(fā)布的“2019年新能源展望”(NewEnergyOutlook，2019)指出，“憑借現有的技術，雖然我們有望達到溫度控制區(qū)間的下限，但在目前的發(fā)展軌道上，我們極有可能達不到這一區(qū)間的上限?！闭缥覀兯吹降?，現實情況總是與想象脫節(jié)。因為電力領域的碳排放只占整個能源系統(tǒng)排放的42%，而在供暖、運輸和工業(yè)領域，碳減排的路徑也是依賴于電力領域來實現，無論是直接的、還是通過碳捕獲和儲存(CCS)技術，抑或是通過某種形式的電氣化來實現。如果將整個能源系統(tǒng)20%~45%的脫碳目標全部轉化為電力領域的目標，也就意味著在2030年之前，電力領域需要實現30%或90%的減排，才能分別保持在“2攝氏度”或“1.5攝氏度”的運行軌道中。這也意味著要再建造10~15倍于目前風力和太陽能發(fā)電的裝機容量。當然，我們不能忽視能源效率的提高，正如國際能源署(IEA)剛剛成立了能源效率緊急行動全球委員會。盡管我們可以假設，在未來十年里，全球經濟將保持平穩(wěn)發(fā)展，能源強度將減少四分之一，但是從目前的情況來看，在任何主要經濟體實現可持續(xù)發(fā)展時期，我們所期待的上述的改善速度還從未出現過。所以，我們可能仍需要寄希望于5~10倍于現有產能的累積，但事實上，風電和太陽能發(fā)電如此迅猛的增速，極有可能會伴隨著未來一定程度上的產能削減。核電再審視2018年，EON在巴伐利亞的Isar-2核電站生產了11.5太瓦時的電能。這座核電站始建于1988年，是世界上發(fā)電量第二大的核電站。相比之下，丹麥全境所有6100臺風電機組在2018年生產了13.9太瓦時電能。也就是說，一臺核電機組的“零碳”發(fā)電量是丹麥所有風電機組發(fā)電量的83%。如果Isar-2的運行壽命能夠安全運行至60年，也就是延續(xù)到2048年，它將持續(xù)生產大量的“零碳”電力，但可惜的是，它將于2022年關閉。2018年，可再生能源為德國電力消費者提供了36%的電能需求，同樣，可再生能源也滿足了英國34%的電力需求。英國在增加可再生能源電力供給的同時，還維持了其核電的發(fā)電能力，使其二氧化碳排放強度削減一半至222gCO2/kWh，但德國選擇關閉其核電站，使其二氧化碳排放強度達到490gCO2/kWh，是英國碳排放強度的兩倍多。盡管德國關閉了大部分燃煤發(fā)電廠，但到目前為止，德國電力系統(tǒng)的碳排放強度仍然會超過300gCO2/kWh。在法國的電力系統(tǒng)中，72%的電量依賴核能，眾所周知，該國的碳排放強度低于100gCO2/kWh。按照去年煤炭委員會的提議，直到2038年德國的煤電才能完全退出，這與“2攝氏度”的協(xié)定軌跡是不完全一致的。同時，德國并沒有顯示出意愿恢復其已經關閉的核電站。這將導致一場氣候“悲劇”，正如德國的反核活動人士也將與化石燃料促進者一樣，被歷史劃定在同一戰(zhàn)線之上。但更為重要的是，即便德國其余7座核電站將無法被“挽救”，但其他國家并沒有效仿德國的做法——關閉現有高性能、安全的核電站。目前人們更為關注的是核電的安全性。從客觀的角度來看，核電是目前最為安全的能源發(fā)電技術之一。2016年的一項研究表明，在每太瓦時燃煤發(fā)電的過程中，約導致224人死亡，其中包括采礦、道路事故、空氣和水污染，死亡人數是太陽能發(fā)電、風電和核能發(fā)電的2000多倍。除了安全性以外，民間反核人士的論據還有核電的經濟性。如果單就這一點來說，理由成立的條件并不針對所有的核電機組。據美國核能研究所估算表明，2018年美國現有核電機組的平均電力成本僅為每兆瓦時33.50美元。國際能源署（IEA）近期發(fā)表了一份題為《清潔能源系統(tǒng)中的核電》的報告，其中提到，即使在現有成本中加上每十年一次的深度安全評估和必要的升級改造，由此產生的額外成本折合入電力成本也僅為每兆瓦時40~55美元。很簡單，對于大量的可調零碳電力來說，核電仍然是具有強大經濟性的。關于核電站退役世界上現有的452座核電站都將面臨退役的“潛在職責”。正如英國政府估計，在未來120年內，該國將花費2340億英鎊(約2970億美元)，用于拆除17座舊核電站及核反應堆的清理工作。其中75%的站址都位于塞拉菲爾德（Sellafield），這是核能和核武器工業(yè)的重要聚集地點。如果排除塞拉菲爾德（Sellafield），剩余其他站點的退役清理費用為298億英鎊。同樣，德國提供了380億歐元用于17座核反應堆的退役，折合每個反應堆22億歐元，這一數字與英國的估算類似。然而，法國預估其退役費用卻降低了一個數量級，僅為每吉瓦3億歐元，法國電力公司（EDF）僅提供了230億歐元用于其58個現有反應堆的退役，但業(yè)內認為這一數字并不可信。最后，我們必須談談核廢料。在一個很容易被情緒化的問題面前，我們要保持正確的態(tài)度。全球核工業(yè)，包括醫(yī)療、工業(yè)試驗、食品處理和其他用途所產生的核廢料，每年約有3.4萬立方米的高等級核廢料產生，如果等量化估算，它可以被裝進一個足球場面積的兩層樓建筑物中。近50年來，高等級核廢料均被安置在內華達州的特斯拉吉加弗多利核廢料工廠中。顯然，將放射性物質的半衰期留給子孫后代來管理，似乎并不明智。切勿將現有核電站退役與新建核電站混為一談很明顯，要想保持“2攝氏度”、甚至是“1.5攝氏度”的能源發(fā)展軌跡，我們必須盡量維持現有核電廠的正常運行，并盡量延長它們的壽命。顯然，從邏輯上說，維持現有核電站應該是一個很好的想法，絕對優(yōu)于以同樣的技術再新建一座核電站。在2014年時，核電曾信心滿滿的規(guī)劃了一條“復興”之路，但由于福島核事故的余波未平，核電的發(fā)展走向了完全相反的道路——通過新建核電站來證明其安全可信賴程度。位于南卡羅萊納州的兩座新建西屋AP1000機組，最初投資預算為115億美元，計劃于2017年投入運營，但直到投資達到90億美元，仍未完成總工程量的一半，最終該項目被放棄建設。位于格魯吉亞的兩臺發(fā)電機組也計劃在2017年開始運營，預計成本為147億美元。但截止到發(fā)稿前，其預定的調試日期改為2022年，預計總投資將超過270億美元。這兩個項目的失敗引發(fā)了西屋電氣公司的破產，也幾乎使其所有者——東芝（Toshiba）公司瀕臨倒閉。同樣，在歐洲的情況也并不樂觀。EDF承諾在2010年前完成芬蘭的1.6吉瓦OlkiluotoEPR發(fā)電項目，總投資成本為35億美元，但從目前情況看來，已經花費了大約100億美元，直到在2020年才能投入運行。位于EDF公司附近的Flamanville核電站最初計劃成本投入為38億美元，在2012年完工。但這些計劃完全被反應堆容器故障所打亂，從而也導致了成本上升至126億美元，運行時間推遲到今年年內。就在上個月，法國核安全監(jiān)管機構拒絕了EDF關于先投運、后修復故障的要求。這也就意味著，作為EDF的旗艦項目，將很難實現在2022年底前投運的目標，同時，其最終成本仍然是個未知數。在英國，欣克利C項目曾被EDF的前首席執(zhí)行官承諾，到2007年被作為英國的“圣誕禮物”投運，但現在看來像至少在2027年才能投入運行。當時，英國人曾被承諾，將從2012年開始的35年內，以每兆瓦時92.50英鎊的價格享受該電站的電力，但是從目前看來，這個價格至少要抬升至106.40英鎊(134美元)每兆瓦時。同時，英國財政部還為高達170億英鎊的建設投資提供了貸款擔保。雖然容量為3.2吉瓦的欣克利C項目總投資“僅為”203億英鎊（257億美元），但在其35年保證價格期間生產的電力總成本將超過1000億英鎊（1260億美元）。英國國家審計署估算，該項目的補貼成本將低于300億英鎊（380億美元）?；蛟S將會有人質疑，如果有這300億英鎊的補貼，可以為英國的電力用戶提供3.2吉瓦的效率改善和能效提升；或者可以建造足夠的陸上或海上風力發(fā)電場，以及所需的互聯線路，并向全英國提供3.2吉瓦的可調度電力；甚至是3.2吉瓦的天然氣發(fā)電容量，配備碳捕獲和儲存技術；抑或是在北非建造3.2吉瓦的可調度太陽能發(fā)電，配有海底高壓直流電纜送至英國。生態(tài)主義者則更熱衷于討論法國“零碳”核電為用戶提供的經濟性電力。但是他們并沒有提到，EDF無法支撐起其面臨的巨大資金需求?，F在的問題是，法國政府將以何種方式來救助法國電力公司。這也是繼2016年，法國政府介入法國核電技術旗艦公司Areva（現為Framatome公司)破產及資本重組的又一案例。還有一種觀點認為，可再生能源推高了電力價格，并以德國為論據來印證其觀點。但德國的現狀是具有獨特性的，并且德國在能源結構的發(fā)展中也走了“彎路”，正如德國關閉了其現有的核電站，失去了所有具有經濟性的電源，這也是該國為其成為可再生能源先驅所付出的過多代價。同時，德國還將能源公司的全部電力成本疏導給了零售電力消費者——通過新增社會稅收來補充公用事業(yè)賬單。但反過來看，在過去六年里，隨著德國可再生能源普及率持續(xù)提升，其零售電價已經開始回落。亞洲的核電又是何種情況？幾年前，韓國以低于Areva公司競標價格近半的優(yōu)勢贏得了阿聯酋5.5吉瓦Barakah項目的建設權，該合同價格為186億美元。此后，韓國一直被認為是核能“復興”的典范。但隨后發(fā)現，該國的旗艦產品APR1400之所以如此具有價格優(yōu)勢，是源于其安全特性的權重配比過輕，且依賴于未經認證的零部件。在近期新建的10座核電站中，有8座位于中國。即便是這樣的建設速度，該國的供應鏈依舊顯示出了與建設速度相當的管理及供應能力。同時，該國剛剛取消了為期三年的新建核電的許可禁令。最近，該國完成了世界上第一座歐洲加壓反應堆(EPR)——泰神的投產任務，該項目總投資超過80億美元。在過去的五年中，全球平均新增核電裝機僅為7.5吉瓦。目前正在建設的核電站僅有54座，接近10年來的最低水平。小型核反應堆更應受到關注雖然，目前一代的大規(guī)模、集中核電技術新建核電站，已經被測試到在經濟性上的欠缺，但小型核反應堆(SMRs)看起來仍然很有希望。在2015年，智庫研究推出的“第三條路徑”(ThirdWay)中顯示，僅在美國就有50多個SMR項目正在籌備?；蛟S，現在是時候把資源聚焦于最具潛力的前6個項目上，快速推進它們的建設許可。盡管每種設計都可能需要數十億美元才能完成系列化生產。但只有投入，才能驗證其是否能兌現我們對于未來能源系統(tǒng)的希望。SMRs的建設制造，可以提供更具經濟性的低成本電力(45美元/兆瓦時)；同時他們的安全性可以大大提高，并且一個小型反應堆的裝載能力很有可能優(yōu)于目前單個大型核電站。盡管小型反應堆具有相當優(yōu)勢，但將SMRs推向市場的進展依然緩慢。在西方世界，一項采用加壓水設計，可提供60兆瓦電力或200兆瓦熱輸出的NuScale項目，在技術層面仍在接受美國核能管理委員會的設計認證審查，美國正在進展的一些實驗室項目，也將初投產計劃設定在2020年左右。目前，加拿大擁有19座在運核電站，以及一條基于國內“坎杜（Candu）”加壓重水設計的核供應鏈。2017年11月，該國陸地能源公司（TerrestrialEnergy）的整體熔鹽反應堆（設計用于提供400兆瓦的熱輸出或190兆瓦的電力輸出），完成了加拿大核安全委員會監(jiān)管許可預審查的第一階段工作。該公司也同樣致力于在2020年