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全球能源急转弯,核电向左还向右?

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全球能源向绿电加快转型的阵痛2021年初见端倪。2月,美国德州经历百年一遇的暴雪严寒天气,供电系统出现大面积瘫痪,期间风力涡轮机和太阳能电池板被冻结无法出力。9月末,我国东北多地区由于“风力骤减”等原因,电力供应缺口达到严重级,多地拉闸限电。

全球能源急转弯,核电向左还向右?

 

一、全球能源转型阵痛初现

 

全球能源向绿电加快转型的阵痛2021年初见端倪。2月,美国德州经历百年一遇的暴雪严寒天气,供电系统出现大面积瘫痪,期间风力涡轮机和太阳能电池板被冻结无法出力。9月末,我国东北多地区由于“风力骤减”等原因,电力供应缺口达到严重级,多地拉闸限电。同一时期,欧洲遭遇十几年来罕见的能源危机,天然气价格几周内成倍飙升、石油一桶难求、电力供应紧张,电价不断上调。

 

这些反常现象背后都有一个共同的原因,那就是近年来在全球主要地区和国家以风电光伏为主的可再生能源装机量和发电量占比大幅提升,而风光发电靠天吃饭,遇到不利天气,“不是你想来,想来就能来”。因此,很多人不禁产生疑惑:“煤电逐步被取代,风光正盛也无奈,核电缘何不加快呢?”这的确是一个值得深究的好问题。

 

二、全球核电发展进入瓶颈期

 

1942年,全球第一台核反应堆“芝加哥一号堆”诞生,标志着人类从此进入核能时代。在世纪之交,核电和火电、水电一道一度成为世界三大电力供应支柱。但近20年来,全球核电无论装机量还是发电量基本处于原地踏步状态,随着全球电力消费量的不断提升,核电发电量占全球发电量比重出现持续小幅下滑。

 

1970-2020年全球核电发电量

图源:《世界核能性能报告》(2021)

 

三、四座大山限制核电产业规模化发展

 

核电不进则退局面的产生最重要的诱因是2011年日本福岛核泄漏事故,此后,有核国家的核电产业发展政策迅速保守化甚至出现倒退。中国国内核电工业足足坐了八年冷板凳(只在2015年底批复建设防城港“华龙一号”三代堆示范机组和扩建田湾核电站,2019年建设重启),而德国、比利时、瑞士、西班牙等国则先后明确提出将逐步淘汰核电。全球核电产业20年来仍未走出瓶颈期,因其背负着“四座大山”。

 

01、核安全问题

 

历史上共发生过三次高级别核事故(苏联切尔诺贝利、美国三里岛、日本福岛),十年前福岛事故的“全球直播”更是导致很多民众恐慌情绪加剧,政府议会“谈核色变”。

 

02、核废料处置问题

 

核废料放射性强烈且持久,处理成本高难度大,一直是核工业发展需面对和解决的难题之一。

 

03、建设成本高、周期长

 

尽管核电全生命周期经济性可观,但投资额和门槛过高(建造成本占全周期成本5-7成,二代机组单位造价是火电3倍,三代堆采用更高性能、更多安全冗余装备,造价比二代堆还高4成),工期动辄5-8年(国外8-10年,总造价比中国高50-100%),项目盈亏平衡点过远。

 

04、地缘政治因素

 

无核国家投资开发天然铀核反应堆,过程中可能掌握产业链上游的铀浓缩技术,若将其应用于核武器制造,将对地缘政治甚至全球政治格局产生巨大且深远影响,这也是国际核不扩散条约明确反对的。截至2021年10月,全球拥有在运或在建核电站的国家只有33个国家,可见无论是普通国家自主研发核电技术,还是核工业发达国家向无核国家转移核电技术的可行性都很低。

 

这“四座大山”任何一个都足够致命,更何况现实情况是四重压迫叠加,可见绝大多数国家推进核电站项目的投资和建设都将遇到巨大阻力和重重困难。

 

四、新一代核电技术将成为游戏规则改变者

 

全球核电技术演化发展至今可划分为四代。第一代为实验性核电技术,机组已全部退役;第二代以压水堆/沸水堆为主,标准化、批量化建设的商用反应堆,在全球在运机组中仍是主力;第三代是安全性更高的核电技术和装备,如中国华龙一号、法国ERP1000、美国AP1000;第四代以本质安全和具备大规模建设可行性为主要特征,目前包括气冷快堆、铅冷快堆、钠冷快堆、熔盐反应堆、超临界水冷堆和超高温气冷堆六大技术路径。我国在众多技术路线目前已处于全球领跑者地位。

 

01、高温气冷堆

 

高温气冷堆以氦气作冷却剂,以石墨作慢化剂,具有固有安全性强、系统简单、小型模块化、发电发热效率高、用途广泛和选址灵活等独特优势,在经济性上具有潜在竞争力,也被认为是最适合用于制氢的堆形。2021年9月12日,华能石岛湾全球首座球床模块式高温气冷堆成功临界。中国已在商业化上迈出了坚实的第一步。

 

华能石岛湾核电站高温气冷堆核图源:中国华能

 

02、钍基熔盐堆

 

钍基熔盐堆技术熔盐堆(TMSR)是唯一使用液态核燃料的核反应堆,使用更加安全廉价的钍-232裂变发电,具有高温输出、常压工作、无水冷却、核废料少(传统核电站的千分之一)和本征防扩散(不使用能够制造核武器的原料或工艺)等特点,是 “四代堆”的热门候选堆型。2021年9月,我国甘肃钍基熔盐堆启动试运行,成为全球首个商业化试运行的钍反应堆项目。

 

中国自主研发的钍基熔盐堆图源:中科院

 

由此可见,以高温气冷堆和钍基熔盐堆为代表的第四代堆型有望一并解决制约核电在全球大规模发展的四大难题。不仅如此,第四代核电技术在海水淡化、供暖制冷、工业蒸汽、规模制氢、冶炼、煤液化、稠油热采等诸多高耗能工业领域可实现核能综合利用,产生巨大的经济效益和社会效益。相关技术、装备和施工工艺,假以时日将逐渐成熟可靠,如果先期试运行的商业化机组能保持长期安全稳定运行,我们有理由相信,具有更高本质安全性以及经济和社会综合收益的第四代反应堆,其建设和应用在世界各地的接受度将大幅提高,届时核能在全球能源转型进程中将发挥更大作用。

 

五、对全球核电发展前景的预测

 

01、权威机构预测

 

2020年至今,国际能源署(IEA)等国际权威组织、BP等国际石油公司、彭博新能源财经等能源咨询机构相继发布了最新的全球能源展望报告。尽管不同报告数据差异存在较大差异,但却有两大普通共识,一是在2040/2050年全球能源消费结构中,非水可再生能源(风光为主)比重将在2019年11%基础上实现成倍的提升(BP2050碳中和情景下的预测值为59%);二是未来20-30年,核电比重将维持在5%-7%,基本保持不变。

 

02、正略咨询观点

 

(1)全球能源转型中核能价值被低估

 

未来二三十年,全球风光为主的可再生能源将迅猛发展,但由于“靠天吃饭”,风光能源难以独立成为稳定的基荷能源,需大力发展配套储能技术,才能解决其出力不稳定的问题。目前主流且综合成本最低的储能方式是抽水蓄能,其配套开发因受地理条件制约,无法普遍大规模应用。相较之下,核电是够能大规模替代火电的最为可靠的基荷电源类型。从世界范围来看,核电产业的发展态势和动力与其在全球能源转型中可发挥作用价值并不匹配。

 

(2)未来10年全球核电增量市场仍有限

 

从技术层面分析,第二代核电技术证明了核能发电技术的可行性和经济性,但其本质安全方面存在的缺陷仍不可忽视;第三代核技术安全性实现数量级的提升,经过20多年我技术积累和发展,才刚刚在中美法俄等核能大国陆续实现商业化运行,且当前造价仍仍居高不下,难以大规模复制推广;第四代反应堆技术,虽具有更好的安全性和经济性,但技术研发、装备制造和建设工艺的成熟仍需5年以上的培育和沉淀,而先期示范项目的安全性、稳定性和经济性仍需时间检验。

 

此外,近年来受全球地缘政治、西方民主政治和邻避效应等因素的制约,预计2030年之前,核电在全球范围内获得规模化发展的可能性微乎其微,而且发展将呈现不平衡的态势。目前,中国、印度和俄罗斯是全球发展核电积极的国家,未来10年亚洲将成为全球核电投资建设重要的增量市场,除中国和印度外,巴基斯坦、萨克斯坦、印度尼西亚等国家已明确支持核电发展。在全球其他地区,沙特阿拉伯、土耳其、阿根廷、捷克、波兰、南非等国,在能源转型压力和动力双重作用下,未来也有望在核电开发领域有更大动作和投入。

 

(3)第四代核电技术或将重构全球能源格局

 

以钍基熔盐堆、高温气冷堆为代表的第四代核反应堆技术,具有本质安全、核不扩散、选址灵活、核废料少、能源效率高、工业用途广等优点,可以一并推翻制约核电在全球范围内大规模推广应用的“四座大山”。随着第四代核电技术的日臻成熟、商业化示范项目被时间证明是安全经济可靠的、以及更新世代民众对核电及其安全性的认知度和接受度普遍提升,第四代反应堆核有望在2030-2040年迎来投资建设高峰,届时世界能源结构的演变动力将发生系统转变,人类未来能源格局可能被核能重塑。

 

五、后记人类能源革命和进步将永无止境

 

人类从学会钻木取火至今,从未停下探索和利用更高效能源的脚步,人类文明的演化和进步与新型能源的开发利用息息相关,每一次能源革命都会带来生产力的巨大提升。300年前,瓦特改良了蒸汽机,人类社会发生了由原始的生物质能和自然能量利用向燃煤产生的蒸汽动力转型的第一次能源革命。150年前,随着石油天然气的大规模开采和利用,人类社会发生了由燃煤蒸汽动力向煤炭、石油、天然气化石燃料转型的第二次能源革命,期间伴随着火力发电主导的大规模电力开发和利用。当下,以“绿电”为发展主线的第三次能源革命正在发生。促使历次能源革命发生的,是人类通过一段时期所积累的科技进步和突破,触发了对更大获取规模或更高能量密度能源进行商业化开发的临界值。

 

众所周知,可控核聚变被广泛认为是人类能源的终极解决方案。由中国自主研发的世界首个全超导托卡马克核聚变实验装置——东方超环(EAST),于2021年5月实现了可重复的1.2亿度101秒等离子体运行和1.6亿度20秒等离子体运行,相关研究进展和成果已远超欧美俄等发达国家,为人类掌握可控核聚变的历史树立了一座丰碑。

 

东方超环装置图片  图源:中科院合肥研究院等离子体所

 

历史进程和经验一次又一次地告诉我们,绝大多数的大趋所趋都我们比想象来的更快更猛烈。2011年至今仅10光景,我们见证了从智能手机的普及、5G的大规模商用到自动驾驶技术和元宇宙概念呼之欲出,从国际石油巨头“自废武功”强行切换新能源赛道到人类初步掌握可控核聚变技术,人类科学进步和技术应用正保持稳定的加速度一路向前狂奔。核能无论何时都将是一把双刃剑,但人类科学和技术水平正以前所未有的速度快速提高和成熟,我们有理由相信,在不久的未来,人类有能力找到核能和平高效利用的钥匙,同时掌握打开和控制潘多拉盒子的正确姿势。

 

最后,望能源顺利转型,愿世界永远和平!