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(jì)中葉起到現(xiàn)在，人們都在嚴(yán)肅地談?wù)撝懊撎肌钡膯栴}。也許現(xiàn)在是時(shí)候，以一種與“真相”和解、以一種向前推進(jìn)的方式，而不是以往“喊口號(hào)”的形式，或是各自為陣、相互攻擊的姿態(tài)，來嚴(yán)肅地談?wù)労穗妴栴}。如果核電在能源系統(tǒng)中占據(jù)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(shè)的經(jīng)濟(jì)性、建成的及時(shí)性以及投資的準(zhǔn)確性？對(duì)于核能領(lǐng)域新技術(shù)發(fā)展的假設(shè)是什么？對(duì)于核廢料的長(zhǎng)遠(yuǎn)計(jì)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(zhǎng)的能源需求？不僅是目前的居民用電需求，還有電氣化運(yùn)輸、供暖和工業(yè)所需的電力。就在今年早些時(shí)候，由美國(guó)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(shù)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(shù)？從目前來看都未可知。也正因如此，我們需要認(rèn)真考慮核電的出路問題。無論你是終身反核運(yùn)動(dòng)者，還是新科技的狂熱粉絲。面臨的挑戰(zhàn)首當(dāng)其沖，是如何應(yīng)對(duì)“脫碳”挑戰(zhàn)。正如政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)去年10月的報(bào)告表明，要使全球“脫碳”經(jīng)濟(jì)保持在與巴黎協(xié)定中“2攝氏度”的目標(biāo)運(yùn)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(biāo)設(shè)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(lǐng)域的碳排放量增長(zhǎng)了40%以上。電力領(lǐng)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(gè)十年末的碳減排計(jì)劃，都需要以電力領(lǐng)域的“脫碳”為中心陣地。因?yàn)槠洳粌H是最大的排放源，而且也是最適合運(yùn)用市場(chǎng)手段來解決問題的領(lǐng)域。2018年，全球電力領(lǐng)域的總發(fā)電量超過26000太瓦時(shí)。根據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)（BloombergNEF）的數(shù)據(jù)，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(chǔ)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(xiàn)者是水電，占比16%；風(fēng)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?jī)H為7%，但對(duì)于全球的風(fēng)電和太陽能發(fā)電來說，已經(jīng)是一項(xiàng)非凡的成就——從世紀(jì)之交開始受到關(guān)注，這些新能源發(fā)電技術(shù)克服了巨大的初始成本劣勢(shì)，并推動(dòng)了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和市場(chǎng)結(jié)構(gòu)的全面改革。但是反過來想想，近20年的非凡增長(zhǎng)，以及近3萬億美元的投資，風(fēng)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(dāng)我們談到2030年全球能源系統(tǒng)“脫碳”目標(biāo)時(shí)，風(fēng)電和太陽能發(fā)電可能還并不是一個(gè)特別令人信服的“跳板”。因此，在經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)達(dá)到一定水平的前提下，如果計(jì)劃在電力行業(yè)依靠新能源發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)20%或45%的碳減排目標(biāo)，那么在未來十年中，風(fēng)電和太陽能發(fā)電需要增加2至4倍的產(chǎn)能，也就是過去20年產(chǎn)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(xiàn)有的技術(shù)，雖然我們有望達(dá)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(dá)不到這一區(qū)間的上限?！闭缥覀兯吹降模F(xiàn)實(shí)情況總是與想象脫節(jié)。因?yàn)殡娏︻I(lǐng)域的碳排放只占整個(gè)能源系統(tǒng)排放的42%，而在供暖、運(yùn)輸和工業(yè)領(lǐng)域，碳減排的路徑也是依賴于電力領(lǐng)域來實(shí)現(xiàn)，無論是直接的、還是通過碳捕獲和儲(chǔ)存(CCS)技術(shù)，抑或是通過某種形式的電氣化來實(shí)現(xiàn)。如果將整個(gè)能源系統(tǒng)20%~45%的脫碳目標(biāo)全部轉(zhuǎn)化為電力領(lǐng)域的目標(biāo)，也就意味著在2030年之前，電力領(lǐng)域需要實(shí)現(xiàn)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(yùn)行軌道中。這也意味著要再建造10~15倍于目前風(fēng)力和太陽能發(fā)電的裝機(jī)容量。當(dāng)然，我們不能忽視能源效率的提高，正如國(guó)際能源署(IEA)剛剛成立了能源效率緊急行動(dòng)全球委員會(huì)。盡管我們可以假設(shè)，在未來十年里，全球經(jīng)濟(jì)將保持平穩(wěn)發(fā)展，能源強(qiáng)度將減少四分之一，但是從目前的情況來看，在任何主要經(jīng)濟(jì)體實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展時(shí)期，我們所期待的上述的改善速度還從未出現(xiàn)過。所以，我們可能仍需要寄希望于5~10倍于現(xiàn)有產(chǎn)能的累積，但事實(shí)上，風(fēng)電和太陽能發(fā)電如此迅猛的增速，極有可能會(huì)伴隨著未來一定程度上的產(chǎn)能削減。核電再審視2018年，EON在巴伐利亞的Isar-2核電站生產(chǎn)了11.5太瓦時(shí)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(tái)風(fēng)電機(jī)組在2018年生產(chǎn)了13.9太瓦時(shí)電能。也就是說，一臺(tái)核電機(jī)組的“零碳”發(fā)電量是丹麥所有風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量的83%。如果Isar-2的運(yùn)行壽命能夠安全運(yùn)行至60年，也就是延續(xù)到2048年，它將持續(xù)生產(chǎn)大量的“零碳”電力，但可惜的是，它將于2022年關(guān)閉。2018年，可再生能源為德國(guó)電力消費(fèi)者提供了36%的電能需求，同樣，可再生能源也滿足了英國(guó)34%的電力需求。英國(guó)在增加可再生能源電力供給的同時(shí)，還維持了其核電的發(fā)電能力，使其二氧化碳排放強(qiáng)度削減一半至222gCO2/kWh，但德國(guó)選擇關(guān)閉其核電站，使其二氧化碳排放強(qiáng)度達(dá)到490gCO2/kWh，是英國(guó)碳排放強(qiáng)度的兩倍多。盡管德國(guó)關(guān)閉了大部分燃煤發(fā)電廠，但到目前為止，德國(guó)電力系統(tǒng)的碳排放強(qiáng)度仍然會(huì)超過300gCO2/kWh。在法國(guó)的電力系統(tǒng)中，72%的電量依賴核能，眾所周知，該國(guó)的碳排放強(qiáng)度低于100gCO2/kWh。按照去年煤炭委員會(huì)的提議，直到2038年德國(guó)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(shí)，德國(guó)并沒有顯示出意愿恢復(fù)其已經(jīng)關(guān)閉的核電站。這將導(dǎo)致一場(chǎng)氣候“悲劇”，正如德國(guó)的反核活動(dòng)人士也將與化石燃料促進(jìn)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(guó)其余7座核電站將無法被“挽救”，但其他國(guó)家并沒有效仿德國(guó)的做法——關(guān)閉現(xiàn)有高性能、安全的核電站。目前人們更為關(guān)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(shù)之一。2016年的一項(xiàng)研究表明，在每太瓦時(shí)燃煤發(fā)電的過程中，約導(dǎo)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(shù)是太陽能發(fā)電、風(fēng)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(jù)還有核電的經(jīng)濟(jì)性。如果單就這一點(diǎn)來說，理由成立的條件并不針對(duì)所有的核電機(jī)組。據(jù)美國(guó)核能研究所估算表明，2018年美國(guó)現(xiàn)有核電機(jī)組的平均電力成本僅為每兆瓦時(shí)33.50美元。國(guó)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(bào)告，其中提到，即使在現(xiàn)有成本中加上每十年一次的深度安全評(píng)估和必要的升級(jí)改造，由此產(chǎn)生的額外成本折合入電力成本也僅為每兆瓦時(shí)40~55美元。很簡(jiǎn)單，對(duì)于大量的可調(diào)零碳電力來說，核電仍然是具有強(qiáng)大經(jīng)濟(jì)性的。關(guān)于核電站退役世界上現(xiàn)有的452座核電站都將面臨退役的“潛在職責(zé)”。正如英國(guó)政府估計(jì)，在未來120年內(nèi)，該國(guó)將花費(fèi)2340億英鎊(約2970億美元)，用于拆除17座舊核電站及核反應(yīng)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(diǎn)。如果排除塞拉菲爾德（Sellafield），剩余其他站點(diǎn)的退役清理費(fèi)用為298億英鎊。同樣，德國(guó)提供了380億歐元用于17座核反應(yīng)堆的退役，折合每個(gè)反應(yīng)堆22億歐元，這一數(shù)字與英國(guó)的估算類似。然而，法國(guó)預(yù)估其退役費(fèi)用卻降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，僅為每吉瓦3億歐元，法國(guó)電力公司（EDF）僅提供了230億歐元用于其58個(gè)現(xiàn)有反應(yīng)堆的退役，但業(yè)內(nèi)認(rèn)為這一數(shù)字并不可信。最后，我們必須談?wù)労藦U料。在一個(gè)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(yàn)、食品處理和其他用途所產(chǎn)生的核廢料，每年約有3.4萬立方米的高等級(jí)核廢料產(chǎn)生，如果等量化估算，它可以被裝進(jìn)一個(gè)足球場(chǎng)面積的兩層樓建筑物中。近50年來，高等級(jí)核廢料均被安置在內(nèi)華達(dá)州的特斯拉吉加弗多利核廢料工廠中。顯然，將放射性物質(zhì)的半衰期留給子孫后代來管理，似乎并不明智。切勿將現(xiàn)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(xiàn)有核電廠的正常運(yùn)行，并盡量延長(zhǎng)它們的壽命。顯然，從邏輯上說，維持現(xiàn)有核電站應(yīng)該是一個(gè)很好的想法，絕對(duì)優(yōu)于以同樣的技術(shù)再新建一座核電站。在2014年時(shí)，核電曾信心滿滿的規(guī)劃了一條“復(fù)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(jī)組，最初投資預(yù)算為115億美元，計(jì)劃于2017年投入運(yùn)營(yíng)，但直到投資達(dá)到90億美元，仍未完成總工程量的一半，最終該項(xiàng)目被放棄建設(shè)。位于格魯吉亞的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組也計(jì)劃在2017年開始運(yùn)營(yíng)，預(yù)計(jì)成本為147億美元。但截止到發(fā)稿前，其預(yù)定的調(diào)試日期改為2022年，預(yù)計(jì)總投資將超過270億美元。這兩個(gè)項(xiàng)目的失敗引發(fā)了西屋電氣公司的破產(chǎn)，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(xiàng)目，總投資成本為35億美元，但從目前情況看來，已經(jīng)花費(fèi)了大約100億美元，直到在2020年才能投入運(yùn)行。位于EDF公司附近的Flamanville核電站最初計(jì)劃成本投入為38億美元，在2012年完工。但這些計(jì)劃完全被反應(yīng)堆容器故障所打亂，從而也導(dǎo)致了成本上升至126億美元，運(yùn)行時(shí)間推遲到今年年內(nèi)。就在上個(gè)月，法國(guó)核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)拒絕了EDF關(guān)于先投運(yùn)、后修復(fù)故障的要求。這也就意味著，作為EDF的旗艦項(xiàng)目，將很難實(shí)現(xiàn)在2022年底前投運(yùn)的目標(biāo)，同時(shí)，其最終成本仍然是個(gè)未知數(shù)。在英國(guó)，欣克利C項(xiàng)目曾被EDF的前首席執(zhí)行官承諾，到2007年被作為英國(guó)的“圣誕禮物”投運(yùn)，但現(xiàn)在看來像至少在2027年才能投入運(yùn)行。當(dāng)時(shí)，英國(guó)人曾被承諾，將從2012年開始的35年內(nèi)，以每兆瓦時(shí)92.50英鎊的價(jià)格享受該電站的電力，但是從目前看來，這個(gè)價(jià)格至少要抬升至106.40英鎊(134美元)每兆瓦時(shí)。同時(shí)，英國(guó)財(cái)政部還為高達(dá)170億英鎊的建設(shè)投資提供了貸款擔(dān)保。雖然容量為3.2吉瓦的欣克利C項(xiàng)目總投資“僅為”203億英鎊（257億美元），但在其35年保證價(jià)格期間生產(chǎn)的電力總成本將超過1000億英鎊（1260億美元）。英國(guó)國(guó)家審計(jì)署估算，該項(xiàng)目的補(bǔ)貼成本將低于300億英鎊（380億美元）?；蛟S將會(huì)有人質(zhì)疑，如果有這300億英鎊的補(bǔ)貼，可以為英國(guó)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(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，以及所需的互聯(lián)線路，并向全英國(guó)提供3.2吉瓦的可調(diào)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(chǔ)存技術(shù)；抑或是在北非建造3.2吉瓦的可調(diào)度太陽能發(fā)電，配有海底高壓直流電纜送至英國(guó)。生態(tài)主義者則更熱衷于討論法國(guó)“零碳”核電為用戶提供的經(jīng)濟(jì)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(xiàn)在的問題是，法國(guó)政府將以何種方式來救助法國(guó)電力公司。這也是繼2016年，法國(guó)政府介入法國(guó)核電技術(shù)旗艦公司Areva（現(xiàn)為Framatome公司)破產(chǎn)及資本重組的又一案例。還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，可再生能源推高了電力價(jià)格，并以德國(guó)為論據(jù)來印證其觀點(diǎn)。但德國(guó)的現(xiàn)狀是具有獨(dú)特性的，并且德國(guó)在能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展中也走了“彎路”，正如德國(guó)關(guān)閉了其現(xiàn)有的核電站，失去了所有具有經(jīng)濟(jì)性的電源，這也是該國(guó)為其成為可再生能源先驅(qū)所付出的過多代價(jià)。同時(shí)，德國(guó)還將能源公司的全部電力成本疏導(dǎo)給了零售電力消費(fèi)者——通過新增社會(huì)稅收來補(bǔ)充公用事業(yè)賬單。但反過來看，在過去六年里，隨著德國(guó)可再生能源普及率持續(xù)提升，其零售電價(jià)已經(jīng)開始回落。亞洲的核電又是何種情況？幾年前，韓國(guó)以低于Areva公司競(jìng)標(biāo)價(jià)格近半的優(yōu)勢(shì)贏得了阿聯(lián)酋5.5吉瓦Barakah項(xiàng)目的建設(shè)權(quán)，該合同價(jià)格為186億美元。此后，韓國(guó)一直被認(rèn)為是核能“復(fù)興”的典范。但隨后發(fā)現(xiàn)，該國(guó)的旗艦產(chǎn)品APR1400之所以如此具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，是源于其安全特性的權(quán)重配比過輕，且依賴于未經(jīng)認(rèn)證的零部件。在近期新建的10座核電站中，有8座位于中國(guó)。即便是這樣的建設(shè)速度，該國(guó)的供應(yīng)鏈依舊顯示出了與建設(shè)速度相當(dāng)?shù)墓芾砑肮?yīng)能力。同時(shí)，該國(guó)剛剛?cè)∠藶槠谌甑男陆ê穗姷脑S可禁令。最近，該國(guó)完成了世界上第一座歐洲加壓反應(yīng)堆(EPR)——泰神的投產(chǎn)任務(wù)，該項(xiàng)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(jī)僅為7.5吉瓦。目前正在建設(shè)的核電站僅有54座，接近10年來的最低水平。小型核反應(yīng)堆更應(yīng)受到關(guān)注雖然，目前一代的大規(guī)模、集中核電技術(shù)新建核電站，已經(jīng)被測(cè)試到在經(jīng)濟(jì)性上的欠缺，但小型核反應(yīng)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(guó)就有50多個(gè)SMR項(xiàng)目正在籌備。或許，現(xiàn)在是時(shí)候把資源聚焦于最具潛力的前6個(gè)項(xiàng)目上，快速推進(jìn)它們的建設(shè)許可。盡管每種設(shè)計(jì)都可能需要數(shù)十億美元才能完成系列化生產(chǎn)。但只有投入，才能驗(yàn)證其是否能兌現(xiàn)我們對(duì)于未來能源系統(tǒng)的希望。SMRs的建設(shè)制造，可以提供更具經(jīng)濟(jì)性的低成本電力(45美元/兆瓦時(shí))；同時(shí)他們的安全性可以大大提高，并且一個(gè)小型反應(yīng)堆的裝載能力很有可能優(yōu)于目前單個(gè)大型核電站。盡管小型反應(yīng)堆具有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)，但將SMRs推向市場(chǎng)的進(jìn)展依然緩慢。在西方世界，一項(xiàng)采用加壓水設(shè)計(jì)，可提供60兆瓦電力或200兆瓦熱輸出的NuScale項(xiàng)目，在技術(shù)層面仍在接受美國(guó)核能管理委員會(huì)的設(shè)計(jì)認(rèn)證審查，美國(guó)正在進(jìn)展的一些實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目，也將初投產(chǎn)計(jì)劃設(shè)定在2020年左右。目前，加拿大擁有19座在運(yùn)核電站，以及一條基于國(guó)內(nèi)“坎杜（Candu）”加壓重水設(shè)計(jì)的核供應(yīng)鏈。2017年11月，該國(guó)陸地能源公司（TerrestrialEnergy）的整體熔鹽反應(yīng)堆（設(shè)計(jì)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(huì)監(jiān)管許可預(yù)審查的第一階段工作。該公司也同樣致力于在2020年