核電與可再生能源未來的協調發展分析

韓梓豪 陳福冰 秦旭映

清華大學核能與新能源技術研究院

0 前言

全球氣候變化問題日益突出，CO2濃度增加被認為是導致氣候異常變化的原因之一[1]。如何實行綠色、環保、低碳的經濟發展戰略已成為全球范圍內的重要議題。中國是目前世界上碳排放量最大的國家之一[2-3]，作為一個有擔當的大國，中國在2015 年巴黎氣候大會上承諾在2030 年達到碳排放的峰值，積極推進國際氣候多邊談判。在2020 年第75屆聯合國大會期間，中國又再次提出要力爭在2030 年前達到峰值，并努力爭取在2060 年前實現碳中和，在國際社會上展現了大國擔當。

改革開放后，中國的經濟高速平穩增長，但環境保護和自然資源短缺問題也日益突出。為了滿足我國人民日益增長的美好生活需求、謀求人與自然的和諧共處，必須正確處理經濟發展和生態環境保護的關系。黨的十八大以來，生態文明建設被納入中國特色社會主義事業的總體布局，中國的生態環境治理走上了標本兼治的快速路，國務院先后發表了《關于加快推進生態文明建設的意見》《生態文明體制改革總體方案》等政策性文件[4]。黨的十九大強調，推進生態文明建設，應該順應世界綠色低碳的趨勢，通過能源和經濟的轉型，實現社會的綠色、低碳發展。

長期以來，火電一直是我國電力行業的主要發電形式；煤炭燃燒產生的大量CO2，是我國溫室氣體排放的重要來源。目前，電力行業的碳排放量占全國總排放量的40%左右。如前文所述，《巴黎協定》提出了“2030年實現碳排放峰值目標”，黨的十九大制定了生態文明建設發展路線、最終實現可持續發展的戰略,我國在2020 年聯合國發展大會上提出了碳排放最新目標，這對我國未來的能源、電力供應結構提出了新的要求。核電和可再生能源發電是兩類最主要的低碳發電技術，為適應中國的低碳化能源轉型，實現可再生能源發電和核電的較高比例將成為中國能源戰略的重要組成部分。因此，核電與可再生能源在未來電力系統中的協調發展具有重要的研究意義。

1 我國電力系統的現狀和趨勢

1.1 我國電力系統的現狀

我國近年來的全社會用電量如圖1 所示。2019 年，在宏觀經濟平穩增長、電能替代率加快等因素主導下，我國全社會用電量達到7．23 萬億kWh，同比增長3 093 億kWh，增長率為4．5%[5]。但是由于上一年度的高基數、天氣因素和傳統產業轉型等原因，全社會的用電增量有所減少、增速有所減緩。一方面，我國正在采取措施不斷提高能源利用效率，穩步實施各項節能措施；另一方面，電力行業正在加快建設電力市場化，抓住主要矛盾，實施降低用電成本、改革當前電力制度、調整能源結構等相關政策。在電力生產結構轉型和優化方面，扎實推進能源低碳化工作：水電建設穩步推進，新投產水電裝機容量達到417 萬kW；風電全年新增裝機容量達到2 574萬kW，有所增長；光伏發電上網，受平價上網政策等影響，新增光伏發電裝機容量達到2 681萬kW，有所下降；核電在穩步重啟中，開始批量建設華龍一號，全年共三個核電項目獲準開工，新增核電裝機容量為409萬kW。

在上述背景下，新能源逐漸進入新的發展時期，具體表現為：核電、風電、光伏發電等清潔能源發電量增速較快，消納水平不斷提高。2019 年，全國全口徑發電量、清潔能源發電量分別為7．33 萬億kWh 和2．39 萬億kWh，同比增長分別為4．7%和10．4%。其中，核電發電量為3 487 億kWh，同比增長8．6%；風電發電量為4 057 億kWh，同比增長10．9%；光伏發電量為2 238 億kWh，同比增長26．5%[6]。可以看出，清潔能源發電量增速遠遠高于全國發電量增速。清潔能源發電量占比達到了32．6%，比2018 年提高1．7 個百分點。同時，風電、光伏發電等積極推進平價上網，清潔能源消納保障機制、儲能調峰設施規劃等不斷完善，全年全國的水電、風電、光伏發電等可再生能源發電的平均利用率大幅提升，分別達到97%、96%和98%。

圖1 我國近年來全社會用電量[6]

1.2 我國電力需求的發展預測

根據最近的研究和預測：未來我國的電力需求呈現增長趨勢，而增速則有所放緩。2035 年，我國全社會用電量將達到10．3 萬億～11 萬億kWh，人均用電量為7 500～8 000 kWh；2050 年，全國的電力消費將達到最高值，全社會用電量將達到10．6 萬億～11．3 萬億kWh，人均用電量為8 500～9 000 kWh[7]（見圖1）。

我國電力供應體系將持續優化，在裝機容量方面，預計煤電裝機容量逐步下降；氣電裝機容量不斷增長，迎來新的發展機遇；水電裝機容量增速下降，但仍將平穩增長；風電、光伏發電等可再生能源的規模將快速增大，發展迅速。因此，核電、風電和光伏發電等清潔能源的裝機量將快速增長，替代傳統火電的趨勢明顯。預計2035 年，清潔能源裝機容量為20．2 億kW，較2017 年新增12．5 億kW，占新增裝機容量的78%；2050 年，清潔能源裝機容量達到33．9 億kW，較2017 年新增26．2 億kW，占新增裝機容量的91%。

由于經濟發展、電能替代增加等原因，我國的全社會發電量將持續增加，其中清潔能源的發電比例也將增加。預計2020-2035 年，年均發電量增速為5．7%，到2035 年，我國全社會發電量將達到10．5 萬億kWh；2035-2050 年，年均發電量增速放緩至大約0．3%，到2050年，我國全社會發電量將達到11萬億kWh。屆時，清潔能源發電將占據主導地位，清潔能源發電比例將由現在的30%提升到75%，煤電的發電比例將由現在的64%降低到15%。因此，未來煤電發電量將逐漸下降，煤電主要起到輔助調峰調頻的作用；水電發電量呈小幅平穩增長的趨勢；而風電、核電、光伏發電將成為未來新增電量的主要貢獻力量。

1.3 可再生能源系統的轉型路徑

通過對文獻的回顧、對中國能源可持續發展政策的分析，可總結得到2016-2050 年間中國可再生能源的轉型路徑[8]，具體分析如下。

2020年以前，由于氣候變化、環境污染、資源短缺等問題的日趨嚴重，綠色、低碳的經濟發展戰略成為國際討論焦點，政府開始重視經濟與生態環境的協調發展。雖然煤炭消費仍占據主導地位，但是溫室氣體排放更低、污染更少的可再生能源會被優先選擇。

2020-2030 年，可再生能源快速發展。政府政策上，一方面實施“藍天保衛戰”“煤改氣”等節能減排政策來限制煤炭消費，另一方面，對可再生能源進行補貼政策，開展制度改革（平價上網），支持可再生能源的發展。基礎設施上，我國將加強輸電基礎設施建設與電網的整合，形成規模效應。國民個人的綠色觀念也逐漸加強，對環保越來越重視與支持。

2030-2040 年，煤炭消費量持續降低，石油、天然氣消費量在達到最高值后開始回落，可再生能源進一步發展，逐步取代化石能源的主導地位。可再生能源應用的基礎設施建設逐漸完成，顯現出規模經濟效應。

2040-2050年，隨著環境改善、資源緊張問題的緩解，可再生能源將最終取代化石能源在能源結構中的主導地位，可再生能源消費量將占到能源總消費量的60%。

2 核電、可再生能源在我國電力系統中的地位

目前的全球能源結構中，化石能源占主導地位。因而，經濟高速發展、能源消費迅速增長的同時，化石能源的消費量也占據著能源消費總量的很高比例。但是，由于化石能源儲量有限、環境污染等原因，這種能源結構明顯不可持續。已有的研究提出了多種方案來解決化石能源消費帶來的問題，包括能源消費結構的轉型、節能減排、改進化石能源利用技術等。但是，節能減排和改進化石能源利用技術兩種方案并不能徹底解決化石能源消費所帶來的環境污染和溫室氣體排放問題；相比而言，推進能源結構轉型是更好的方案。目前的情況是：以風電、光伏發電等可再生能源和核電為主的能源消費結構比傳統能源結構更具可持續性，因而，我國的電力系統未來會處于核電和高比例可再生能源共存的狀態。

2.1 可再生能源在我國電力系統中的地位

近年來，我國發展可再生能源方面取得重大成就。“十二五”期間，我國加大能源結構改革力度，轉變能源發展方式，風電、光伏發電等可再生能源迅速發展，超越美國，成為世界上可再生能源裝機規模最大的國家。可再生能源的發展會產生綜合效應，對我國的經濟、能源結構的調整和環境保護等方面都會有積極的影響[9]。第一，可再生能源的發展會促進經濟結構的調整，帶動相關產業迅速發展，在可再生能源設備的制造、市場應用、技術改進等領域發揮促進作用。作為戰略新興產業，目前可再生能源產業提供了超過300 萬個就業崗位，超過石油產業。第二，可再生能源的發展具有優化國家能源結構的優勢，如風電、核電和光伏發電等可再生能源具有替代煤炭發電的趨勢，可以滿足國家對能源的需求。第三，可再生能源的發展有利于環境保護，助推我國的生態文明建設。第四，我國逐步推行節能減排措施，有利于國際形象的提升。

在資源稟賦方面，我國可再生能源發展潛力巨大。我國西部有著豐富的風電、光伏發電資源，西南部有大量水電資源。據測算，全國光伏發電資源潛力可達到45 億kW，僅西部地區的風電資源潛力在2．1億kW 以上。從市場潛力上看，國家發展和改革委員會能源研究所在《中國2050 高比例可再生能源發展情景暨路徑研究》報告中提出，按照我國生態文明要求制定的2030 年能源革命戰略和2050年遠景目標預測，可再生能源將分別占一次能源消費比重的23%和60%以上。可見風電、光伏發電等可再生能源具有很大的發展潛力，未來將會超過化石能源，成為我國能源結構中的主導能源。

但是，目前高比例可再生能源的發展同樣存在著一些問題。經濟合作與發展組織（OECD）的核能署（NEA）研究指出：盡管可再生能源的發展近年來得到了民眾和政府的支持，但是風電和光伏發電的發電成本仍比較高；風電、光伏發電等可再生能源發電的系統成本高度依賴當地條件以及電力系統的結構；由于風電、光伏發電內在的可變性以及不可預測性，導致整個系統的成本上升，超過核電站發電成本的總和。風電、光伏發電易受季風、天氣等外界環境因素的影響而出現穩定性、靈活性不足的問題。隨著可再生能源在電力系統中占比的逐步提升，發電側越來越難以預測的出力變化會對電力系統的運行安全產生很大的影響，也會對電力系統的調峰能力提出更高的要求。這會給其他參與調度的電廠帶來額外的負擔，即更多的啟動和關閉、更頻繁的循環和急劇變化的發電需求，從而導致發電效率降低、設備磨損增加和發電成本增高。

2.2 核電在我國電力能源系統中的地位

習近平總書記指出：“要堅持理性、協調、并進的核安全觀；核工業是高科技戰略產業，是國家安全重要基石。”核電發展不僅要側重于能源結構的轉型，更要適應經濟社會發展和能源戰略定位。中國是世界上少數幾個擁有完整核工業體系的國家之一，核電的發展有利于核工業大國重器的建設[10]。

核電的快速發展有利于能源結構轉型，充分發揮核電的技術特點，可以實現更高水平的綠色發展。核電在我國電力能源體系中的作用表現在以下幾個方面：1）核電作為清潔能源，可以作為化石能源的替代，成為我國能源供應體系的重要組成部分，有助于我國綠色低碳能源結構的轉型發展；2）我國核電的燃料鈾資源相當豐富，而且價格較為穩定，大力發展核電可有效滿足社會的能源需求，減少國家對石油、天然氣等進口能源的依賴，可以保障國家的能源安全，助推經濟的高速發展；3）核電的發展可提升我國核工業技術發展與裝備制造方面的能力，是支撐和發展我國核大國地位的重要基礎；4）核電是“一帶一路”能源領域的重要組成部分，與國家能源戰略高度契合，有利于提高我國核電技術競爭力。從能源、電力發展全局來看，核電中長期穩定發展對我國的能源結構轉型、保障能源安全與發展核工業體系起到重要作用。由于我國能源較匱乏，石油、天然氣資源大量依賴進口，煤炭結構性短缺問題突出，核電是保障國家能源安全的一個重要選擇。短期來看，核電發展可以替代部分化石能源，減少進口的需求量。中長期來看，以化石能源為主導的能源結構轉型是必然趨勢，新能源技術的發展決定一個國家的能源安全，推進核電發展也有必要性。

核電不易受外界環境影響，具有穩定性，而且發電成本也比可再生能源低，完全可以作為基礎負荷電廠。此外，核電有一定的靈活性，具有調峰功能，可參與高比例可再生能源的調峰工作，緩解高比例可再生能源發展帶來的問題，從而實現兩者的協調發展。核電占比較高的法國在2015 年通過《能源轉型法案》后，預計其電力結構將更加多樣化。2025 年以后，核電將占法國總發電量的50%，到2030 年，可再生能源發電將增加，占總發電量的40%[11]。這也說明核能與高比例可再生能源可以相互協調發展，具有較好的前景。

因此，在我國未來的能源結構體系中，核電、可再生能源將占據重要的位置。能源結構優化轉型的一個關鍵問題是如何解決核電、風、光與其他各種能源發電形式的資源優化與協調發展的問題。

3 核電與可再生能源未來協調發展的對策建議

在我國未來的電力系統中，核電與可再生能源將占據較高的比例；同時，核電和可再生能源有著各自地位、優勢和劣勢。本文就核電與可再生能源的未來協調發展提出以下對策和建議。

1）實現可再生能源激勵政策轉型

我國可再生能源的激勵政策大致分為五類[12]。這些政策主要通過財政補貼、配額分配、機制創新等方式引導可再生能源技術研發及項目建設，實現了可再生能源的快速發展。為了保證可再生能源繼續積極健康發展，減少對財政補貼的依賴，有必要對現有的激勵政策進行調整。其一是逐步減小國家財政對可再生能源的補貼力度。對發展成熟的可再生能源技術退坡上網電價補貼，直至實現平價上網。其二是適當引入競爭機制刺激可再生能源發展。對于仍然需要國家補貼的可再生能源項目實行競爭性招標。在項目考評過程中，標準可以多樣化，鼓勵多元發展，但是上網電價應該被視為重要指標。雖然目前的可再生能源發電成本還不能與傳統能源直接競爭，但是可以通過可再生能源之間的競爭實現技術進步。

2）建立新型能源評價體系

未來能源結構轉型需要考慮各種發電方式的溫室氣體排放、常規污染物、放射性污染等評價參數，有必要建立能源全生命周期評價體系。目前，國外的研究偏重于所在國家或全球的情況，所在國家的情況可能與中國情況不完全一致；國內的分析有一部分基于較早期的數據，當時各種發電技術尚未成熟，另一部分是以方法學和有限案例的方式開展。已有的研究不能夠顯示我國在“十二五”“十三五”期間在非化石能源領域的發展，因此，有必要針對火電、核電、水電、風電、光伏發電等典型的能源技術采用較新的數據，進行全新的、全面的評價和分析，對不同發電方式的常規污染物、溫室氣體排放、放射性污染與健康影響等參數進行評價。能源評價體系可以推動我國建立電力能源行業歸一排放標準、綠色清潔能源量化衡量標準，有利于清潔、低碳、環保能源相關國家標準的制定和修訂。

3）積極探索核電機組參與聯合調峰

從環境保護、經濟和安全的角度來看，核電機組適合作為基荷電源。但從長期來看，核電機組應該順應調度需要，積極參與到電網聯合調峰中。法、美、日等國家的核電機組大都具有調峰功能，實際運行中根據國情采取不同的策略。法國的核電在整個國家電網中占有很高的裝機比例，大部分核電機組是參與調峰工作的。國內的大亞灣核電站也有過短時間降功率運行的經驗。我國核電參與調峰的優勢如下：（1）有利于提高電力系統運行的安全裕度和調度柔性，更好地適應各種不確定性因素的影響；（2）有利于減少火電開停機，減少燃氣和燃油發電的高額成本，降低系統運行費用；（3）對清潔能源如風電、光伏發電等接入規模和利用效率有很大的好處[13]。國內研究表明，我國核電機組具有較好的調峰功能，但其調峰深度和速度卻受到了安全性、經濟性的限制。當前技術下，單純利用核電機組的固有調峰能力進行調峰具有一定局限性，會對機組的安全性與經濟性帶來一定影響。因此，核電單獨調峰或帶基荷運行都不滿足高比例核電接入電網的調峰要求，需要充分利用系統中源與荷之間的聯系，充分發揮儲能等技術在調峰中的作用，通過機組組合、源荷互動等優化調度方式來解決，并給予核電參與調峰經濟方面的補貼政策。

4）核電應抓住“一帶一路”契機，積極走出去

從全球經濟發展的角度看，能源問題對當前世界各國的經濟平穩發展仍然存在著很大的限制。核電作為一種綠色清潔能源，能夠有效地減少溫室氣體的大量排放和緩解能源緊缺問題，仍然具有很大的發展潛力。

我國的核電經過幾十年的發展，擁有豐富的工程建設經驗和強大的自主創新能力。對于目前主流的三代堆技術，我國基本實現關鍵設備國產化、重大示范項目開工的目標，具有全產業鏈輸出核電技術的能力。因此，在鞏固國內市場的同時，積極讓核電“走出去”，在國際上獲得良好的業績和口碑，是我國核電發展的下一個目標。

目前我國正在大力推進“一帶一路”建設，我國核電應抓住這一重大機遇，積極開拓海外市場。一方面，這將進一步鍛煉我國核電人才隊伍，有利于核電技術的發展；另一方面，核電項目作為大型工程項目，能有效帶動當地經濟發展，實現合作共贏，與“一帶一路”的戰略目標和意圖高度符合。配合國家發展戰略，實現核電“走出去”，是新時代我國核電的重大使命。

5）核電企業的策略轉變

在電力制度改革的形勢下，由于風電、光伏發電技術的發展將逐步實現全面平價，核電價格將不占優勢。因此，在當前的環境下，核電企業可以抓住機會，積極地尋求降低成本、提高效益的可能性。考慮在安全經營的前提下，解決好成本和效益的關系[14]。

（1）加快技術創新，降低維修成本。核電廠的預防性維修成本占據發電成本比較大的比重，可以參考國際上的做法，轉變核電廠維修策略，比如減少關鍵設備數量、減少非關鍵設備的高成本預防性維修、進行成本收益分析等。同時，加強核電行業的技術創新，使得設備高效可靠地工作，降低維修成本；或者優化系統設計，提高發電的效率。加快核電行業的技術創新可以增強核電在未來電力市場的競爭力。

（2）加快數字電廠建設。數字電廠能夠有效地處理核電廠在運行過程中產生的大量信息和數據，會對核電廠管理模式的變化產生深刻的影響。核電企業可以通過參考這些數據，調整自己的運營方式，實現更好的效益；其他核電廠可以通過數字電廠的共享數據，學習操作經驗；監管部門可以通過實時查看運行數據，對核電站的安全性能進行評估和監督。數字電廠通過數據實現核電廠各系統設備和人員的有機結合，有效地提高數據的處理能力，降低不同部門人員的溝通障礙，對于核電廠的高效運行和安全保障具有重大意義。

4 總結

目前，我國正在大力推動能源綠色低碳轉型工作，電力結構將得到進一步優化，水電、核電、光伏發電、風電建設保持平穩發展。2020-2050年，全社會的發電量將持續上升，清潔能源的比重也在不斷增加，到2050 年，可再生能源將占據一次能源消費的60%。未來，核電和高比例可再生能源共存于一個電力系統將是必然的趨勢，而風電、光伏發電、核電與各類電源的優化配置與協調發展是電力系統面臨的關鍵問題。

本文針對核電與可再生能源的協調發展，提出實現可再生能源激勵政策轉型、建立新型能源評價體系、核電機組參與電網聯合調峰、核電要積極走出去以及核電企業的策略轉變等相關建議。只有處理好核電與可再生能源的協調發展問題，中國才能達成能源結構性改革，最終實現可持續發展戰略。