核電制氫前景分析與探討

（福建寧德核電有限公司 福建 352000）

由于全球經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)，能源消耗總量不斷攀升，碳排放總量也隨之上升，溫室效應(yīng)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化。隨著化石能源日益枯竭，氫能源作為無(wú)碳綠色能源，是未來(lái)人類(lèi)應(yīng)對(duì)環(huán)境惡化和構(gòu)建清潔低碳能源體系的重要載體。本文從核電自身運(yùn)營(yíng)需求和氫能市場(chǎng)需求切入，對(duì)核電制氫前景進(jìn)行分析和探討。

1.社會(huì)用電增長(zhǎng)放緩

中國(guó)經(jīng)濟(jì)在過(guò)去改革開(kāi)放40年的進(jìn)程中高速發(fā)展，2019年全國(guó)GDP接近100萬(wàn)億元，人均GDP也即將突破1萬(wàn)美元。隨著經(jīng)濟(jì)體量不斷變大，增速逐步下降，市場(chǎng)普遍分析中國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)將長(zhǎng)期處于L型底部。

根據(jù)“克強(qiáng)指數(shù)”原理，社會(huì)用電量增長(zhǎng)率與GDP增長(zhǎng)率正相關(guān)，從過(guò)去十年的的社會(huì)用電量和GDP數(shù)據(jù)分析，也可以看出隨著GDP增長(zhǎng)放緩，社會(huì)用電量增長(zhǎng)率也跟著下滑。見(jiàn)表1。

表1 2010-2019年GDP與社會(huì)用電量增長(zhǎng)率對(duì)比

2.分類(lèi)電源占比分析

中國(guó)經(jīng)濟(jì)多年來(lái)持續(xù)高速增長(zhǎng)，能源消耗總量越來(lái)越大，從而帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)峻，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整是必然趨勢(shì)。通過(guò)2009-2018年十年主要電能分類(lèi)數(shù)據(jù)可以看出其中的變化：一是由于能源結(jié)構(gòu)調(diào)整需要，火電裝機(jī)占比呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；二是由于全國(guó)水電資源已基本完成開(kāi)發(fā)，水電裝機(jī)占比在2015-2016年達(dá)到頂峰后也呈下降趨勢(shì)；三是風(fēng)電、光伏等新能源異軍突起，無(wú)論是新增裝機(jī)增長(zhǎng)率還是裝機(jī)占比逐年提高；四是核電裝機(jī)占比穩(wěn)步增長(zhǎng)。見(jiàn)表2。

表2 2009-2018年分類(lèi)電源裝機(jī)占比

3.核電減載、調(diào)峰問(wèn)題日益凸顯

(1)頻繁減載導(dǎo)致電量損失

由于電源裝機(jī)總量持續(xù)增長(zhǎng)，同時(shí)社會(huì)用電量增長(zhǎng)放緩，核電機(jī)組常被安排調(diào)停或降功率運(yùn)行，以華東某核電廠為例，2019年全年7次被安排降至545MW運(yùn)行，全廠外部減載150天，外部減載同比增加218%，損失電費(fèi)收入約13.55億元。

(2)輔助服務(wù)費(fèi)用支出持續(xù)上漲

眾所周知，風(fēng)電、光伏屬于不穩(wěn)定電源，為改善環(huán)境，國(guó)家要求電網(wǎng)企業(yè)優(yōu)先接納風(fēng)電、光伏等清潔電能。電網(wǎng)電能結(jié)構(gòu)的變化，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大壓力，也給核電安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)帶來(lái)較大壓力，一是逐步要求核電參與調(diào)峰，影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，二是根據(jù)《發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理規(guī)定》和《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理暫行辦法》“兩個(gè)細(xì)則”要求，按誰(shuí)受益誰(shuí)承擔(dān)的原則，核電廠分?jǐn)偟妮o助服務(wù)費(fèi)用持續(xù)上漲。以下為某核電廠2016-2019年輔助服務(wù)費(fèi)用支出情況。見(jiàn)表3。

表3 2016-2019年某核電廠輔助服務(wù)費(fèi)用支出

4.氫能市場(chǎng)需求前景

隨著全球變暖以及生態(tài)環(huán)境惡化，世界各國(guó)對(duì)清潔能源日益重視，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展。新能源汽車(chē)從技術(shù)路線上主要分為兩個(gè)方向，鋰電池動(dòng)力和氫燃料電池動(dòng)力，由于鋰電池技術(shù)相對(duì)成熟，已經(jīng)得到較大面積普及，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，氫燃料電池汽車(chē)具有能量密度高、轉(zhuǎn)換效率高、車(chē)輛續(xù)航里程長(zhǎng)、增程速度快等優(yōu)勢(shì)，并且無(wú)CO2和其他污染物排放。

(1)日韓氫能發(fā)展情況

日韓各大車(chē)企諸如現(xiàn)代、本田、豐田等已推出多款以氫燃料為電池的車(chē)型，續(xù)航里程從600km至750km不等，其中現(xiàn)代汽車(chē)擬于2020年推出全新的氫燃料電池量產(chǎn)車(chē)，動(dòng)力提高出10%，電池組的能量密度提升了將近30%，續(xù)航里程將達(dá)到800公里。氫燃料電池作為清潔能源，受到世界各國(guó)政府的大力扶持，其中日本由于化石能源儲(chǔ)備不豐富，對(duì)氫燃料電池汽車(chē)發(fā)展尤為重視。根據(jù)日本政府2019年4月發(fā)布的《第五次能源基本計(jì)劃》，該國(guó)氫能源汽車(chē)數(shù)量計(jì)劃從2020年的4萬(wàn)輛增加至2025年20萬(wàn)輛，2030年增加至80萬(wàn)輛，與此同時(shí)，加氫站增加至900個(gè)。

(2)中國(guó)氫能發(fā)展情況

中國(guó)燃料電池方面起步晚，技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用水平整體落后于國(guó)際水平，但最近幾年，國(guó)家已高度重視燃料電池行業(yè)發(fā)展，不斷推出政策給予支持。如國(guó)家在《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016-2030年）》提出，到2020年，PEMFC（質(zhì)子交換膜燃料電池）電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)額定輸出功率50～100kW、系統(tǒng)比功率≥300Wh/kg、電堆比功率3000W/L以上、使用壽命5000hr以上；到2030年，實(shí)現(xiàn)燃料電池和氫能的大規(guī)模推廣應(yīng)用；到2050年，實(shí)現(xiàn)氫能和燃料電池的普及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)氫能制取利用新探索的突破性進(jìn)。此外，各地區(qū)對(duì)燃料電池支持政策更加超前，如《上海市燃料電池汽車(chē)發(fā)展規(guī)劃》指出：到2020年，上海將實(shí)現(xiàn)電堆、系統(tǒng)集成與控制、關(guān)鍵零部件等核心技術(shù)跟蹤國(guó)際水平；到2025年，形成系列化燃料電池電堆產(chǎn)品，燃料電池汽車(chē)技術(shù)同步國(guó)際水平；到2030年，實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車(chē)技術(shù)和制造總體達(dá)到國(guó)外同等水平，上海燃料電池汽車(chē)全產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值突破3000億元。

中國(guó)汽車(chē)保有總量高、人均保有量低，無(wú)論是總量的增長(zhǎng)還是置換需求，未來(lái)都有較大空間。在政策驅(qū)動(dòng)下，隨著技術(shù)取得突破，氫燃料電池動(dòng)力汽車(chē)將逐步替代化石能源汽車(chē)，未來(lái)增長(zhǎng)空間巨大，從而也將帶來(lái)巨大的氫能需求。

5.核電制氫經(jīng)濟(jì)性分析

目前，制備氫氣的主要方法包括氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫、甲醇制氫、煤氣制氫、天然氣制氫、氨分解制氫及電解制氫等，其中氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫是所有制氫方法中成本最低的。根據(jù)國(guó)金證券研究所在《各種制氫方式的成本、優(yōu)劣勢(shì)分析》報(bào)告研究結(jié)果，當(dāng)前全國(guó)氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫產(chǎn)能約為76萬(wàn)噸/年，可供34萬(wàn)輛燃料電池物流車(chē)或243萬(wàn)輛燃料電池乘用車(chē)使用一年，雖在現(xiàn)階段滿足氫能源汽車(chē)運(yùn)營(yíng)需求，但氫能源汽車(chē)如在未來(lái)得到快速發(fā)展，必然需要其他方式的氫源作為補(bǔ)充。

鑒于煤氣制氫和氨分解制氫在安全和環(huán)保方面存在較大劣勢(shì)，以下主要對(duì)甲醇制氫、天然氣和水電解制氫進(jìn)行分析。見(jiàn)表4。

表4 不同制氫工藝與相應(yīng)原材料價(jià)格對(duì)應(yīng)關(guān)系表

從上表可以看出，甲醇市場(chǎng)價(jià)格較為穩(wěn)定，天然氣制氫和水電解制氫受主要耗材價(jià)格波動(dòng)較大，制氫成本也相應(yīng)變化較大。眾所周知，中國(guó)屬于石油、天然氣較為匱乏的國(guó)家，化石燃料緊缺，而工業(yè)用電價(jià)格處于下降通道。見(jiàn)表5。

表5 制氫成本與用電價(jià)格對(duì)應(yīng)關(guān)系表

目前，大型工業(yè)甲醇生產(chǎn)裝置主要以化石燃料為生產(chǎn)原料，包括煤、天然氣、乙炔、重油等，我國(guó)主要以煤為原料，占比接近80%，因此無(wú)論以甲醇或者天然氣為原料來(lái)制氫，均是使用化石燃料。眾所周知，中國(guó)屬于化石燃料較為匱乏的國(guó)家，對(duì)外依存度高，國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展新能源汽車(chē)也是希望減少對(duì)化石燃料的依賴，使用甲醇和天然氣制氫與國(guó)家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整初衷不符。

近幾年，為了深化供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，降低工商業(yè)成本，國(guó)家發(fā)改委已經(jīng)多次發(fā)文要求電網(wǎng)企業(yè)降低工商業(yè)用電價(jià)格。目前，大工業(yè)電價(jià)月0.64元，一般工商業(yè)電價(jià)約0.80元，電價(jià)處于下降通道。從核電廠電力生產(chǎn)成本角度分析，核電度電成本約為0.26-0.28元左右，綜合出售電價(jià)約0.4元左右，無(wú)論是按生產(chǎn)成本還是綜合出售電價(jià)，對(duì)應(yīng)制氫成本與甲醇制氫相當(dāng)。同時(shí)，考慮核電運(yùn)營(yíng)具有固定周期換料的特性，在配合電網(wǎng)調(diào)峰，要求減載運(yùn)行的情況下，具有零邊際成本效應(yīng)，因此在氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫無(wú)法滿足氫能市場(chǎng)需求時(shí)，核電制氫具有較大市場(chǎng)價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，中國(guó)核電機(jī)組主要分布在沿海發(fā)達(dá)省份，與氫能源汽車(chē)市場(chǎng)高度重合，在氫氣運(yùn)輸成本方面也具有優(yōu)勢(shì)。

6.結(jié)論

未來(lái)隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，核電、風(fēng)電、光伏等清潔能源占比將逐步上調(diào)，電網(wǎng)調(diào)峰矛盾將日益突出，受“兩個(gè)細(xì)則”政策影響，核電企業(yè)輔助服務(wù)費(fèi)用支出大幅上漲，而通過(guò)配套建設(shè)抽水蓄能、蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)等調(diào)峰方式成本較高，難以緩解核電企業(yè)運(yùn)營(yíng)壓力。同時(shí)，氫能源汽車(chē)市場(chǎng)未來(lái)存在巨大的發(fā)展空間，從而帶來(lái)巨大的氫能需求，利用核電零邊際成本優(yōu)勢(shì)，既能解決核電機(jī)組調(diào)峰、棄電問(wèn)題，又能為市場(chǎng)提供零碳排放的清潔能源，進(jìn)而緩解核電企業(yè)自身運(yùn)營(yíng)壓力。因此，在國(guó)家日益重視環(huán)境保護(hù)的大背景下，核電制氫具有一定發(fā)展前景。