膠東半島通過核能綜合利用實現碳中和方案

王瀟

膠東半島主要包括青島市、煙臺市和威海市，其經濟發展水平均處于山東省前列。經濟的快速發展離不開能源的大量供給，我國的能源消費結構一直是以化石能源為主，碳排放高，因此膠東半島如何實現碳中和既是山東省關心的問題，也是我國沿海發達地區普遍面臨的難題。膠東半島能源消費按行業可分為電力、供熱、工業和交通。在“雙碳”目標下，交通行業的能源轉型方向是電氣化，因此膠東半島碳中和就簡化為如何實現電力碳中和、供熱碳中和以及工業碳中和。

膠東半島用能現狀

山東省火電裝機容量居全國首位，92%的發電量來自于火電。膠東半島同樣建設有大量火力發電廠，但其不同于其他地區，山東省的全部核電廠都分布在這里。核電裝機容量為270萬kW，占山東省總裝機容量的2%，發電量占山東省總發電量的4%。膠東半島電力需求巨大，日最大電力負荷達2040萬kW，全社會用電量為1260億kWh，占山東省的近五分之一。膠東半島集中供熱總面積達4.23億m2，燃煤供熱占比超過98%。燃煤供熱中又以燃煤小熱電和燃煤鍋爐為主，供熱能源利用效率低，污染排放高。

工業部門能源需求種類主要包括電力、熱力、化石燃料和用作原料的化石燃料。通過化石能源產生高溫高壓進行生產的工業行業，未來以電氣化用能為主，因此實現工業碳中和的關鍵是如何實現工業用熱（主要為蒸汽）的碳中和。

淡水資源極度匱乏也是膠東半島面臨的困境。青島市是全國缺水最嚴重的城市之一，人均淡水資源量僅為247m?/人，煙臺市和威海市人均水資源量也處于極度缺水線500m?/人上下，遠低于全國平均水平2000m?/人。

通過以上分析可知，如何實現電力、供熱和工業用熱的碳中和，以及解決水資源短缺問題是膠東半島實現碳中和的必答題。

核能綜合利用實現碳中和總體思路

膠東半島擁有較為豐富的核電資源，海陽核電基地1、2號機組已投入商運，分別于2019年和2021年采暖季完成了海陽市70萬m2和450萬m2的居民核能供熱，同時還與清華大學合作建成了水熱同產同送示范工程。未來膠東半島將規劃建設3座6臺百萬千瓦級核電基地，分別為海陽核電基地、榮成核電基地和招遠核電基地，總裝機規模將達到2250萬kW。

對于電力來說，可以形成以核電為主，光伏、風電等可再生能源發電為輔的電力供應格局，通過核電的電熱協同結合V2G、儲氫等方式實現電力的日間和長周期調峰。對于供熱和供水來說，通過核電水熱同產同送、跨季節儲熱調峰滿足膠東半島95%以上的集中供熱負荷需求，產生的高品質淡水供給水廠作為重要的淡水資源。對于工業用熱來說，通過核電水熱同產同送輸送熱水至各工業用戶，在末端制取蒸汽，滿足未來工業生產的全部蒸汽需求。因此，核能綜合利用為膠東半島實現碳中和開辟了新思路。

膠東半島碳中和方案

基于以上思路，清華大學陸續研發了多項技術作為支撐，助力核能綜合利用的大規模應用，包括水熱同產同送技術、跨季節儲熱調峰技術、水熱同產同送末端制取蒸汽技術和電熱水協同技術等。

根據膠東半島各城市目前電力負荷和用電量的增長情況，初步預測未來的電力負荷需求，年均增速按3%考慮，則未來日最大電力負荷約為3200萬kW，用電量需求近2000億kWh。如果核電未來的運行小時數按7500計算，則年總發電量為1688億kWh，能夠占膠東半島未來總用電量的80%，其余20%可由光伏、風電等滿足。電力調峰主要由核電廠電熱水協同實現，通過儲熱或儲水來實現電力從低谷期向高峰期的轉移。通過儲熱（水）實現電力調峰也是公認的最經濟的電力調峰方式。

從供熱的角度，百萬千瓦級的核電機組潛力巨大。根據海陽核電基地的機組參數計算可知，單臺機組的供熱能力約為6000萬GJ，未來膠東半島核電基地的總供熱能力可達10.8億GJ，而該區域未來的集中供熱面積約為7.3億m2，總需熱量約為2億GJ。采用水熱同產同送結合跨季節儲熱調峰技術對膠東半島核能供熱進行初步規劃布局，遠期核能供熱面積可達到7.1億m2，占膠東半島總供熱面積的96.7%，年可產淡水5億噸。經計算，水熱同產同送結合跨季節儲熱調峰系統的初投資從70元/m2至106元/m2不等，當淡水價格按5元/噸計算時，至城市邊緣的熱價從50-64元/GJ不等，單從跨季節儲熱的調峰成本來看，其遠低于約60元/GJ的燃氣調峰成本。

供熱僅利用了膠東半島未來核電供熱能力的約五分之一，利用剩余熱量足以解決膠東半島未來工業用熱需求。通過對標發達國家的工業結構和工業能耗水平，以及我國遠期人均GDP翻兩番的目標，膠東半島各城市的工業用熱需求約折合標煤1291萬噸。以海陽核電基地向青島市供蒸汽為例，敷設DN1600水熱同送管網，在末端生產1MPa.a、180℃蒸汽，年可產蒸汽量3630萬噸，產淡水量1.3億噸，如果淡水價格按5元/噸計算，則長輸熱水末端制取蒸汽的成本約為185元/噸，通過技術優化還可以進一步降低成本。利用核能可以替代膠東半島未來所有工業熱力和化石燃料需求，可供蒸汽1.9億噸，年可產淡水6.7億噸。

通過以上方案的計算和分析可知，利用核能綜合利用實現電力、供熱和工業用熱的碳中和是經濟可行的，還能提供11.7億噸低成本、高品質淡水，占膠東半島年總需水量的60%以上，可以從根本上解決膠東半島淡水資源短缺問題。

結論和建議

膠東半島核能資源豐富，核電廠供電、供熱潛力巨大，通過核能綜合利用——電熱水聯產可實現膠東半島碳中和。具體來說，以核電為主，其他可再生能源為輔，電熱協同實現電力碳中和;通過核能水熱同產同送結合跨季節儲熱調峰實現供熱碳中和;通過核能水熱同產同送末端制取蒸汽實現工業用熱碳中和。

建議由政府主導，組織專家團隊深入論證核能綜合利用——熱電水聯產技術和工程應用的可行性;由山東省編制核能綜合利用實施方案，指導各城市推動和實施核能綜合利用，各城市組織成立核能綜合利用領導小組，加強膠東半島各城市之間核能利用的統籌協調，使核能綜合利用更經濟、更快落地;各城市出臺相關政策鼓勵和保障核電項目實施，釋放核能綜合利用的社會效益。