核能熱電聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟性

經(jīng)合組織核能機構（OECD/NEA）2022 年7月22 日發(fā)布報告《超越電力：核能熱電聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟性》，指出利用現(xiàn)有核電廠或未來的新建核電廠進行熱電聯(lián)產(chǎn)具有廣闊的市場前景。這份報告基于經(jīng)合組織核能機構“核能熱電聯(lián)產(chǎn)在低碳能源未來中的作用及其經(jīng)濟性的特設專家組”的研究成果。

核能在推進全球碳減排方面發(fā)揮了重要作用。在發(fā)達經(jīng)濟體，核電是發(fā)電量最大的低碳電力來源，占所有低碳能源發(fā)電量的約40%。國際能源署（IEA）估計，1971—2018 年，核電的利用總計減少了630 億噸二氧化碳排放。許多國際權威機構對旨在實現(xiàn)能源領域脫碳的未來發(fā)展情景進行了預測，大部分情景預計核能將會大規(guī)模發(fā)展。例如，國際能源署2021 年發(fā)布的凈零排放情景預計，全球核電裝機容量到2050 年將達8.12 億千瓦，主要由百萬千萬級水冷堆組成。除了發(fā)電，核反應堆還能以熱電聯(lián)產(chǎn)的方式幫助能源行業(yè)實現(xiàn)碳減排。這種方式能夠滿足區(qū)域供暖、氫與合成燃料的生產(chǎn)、海水淡化等領域的能源需求。這些領域的能源需求目前主要由化石燃料或生物質能滿足。

1 發(fā)展前景

核能是一種技術成熟的低碳基荷能源，能夠以熱電聯(lián)產(chǎn)方式取代化石燃料滿足工業(yè)部門能源需求，進而為全球碳減排作出更大貢獻。供熱設施目前是全球空氣污染物和二氧化碳的重要排放源。與電廠不同的是，供熱設施通常靠近終端用戶。這意味著這些設施釋放的污染物易在工業(yè)區(qū)或居民區(qū)擴散，進而導致工作人員或居民出現(xiàn)健康問題。核反應堆能夠供熱，并且不會排放空氣污染物。

核能的另一項優(yōu)勢是生產(chǎn)成本穩(wěn)定。鈾的采購費用通常僅占核電廠發(fā)電成本的5%，這意味著核電廠的發(fā)電成本不會像化石燃料一樣易受燃料價格波動的影響，能夠以穩(wěn)定的成本滿足客戶能源需求。此外，核能熱電聯(lián)產(chǎn)還能顯著提高能源利用率。如果僅用于發(fā)電，只有約1/3 的堆芯熱量能得到有效利用，另外2/3 則作為廢熱排放。國際原子能機構（IAEA）的研究表明，核能熱電聯(lián)產(chǎn)能夠將能源利用率提高至90%，而傳統(tǒng)核電廠能源利用率的全球平均值為37%。實施核能熱電聯(lián)產(chǎn)，核反應堆在根據(jù)電網(wǎng)需求調整輸出電量的同時還能夠持續(xù)保持滿負荷運行狀態(tài)，因為它還能生產(chǎn)其他能源產(chǎn)品，進而增加運營收入。已有研究機構提議建立“核-可再生能源混合能源系統(tǒng)”（簡稱“混合能源系統(tǒng)”）。該系統(tǒng)由核反應堆、可再生能源、電力和熱能儲存設施以及副產(chǎn)品生產(chǎn)設施（例如制氫設施）組成。核能熱電聯(lián)產(chǎn)還有助于增強電網(wǎng)對太陽能、風能等間歇性可再生能源的消納能力。

根據(jù)國際原子能機構公布的數(shù)據(jù)，截至2020 年底,全球至少有70 臺在運核電機組已開展非電力應用，總計累積了約750 堆年的運營經(jīng)驗，然而這些機組僅有小部分熱能用于供熱。迄今為止，核能的非電力應用僅限于低溫供熱，例如海水淡化和區(qū)域供暖。現(xiàn)有反應堆能夠提供200℃以下的低溫熱能，僅能滿足極少工業(yè)部門的需求。目前正在研發(fā)的一些先進反應堆擁有更高的堆芯出口溫度，更適于滿足工業(yè)部門的熱能需求。歐盟研究計劃“旨在實現(xiàn)可持續(xù)能源供應的創(chuàng)新型反應堆工藝熱應用終端用戶需求”（EUROPAIRS）研究了歐洲供熱市場以及核能熱電聯(lián)產(chǎn)的前景。結果發(fā)現(xiàn)，短期內(nèi)核能可以在部分細分市場（現(xiàn)有的傳統(tǒng)核能熱電聯(lián)產(chǎn)市場、特定工業(yè)流程中的預熱）中具有競爭力。

許多技術開發(fā)商正在開展模塊化小堆研發(fā)，其中許多小堆基于第四代反應堆概念，目標用途包括海水淡化、制氫、工藝熱供應等核能熱電聯(lián)產(chǎn)應用。相對于現(xiàn)有壓水堆，帶有先進非能動安全特性的小型一體化壓水堆更適于建在居民區(qū)或工業(yè)區(qū)附近，也更容易獲得接受。因此這種反應堆是一種前景廣闊的低溫熱能供應方案。類似高溫氣冷堆的能夠提供高溫熱能的反應堆在替代化石燃料為工業(yè)部門提供高溫工藝熱方面也有廣闊應用前景。

2 商業(yè)和經(jīng)濟性考慮

相對于現(xiàn)有核電廠，核能熱電聯(lián)產(chǎn)廠的建設融資將面臨更嚴峻挑戰(zhàn)，因為其要面對更多的干系人。核能熱電聯(lián)產(chǎn)廠需要面對兩個市場：電力和熱能（或工業(yè)產(chǎn)品）。在大多數(shù)國家，電網(wǎng)的分布比供熱網(wǎng)絡更為廣闊。相對于需要建設專門向新用戶輸送熱能的基礎設施，將電力輸送給用戶的成本可以忽略不計。確定核能熱電聯(lián)產(chǎn)廠細分目標市場的一個最重要參數(shù)是溫度。其他重要參數(shù)包括所需的熱量、特定安全要求、適應負載瞬變的能力、運行可靠性、傳熱技術限制，以及（非常重要的）核反應堆與熱電聯(lián)產(chǎn)廠的取證程序。從技術上講，核能熱電聯(lián)產(chǎn)廠可以采用兩種系統(tǒng)集成技術：一是電力或連續(xù)耦合系統(tǒng)，即核反應堆堆芯能量僅用于發(fā)電，然后將電力用于其他用途；二是熱耦合系統(tǒng)，即核反應堆堆芯能量用于發(fā)電和供熱，并滿足非電力應用需求。

核能熱電聯(lián)產(chǎn)廠可以采用一體化或非一體化商業(yè)模式運營。在非一體化模式中，核能熱電聯(lián)產(chǎn)廠和供熱網(wǎng)絡由兩家獨立的企業(yè)擁有。在一體化模式中，包括核反應堆運營商、熱能終端用戶、能源管理和配送者以及管網(wǎng)運營商在內(nèi)的干系人整合程度將取決于技術和安全方面的考慮。融資和所有權模式將取決于經(jīng)濟一體化程度。蘇聯(lián)曾采用一體化模式，即核電廠及配套的供熱管線同時建設，且由一家企業(yè)擁有和運營。瑞士貝茲瑙核電廠及其配套區(qū)域供熱網(wǎng)絡采用的是非一體化模式，分別由兩家獨立企業(yè)擁有和運營。目前，海水淡化廠與核電廠通常隸屬于同一家企業(yè)。未來，隨著淡水需求的不斷增加，可能會出現(xiàn)海水淡化廠和核電廠由不同企業(yè)擁有的情況。目前沒有核能高溫（即超過250℃）工藝熱應用的經(jīng)驗可供參考。有必要在融資、商業(yè)模式、現(xiàn)場集成等領域為核能高溫工藝熱應用設計創(chuàng)新方案。

如果核能熱電聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟性超過了其他技術，尤其是利用燃燒天然氣提供高溫蒸汽和電力的技術，那么核能熱電聯(lián)產(chǎn)極有可能得到大規(guī)模發(fā)展。由于前期投資巨大和規(guī)模經(jīng)濟效益，大型輕水堆或先進反應堆可能適于滿足大規(guī)模的熱電聯(lián)產(chǎn)需求。如果模塊化小堆技術的競爭力能夠獲得證明和認可，則可用于滿足其他細分市場的能源需求。

3 案例研究

報告介紹了多個核能熱電聯(lián)產(chǎn)的案例，涉及區(qū)域供暖、海水淡化、制氫、混合能源系統(tǒng)及其他工業(yè)應用。

區(qū)域供暖案例包括瑞士和匈牙利已利用核能進行供暖的實例，以及芬蘭、法國、斯洛文尼亞等國開展的核能供暖研究成果。瑞士貝茲瑙核電廠已為附近約1.5 萬居民提供了30 多年的供暖服務。即使在化石燃料價格低迷時期，核能供暖相對于化石燃料供暖也具有競爭力。經(jīng)濟性評估表示，在電力價格持續(xù)走低的情況下，從核電廠提取蒸汽用于供暖是一種有益的替代方案。其他案例探討了將現(xiàn)有的和/或新的供熱網(wǎng)絡與現(xiàn)有核電廠連接的情況。這些研究明確了核能區(qū)域供暖在取代傳統(tǒng)能源方面的潛力，但也注意到了一些挑戰(zhàn)，包括現(xiàn)有核電廠的剩余運行壽期。與此同時，核能區(qū)域供暖的經(jīng)濟競爭力還取決于核電廠與終端熱力用戶之間的距離、供熱網(wǎng)絡改造費用以及現(xiàn)有核電廠改造費用或新核電廠建設費用。鑒于核電廠和供熱網(wǎng)絡的改造投資大，且相關設施將長期運行，需要政府在融資及其他方面給予政策支持，從而推進這一低碳能源技術的廣泛應用。

雖然迄今的核能海水淡化廠均使用水冷堆提供能量，但報告的相關案例假設使用先進反應堆提供能量。經(jīng)過專門配置和優(yōu)化的多級閃蒸（MSF）海水淡化工藝能夠有效利用日本高溫氣冷堆GTHTR300C 功率轉換流程中的廢熱，其產(chǎn)水量比傳統(tǒng)多級閃蒸工藝高45%。在中東市場條件下，GTHTR300C 的淡水生產(chǎn)成本遠低于燃油和燃氣。另一個案例研究表明，將反滲透和多效蒸餾（MED）技術與熱功率為33萬千瓦的韓國一體化壓水堆SMART 相結合，能夠經(jīng)濟地進行海水淡化。

關于制氫的案例均基于下述技術假設：利用先進反應堆產(chǎn)生的高溫熱能和電力在高溫工況下進行水的分解。韓國和日本的研究表明，利用堆芯出口溫度高達950℃的超高溫反應堆（VHTR）進行硫碘熱化學循環(huán)水分解制氫，在經(jīng)濟上是可行的。研究還發(fā)現(xiàn)，相對于現(xiàn)有的水電解制氫，硫碘熱化學循環(huán)水分解制氫具有經(jīng)濟競爭力。一個案例研究涉及使用堆芯出口溫度650℃的超臨界水冷堆（SCWR）進行高溫蒸汽電解制氫。這一研究表明，這一技術的平準化成本顯著高于使用北美低價天然氣的傳統(tǒng)制氫技術。研究還發(fā)現(xiàn)，核能制氫在部分地區(qū)可能具有競爭力，具體取決于天然氣價格和碳稅。高溫水分解制氫技術仍處于開發(fā)階段，尚未進行工業(yè)規(guī)模的示范。但是，預計這一技術將在超高溫反應堆實現(xiàn)商業(yè)化應用時發(fā)展成熟。

混合能源系統(tǒng)可能包括核反應堆、發(fā)電機、風車、太陽能光伏、熱能和電能儲存設備以及相關的工藝設備（例如制氫設備），其造價將遠遠超過其任何子系統(tǒng)。因此，需要為混合能源系統(tǒng)設計創(chuàng)新的商業(yè)模式，以便能吸引投資，并建立商業(yè)架構，確保內(nèi)部的能源調度決策能使整個系統(tǒng)而不是單個子系統(tǒng)的利潤最大化。

4 主要研究成果

對于核能熱電聯(lián)供的未來應用前景，報告從碳減排、市場機遇與挑戰(zhàn)以及經(jīng)濟性與商業(yè)考慮三方面介紹了相關研究成果。

4.1 碳減排

在碳減排方面，報告總結了五項成果。

第一，核能熱電聯(lián)供是實現(xiàn)國際能源署凈零排放情景設定的全球能源行業(yè)碳減排目標不可或缺的技術選項。

第二，熱電聯(lián)供是未來核能發(fā)展不可或缺的組成部分，因為它能夠在更大的范圍內(nèi)取代化石燃料，減少二氧化碳和空氣污染物的排放，并提高核能設施的能源利用率。

第三，需要擴大有關核能熱電聯(lián)產(chǎn)潛力的宣傳，加深公眾、決策者和工業(yè)部門的了解。

第四，雖然經(jīng)濟性和環(huán)境收益是決策的重要助推力，但相關干系人需要在項目的早期規(guī)劃階段就參與項目，以便能夠獲得公眾接受。

第五，核能熱電聯(lián)產(chǎn)的市場潛力很大，即使僅滿足部分熱能市場需求，也需要建設大量核反應堆。

4.2 市場機遇和挑戰(zhàn)

在市場機遇和挑戰(zhàn)方面，報告總結了九項成果。

第一，瑞士等國已在核能區(qū)域供暖領域取得成功經(jīng)驗。

第二，核能區(qū)域供暖是一項成熟技術，可以在新核電廠設計中考慮區(qū)域供暖需求。但是，鑒于目前有其他技術可供選擇，核能區(qū)域供暖技術供應商應與供暖服務商加強合作，提供更有競爭力的技術方案。

第三，供熱網(wǎng)絡成本是核能區(qū)域供暖經(jīng)濟競爭力的重要影響因素，尤其是現(xiàn)有核電廠通常距離人口聚集區(qū)有幾十千米。如果不需要為核電廠建設專門的供熱網(wǎng)絡，核能區(qū)域供暖將是最具競爭力的技術方案。

第四，對于海水淡化項目，需要協(xié)調處理能源政策和水資源政策。

第五，鑒于全球淡水需求在不斷增長，模塊化小堆適于以不排放二氧化碳的方式滿足海水淡化的能源需求。

第六，目前處于研發(fā)階段的多種先進反應堆和模塊化小堆能夠提供更高的堆芯出口溫度，適于為工業(yè)部門提供工藝熱。

第七，需要考慮核反應堆和工業(yè)設施之間存在的運行壽期差異問題：核反應堆運行壽期為40～60 年，工業(yè)設施運行壽期通常不足20 年。核能區(qū)域供暖也面臨類似問題。

第八，建設混合能源系統(tǒng)這一理念表明，核能熱電聯(lián)產(chǎn)能夠在下述方面發(fā)揮重要作用：在能源結構清潔低碳轉型的過程中推進間歇性可再生能源與核能的集成。

第九，在同址建設核反應堆與工業(yè)設施時，需要考慮相關的安全問題以及在取證方面可能面臨的挑戰(zhàn)。目前缺乏在同址建設工業(yè)設施與核反應堆方面的監(jiān)管信息。

4.3 經(jīng)濟性與商業(yè)考慮

在經(jīng)濟性與商業(yè)考慮方面，報告總結了十項研究成果。

第一，如果其經(jīng)濟性能夠超過現(xiàn)有技術，主要是利用燃氣生產(chǎn)蒸汽和發(fā)電的技術，核能熱電聯(lián)產(chǎn)可能擁有廣闊的市場前景。

第二，需要根據(jù)商業(yè)模式和項目特點，選擇適用于核能熱電聯(lián)產(chǎn)項目的經(jīng)濟性分析方法。在選擇成本分配的經(jīng)濟模型時，主要考慮因素包括商業(yè)模式、市場條件和預期用途。

第三，對于區(qū)域供暖和海水淡化等應用，核能熱電聯(lián)產(chǎn)在技術上具有可行性，但尚未建立經(jīng)濟案例。政府應適當評價碳減排價值，并據(jù)此鼓勵對核能熱電聯(lián)產(chǎn)的投資。

第四，對于一些先進反應堆，似乎可以建立有利的經(jīng)濟案例，因為這些反應堆的廢熱也可用于非電力應用，不會影響反應堆的功率輸出。

第五，核能熱電聯(lián)產(chǎn)的（經(jīng)濟）案例很大程度上取決于具體國情及其應用條件，例如該地區(qū)的天然氣價格。

第六，案例研究表明，核能制氫在某些地區(qū)可能具有競爭力，具體取決于天然氣價格和碳稅。

第七，與核電廠項目相比，核能熱電聯(lián)產(chǎn)廠的融資可能會面臨更大的挑戰(zhàn)，因為它需要面對更多的干系人。

第八，鑒于沒有核能高溫（超過250℃）熱應用的實際經(jīng)驗可供參考，目前沒有占主導地位的商業(yè)模式。有必要在融資、商業(yè)模式、現(xiàn)場整合等方面設計創(chuàng)新方案。

第九，包括核反應堆、熱力終端用戶、能源管理和配送者以及管網(wǎng)運營商在內(nèi)的干系人之間的整合程度取決于熱電聯(lián)產(chǎn)針對的細分市場。

第十，需要為混合能源系統(tǒng)建立創(chuàng)新的商業(yè)模式，以實現(xiàn)大規(guī)模融資并建立相應的商業(yè)架構，確保內(nèi)部能源調度決策能夠使整個系統(tǒng)而不是單個子系統(tǒng)的利潤最大化。

5 建議

報告為推進核能熱電聯(lián)產(chǎn)的商業(yè)應用提出了五條建議。

第一，政府應考慮制定國家/地區(qū)供熱行業(yè)脫碳路線圖，并考慮使用核能取代化石燃料供熱的潛力。目前各國通常僅制定電力行業(yè)脫碳路線圖。

第二，政府應認識到核能熱電聯(lián)供是未來低碳能源系統(tǒng)不可或缺的組成部分。政府應通過碳稅及其他措施，減少化石燃料的使用，并支持核能的熱應用。

第三，政府應當協(xié)調能源政策和水資源政策，以推進核能海水淡化項目。涉及能源和水資源規(guī)劃的機構應當共同努力，為核能海水淡化項目提供創(chuàng)新的融資和商業(yè)模式。

第四，推進核能熱電聯(lián)產(chǎn)的商業(yè)化應用需要實施示范項目。示范項目應當采用公私合資的方式推進，并且有工業(yè)部門的大力參與。

第五，應進一步加深對核能熱電聯(lián)產(chǎn)潛力的認識，開展利用核能熱電聯(lián)產(chǎn)推進核能與可再生能源整合的研究，包括開展全生命周期評價。