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黃文 謝千 鄭保軍 | “雙碳”背景下核能高質量發展的挑戰與對策
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編者按：我國力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和，是黨中央經過深思熟慮作出的重大戰略決策，事關中華民族永續發展和構建人類命運共同體。能源領域碳排放總量大、占比高，是實現綠色低碳轉型和高質量發展的關鍵。公司能源業務部成立了以張宗玟等部門領導為核心、以青年黨員為骨干的“3060”研究小組，貫徹新發展理念和能源安全新戰略，對以新能源為主體的新型電力系統、碳排放和水電、新能源、核電、儲能、煤炭等方面高質量發展進行了探索性研究，以推動構建清潔低碳安全高效的能源體系。為促進研究成果的應用，本公眾號將核心研究成果以系列文章的形式陸續刊發，供業界同仁參考。 “雙碳”背景下核能高質量發展的挑戰與對策 黃文 謝千 鄭保軍 摘要：核能具有清潔低碳、出力穩定、邊際成本低等特征，且發展沿海核電的部署與我國經濟布局深度契合，是能源供給側尤其是新增非化石能源中最有望兼顧“低碳、經濟、安全”矛盾三角的能源形式，能通過規模化發展替代化石能源，并與新能源形成強互補發展。本文以“雙碳”目標（碳達峰、碳中和）及“兩個構建”（構建清潔低碳安全高效的能源體系、構建以新能源為主體的新型電力系統）為準繩，總結提出核能在未來“雙碳”戰略目標下的挑戰和對策建議，以期促進未來核能高質量發展。 關鍵詞：“雙碳”戰略目標；核能；高質量發展；創新；高效；挑戰 一、引言 2020年9月22日，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論會上做出“碳達峰、碳中和”鄭重承諾，首次提出了我國“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”的“雙碳”戰略目標。該戰略目標體現了我國將攜手世界積極應對全球氣候變化這一巨大挑戰的堅定決心，也彰顯了我國在構建人類命運共同體上的大國責任與擔當，這些都為新冠肺炎疫情后的全球綠色發展和協調共贏注入強大信心。已有研究指出，中國“雙碳”戰略目標的順利實現，將有效推動全球溫升趨勢的改變，使得全球溫度將比預期降低0.3℃甚至更高[1]。 自進入21世紀以來，我國經濟快速發展，我國的碳排放量也在快速攀升。相關研究數據[2]顯示，2019年我國碳排放量約115億噸，約占全球總排放量的30%，位居全球第一，較2000年我國碳排放量提高約168%。21世紀以來我國的碳排放量和GDP增長情況見下圖1。
圖1 21世紀以來我國的碳排放量和GDP增長情況 目前我國相關研究領域總體上對2060年“碳中和”背景下的碳排放限值已達成一定共識[3]。據有關研究機構的預測[2]，我國若要實現基準的“1.5℃情景”下的減排目標，2050年后允許碳排放值僅為當前碳排放量的15%～25%，即使在“退而求其次”、可行備用的“2℃情景”下，允許碳排放值也僅為當前碳排放量的40%～50%，并低于2000年我國碳排放量。而目前，我國經濟仍處于中高速、高質量發展階段，能源消費量還在增長，碳排放量還有增加的可能，需要經歷2030年前“碳達峰”，才能走向2060年的“碳中和”。相比發達國家，我國“碳達峰”到“碳中和”間隔僅有30年時間，減排強度及困難程度在全球范圍首屈一指。未來我國碳的達峰和減排情景設想見下圖2。
圖2 未來我國碳的達峰和減排情景設想 而實現“雙碳”戰略目標首當其沖的就是能源產業。據統計，2019年我國能源供給側的碳排放量約46億噸，占比約40%；能源消費側（僅工業領域）的碳排放量約33億噸，占比約30%，合計貢獻已達70%，是我國二氧化碳排放的主要來源[3]。構建清潔低碳安全高效的能源體系、構建以新能源為主體的新型電力系統，實現能源產業“低碳”甚至“零碳”轉型發展，是我國實現“雙碳”戰略目標的重要保障和前提，也是未來能源產業適應我國新時期高質量發展目標的重大要求和長久研究方向。
二、核能是我國能源和電力統籌發展的戰略性保障 近年來，隨著我國穩步實施“兩個構建”，我國風能和太陽能等可再生能源成為增速最快的能源。2020年，我國風能發電裝機容量約2.82億千瓦，太陽能發電裝機容量約2.53億千瓦，較2015年分別增長約1.2倍和4.8倍；預計2025年、2030年、2035年，我國風能發電裝機規模有望達到4億、6億、10億千瓦，太陽能發電裝機規模有望達到5億、9億、15億千瓦[3][5]。 但是，過往數十年來世界各國能源和電力發展實踐和研究成果均表明，能源結構的低碳化是一個漫長、復雜、曲折的過程。可再生能源固有的能量密度低、發電不穩定等特征，使其在大規模發展下仍將面臨一些短時期內無法回避的現實瓶頸或問題。如新能源大發時段需要大量可控電源深度調節以保障消納，在熱潮、寒潮等特殊天氣需要電力穩定供應時往往又出力下降，甚至出現如2021年7月28日東北電網風電的短時最低出力不足網內風電裝機千分之一的極端情況。 而從全球尤其是發達國家過往發展經驗和未來發展策略等來看，能源和電力系統將呈現多種能源形式并存的局面，可再生能源、核能、儲能等新型能源形式與必要的化石能源等不同能源并存互補，各自發揮自己的優勢，為全球和各國經濟和社會發展提供充足的能源和電力保障。全球及典型地區能源消費和電力供應情況及未來預測[6]見下圖3～圖6。
圖3 全球及典型地區能源消費情況（單位：EJ）
圖4 全球及典型地區電力供應情況（單位：TW·h）
圖5 全球及典型地區能源消費預測（單位：EJ）
圖6 全球及典型地區電力供應預測-核電高低方案平均（單位：TW·h） 目前，全球GDP前15強國家基本均已明確2050年前后實現“碳中和”目標，除意大利和澳大利亞外，核能在其能源和電力系統中均占有一定比重[6]（見圖7），在GDP前10強國家尤其是聯合國5大常任理事國中，我國核電所占比例相對較低（見圖8）。
圖7 2020年全球GDP前15強國家核能發電情況（單位：GW，%）
圖8 2010-2020年5大常任理事國核電發電量及占比情況（單位：TW·h，%） 鑒于其具有的清潔低碳、出力穩定、邊際成本低等特征，且發展沿海核電的部署與我國經濟布局深度契合，核能是我國能源供給側尤其是新增非化石能源中最有望兼顧“低碳、經濟、安全”矛盾三角的能源形式，可規模化發展替代我國沿海負荷中心周邊的化石能源。核電與可再生能源技術特征對應互補，可實現電力電量時空匹配度更高的互補型發展，共同成為未來能源和電力系統非化石能源的重要組成部分。
圖9 我國各省區市經濟發展及核電基地位置示意 當前我國正處于實現“兩個一百年”偉大奮斗目標的征程中，未來我國經濟社會仍將高質量發展和持續壯大，人均能源消費水平仍將不斷提高，而終端能源消費更多地由一次能源向以清潔高效電力為主的二次能源轉變，能源和電力需求仍有較大的持續增長空間。據相關預測，我國非化石能源到2030年在一次能源消費中占比約達25%，而到2060年，在一次能源消費中占比將約達80%甚至更高。而核電作為我國非化石能源的重要組成部分，未來發展前景廣闊。部分研究機構預測，到2030年、2035年，我國核電在運裝機容量將分別達到1.1億千瓦和1.5億千瓦[7]。
三、“雙碳”目標下我國核能行業高質量發展面臨的挑戰 （一）核能要應對能源電力市場化及未來“碳市場”建立的競爭挑戰 近年來，我國能源和電力市場化改革積極推進，各區域電力市場已經建立，市場化售電量比例迅速提高。據中國電力企業聯合會網站信息，全社會用電量中市場交易電量比重正在逐年提高，2020年全國市場化交易電量占上網電量的比重已超過40%。2020年核電上網電量市場化率約33%，較2019年繼續提高2個百分點，較2018年和2017年分別提高約8個百分點和15個百分點。而隨著風電、光伏平價上網工作的深入推進，以及電力市場化改革的持續深化，核電需要在控制成本、適應電力系統需求等方面開展更多工作，以面對市場競爭的挑戰。未來隨著我國“碳市場”的建立，核能行業需要進一步思考如何發揮自身優勢，以迎接“碳市場”建立帶來的清潔能源價格競爭及挑戰，并充分吸收能源和電力產業低碳發展的紅利。 （二）尚不完善的相關法規體系對核能新型產業發展支撐作用不足 核能發展各階段各類型項目均具有資金投入大、建設周期長、需要較長的前期準備工作等特點，從廠址普選到初步可行性研究、可行性研究、核準和開工建設往往需經歷數年的時間，需取得數十個政府支持性文件。雖然核能行業從業人員經過多年的歷練和磨合，已經初步形成了一整套的經驗和方法，并較好地在核能行業應用實踐。但從“十三五”末核電規劃目標的完成情況來看，仍然存在未能完全適應新時期能源和電力整體發展要求等現象，以致規劃目標未能完全實現的問題（“十三五”核電在運裝機目標實現96%，在建裝機目標僅實現40%左右）。而在核電以外的核能新型產業領域如核能綜合利用等，由于缺乏完善、可指導的相關標準體系，更使得產業發展緩慢，甚至出現核能項目與用能單位在進度目標上的倒掛問題，即“需要核能時卻頂不上來”“區域用能的需求萎縮后核能項目方能建成”。 （三）針對發展面臨的重大轉變亟需突破思維和開展新型研究 隨著“雙碳”戰略目標的實施推進，短期內核電受益于清潔低碳的優勢，但伴隨其他清潔能源技術的發展，核能過往具有的低碳優勢將被弱化甚至逐步消失，外部面對的常規電力系統、常規能源體系將逐漸轉變為新型電力系統、新型能源體系及其更高的安全高效要求等。因此，過往簡單的電力項目滾動型發展模式、作為電網基荷以追求穩定出力等訴求將受到全面的挑戰和面臨更多的問題。如何適時有效調整我國核能發展的思維模式和訴求狀態，適應并促進核能成為新型電力系統尤其是新型能源體系的有機部分或者重要基石、探索形成與高比例新能源匹配度高甚至一體化發展新模式、核能積極安全有序發展帶來的前后端能力建設等研究，應成為未來核能研究發展的重要方向，從而幫助核能行業適應發展規模增加及面臨的新型發展形勢的要求。
四、“雙碳”目標下我國核能行業高質量發展的對策建議 （一）完善法規體系，拓展核能在未來我國能源體系中的作用和定位 未來我國核能發展應充分結合能源供應的發展趨勢和經濟安全需求等研究成果，進一步完善相關法規體系，既疏導核電持續發展及前期開發存在的各方面壓力，又積極拓展核能在未來我國能源體系中的作用和定位。核電行業可通過“已有規模穩妥發展、后續規模有序增長”等有效途徑，使核電成為我國新型電力系統的重要基礎支撐，從而在幫助電力系統應對極端氣候挑戰和保障電力安全供應中發揮更加重要的作用。在積極實現已有核電機組安全穩定運行的基礎上，通過一批核能綜合利用型工程項目的開工建設或技術改造等，逐步推動核能開發資源配置的擴展化、多樣化，從而推動核能在新型能源體系中發揮更重要的作用。 （二）持續鞏固核能在安全能源、高效能源及創新能源等領域的優勢 隨著未來清潔能源的更加普遍應用，核能在清潔低碳之外的安全、高效及其創新性要求將進一步強化。核能行業應時刻清醒地意識到“核安全是核能行業的生命線”“高效是核能行業的生存線”“創新是核能行業的發展線”。在未來我國核能發展時，采取各種有效的針對性政策、措施或活動，鞏固我國在核能領域已取得的安全性、高效性及創新性成果，并在未來核電項目建設及綜合利用等新領域中進一步發展和提升。未來可將諸如核電網絡安全、信息數據安全、與高比例新能源的數字協同、智能匹配外部新型電力系統發展等作為行業專項活動，保證在未來固有核電領域和拓寬后的技術應用領域中，核能的安全性、高效性和創新性等特征仍可以得到持續保障。 而安全性作為核能行業的生命線，更應該在全產業發展中得到優先保障。核能行業應將核安全始終作為重要工作全面受控開展，通過全面監督發現可能存在的安全問題、潛在風險苗頭、安全文化松動跡象等，開展定期普適性和不定期專門性的專項安全活動。同時，積極研究探索公眾宣傳新思路新辦法，提高和加強核能在公眾方面的接受程度，樹立核能在公眾心中的安全、高效、創新發展形象。 （三）提高未來核電經濟性，以應對能源和電力市場化等改革 隨著我國能源和電力市場化改革深化以及未來全國“碳市場”的發展成熟，核能行業不可避免地將面臨與其他低碳能源形式的競爭發展。當前我國核電發展已逐步完成向三代技術的全面轉型升級，相關建設成本在大幅提升后，后續將逐步凸顯三代技術的技術經濟優勢及其規模效應。而未來核電機組為適應新型電力系統可能需要開展的調峰及購買服務等，也將對核電經濟性帶來影響。在保障核能安全性、高效性、創新性等特征的基礎上，核能行業需要充分提高經濟性以應對能源和電力市場化等改革，如通過完善核電價格組成和優化核電設計以降低核電造價（核能行業協會提出的“批量化建設的三代核電站建成價15000元/kW左右、上網電價0.40元/kWh左右”，具有市場競爭的比較優勢）、通過后續核電建設規模有序增長以實現行業可持續發展、基于綜合成本優勢來積極拓展核能應用以實現核能在更廣闊的能源領域發展而不局限電力領域的競爭等，穩妥有序提高核能市場競爭力和在能源及電力體系中的份額，樹立并鞏固核能對穩定清潔低碳能源價格乃至全社會用能成本的重要戰略地位。 （四）通過科技專項帶動等核電成功經驗推動核能持續創新發展 在國家重大專項和重點科研課題的帶動下，我國核能行業積極吸取全球先進核能技術并自主取得了一系列先進研究成果，建成全球首座AP1000三代核電機組、全球首座“華龍一號”自主三代核電機組，正在建設國際領先的高溫氣冷堆核電示范工程和國內首個商業化快堆示范工程。未來我國核能發展應積極總結過往發展成功經驗，圍繞“雙碳”目標持續推動核能及其產業范疇內的科技領域創新，如圍繞核電站相關設備材料回收利用、綜合能源一體化發展新模式、新型節能增效工藝及設備（及國產化）等開展專項研究，或對已有核電站及未來核電站開展整體物聯網設計甚至智慧核電廠設計等，部分重大方向還應凝聚全行業力量建立國家級綜合創新研發中心。總之，通過助力能源供給側和消費側兩端的創新發展，實現對“雙碳”戰略目標的貫徹落實。
五、結束語 在“雙碳”戰略目標的指導下，我國能源產業的轉型主要將從能源結構調整、能源增效利用和能源“碳匯”工程三方面開展。核能作為已具有清潔低碳特征的能源品種，當前應將重點放在促進能源結構調整和能源增效利用方面，助力我國實現“兩個構建”及能源和電力產業高質量發展。本文基于對國內外能源發展趨勢和核能發展現狀的分析，提出我國核能未來高質量發展的一些建議，以供有關核能發展政策或措施行動出臺參考。 注：原文載自《中國工程咨詢》2021年第10期，本次發表有較大改動。文中部分圖片來源于網絡。 參考文獻 [1]余碧瑩,趙光普,安潤穎,等.碳中和目標下中國碳排放路徑研究[J].北京理工大學學報(社會科學版),2021,23(2),17-24. [2]陳白平,陸怡,劉恭毅,Thomas Palme,等.BCG中國氣候路徑報告：承前繼后、堅定前行[R].2020-10,4-20. [3]張運洲,張寧,代紅才,等.中國電力系統低碳發展分析模型構建與轉型路徑比較[J].中國電力,2021,54(3):1-11. [4]趙明軒,呂連宏,張保留,等.中國能源消費、經濟增長與碳排放之間的動態關系[J].環境科學研究,2021,24(6):1509-1522. [5]World Resources Institute, Climate Watch [DB/OL].2021-03-14～03-15. https://www.wri.org.cn/en/publication. [6]International Atomic Energy Agency, REFERENCE SERIES NO.1, 2020 Edition, 9-135. [7]榮健.我國核電安全高效發展路徑與措施[EB/OL].中國核能行業協會,2020-08-20. http://www.china-nea.cn/site/content/37816.html/site/content/37816.html. | |||||
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