能源高质量发展要求下核电发展前景研究

(国网能源研究院有限公司，北京 102209)

在人类共同应对全球气候变化大背景下,能源清洁低碳转型成为全球大趋势,风光新能源进入大规模发展时代,而世界核电发展进程受日本福岛核事故影响未来走势充满变数。全球视野下,世界能源供需格局出现重大变化,能源生产中心西倾、消费中心东移,能源地缘政治正在深刻改变,能源生产和消费国利益分化调整,局部角力加剧,全球能源安全格局正处于深度调整之中[2]。多方面不确定性因素叠加下,各国核电发展决策日趋保守。根据国际原子能机构最新统计,截至2019年6月,全球在运核电机组达到449台,总装机容量约3.98亿kW,在建核电机组54台,总装机容量5 500万kW。虽然有关国家出于安全因素的考虑,做出了弃核的决定,但全球范围内仍有许多国家认为核电对加强本地能源供应安全和减缓气候变化过程中将发挥重要作用。相对而言,近一时期我国核电发展机遇大于挑战。我国作为最大的发展中国家,核电在建规模长期保持全球第一。如何在加快建设清洁低碳、安全高效能源体系的总体战略布局下,谋划好新时代核电的发展定位具有重大意义。这需要牢牢把握住新发展理念下能源高质量发展这个根本要求。

1 适应能源高质量发展的核电发展定位

能源发展要与经济社会发展相协调,必须适应、支撑中国经济由高速增长阶段转向高质量发展阶段。能源行业要通过改革创新,走在高质量发展前列,争取最大程度达成如下综合目标：国家能源安全有效保障、能源科技硬实力领先、绿色发展水平一流、用能更加经济、能源开发利用不平衡不充分根本扭转、新业态新模式涌现等。毋庸置疑,高质量发展是更高开放水平和范围下的发展,需要能源领域稳步推进“一带一路”倡议,积极拓展国际能源合作,打造能源命运共同体。

实现能源高质量发展,根本途径是新发展理念下供给侧结构性改革,要坚持创新为第一动力、协调为内生要求、绿色为普遍形态、开放为必由之路、共享为根本目的。这要求核电产业建立创新驱动发展模式；着眼能源转型全局,实现与各类电源协调发展；充分发挥核电技术特色作用,助推实现更高水平绿色发展；落实“一带一路”倡议,积极拓展国际合作；共享发展,更注重公平性。

习总书记指出,要坚持理性、协调、并进的核安全观；核工业是高科技战略产业,是国家安全重要基石。这为我们认识能源发展与经济社会发展相协调打开了更大空间。因此,核电适应能源高质量发展,不仅要着眼能源转型发展全局,也要立足打造核工业大国重器的国家大局。研究对比各国能源战略来看,核电发展定位与国家战略、能源战略密切相关,不同战略下电属性或核属性的权重不同。俄罗斯是世界上较早利用核能的国家之一,兼顾核电和军用,其技术优势从苏联时期保持到现在,颇具战略眼光。法国长期坚持以核能为主的能源发展战略,有效缓解了能源安全问题,而且以较低电价支撑了国家经济发展[3]。

我国核电产业发展基础较好,具备从全球视野、更有战略性的位置来谋划未来发展的条件。首先,我国是世界上少数几个拥有比较完整的核电工业体系的国家之一,关键设备和材料自主化、国产化取得重大突破。其次,我国投入商运的46台机组安全运行业绩突出,主要运行技术指标保持国际前列,在行业管理、安保与应急反应等方面积累了丰富经验。再次,核电产业链长,具有较强带动性。最后,我国核电“走出去”前景好,潜在的发展市场广阔。

综上所述,适应能源高质量发展总要求,核电需要走出一条创新、协调、绿色、开放、共享之路,积极承担国家竞争力的基础性功能作用。一是核电是我国非化石能源供应体系重要组成部分,对深度替代常规化石能源,持续优化能源供应结构具有重要作用,是我国打造绿色低碳发展国际竞争力的重要方面。二是核电是高效满足能源需求、保障国家能源安全的战略选择。三是发展核电是提升我国装备制造业国际竞争力、发展和支撑我国核大国地位的重要支撑。四是核电可在“一带一路”建设中扮演重要角色,在开放条件下形成更大竞争力。五是在数字能源经济下对外广泛赋能带动社会各方,共享发展。

2 清洁低碳、安全高效能源体系下核电发展前景

能源高质量发展,要求更高水平推进清洁低碳能源转型。这关键在于要解决好风光、核电与各类电源灵活调节资源的优化配置与协调发展问题。未来,核电在能源结构中重要性将进一步提升。而安全一直是核电发展的中心要义,受此相关因素影响,全球核电发展呈较高不确定性。国际原子能机构(2017年)对2050年前的全球核电发展作了高、低两种情景的预测,2030年3.45～5.54亿kW,2040年3.32～7.17亿kW,两种情景预测结果差异巨大,甚至低方案发展水平不如当前。相对而言,IAEA(2017年)和BP(2018年)保持乐观态度,预测2040年全球核电发展规模将在4.9亿～7.2亿kW之间。分析展望我国核电发展前景,不考虑类似因素影响,主要聚焦于如何通过协调发展实现绿色目标。

本文基于源—网—荷—储协调规划理论,依托具有自主知识产权的电力系统规划软件GESP,在满足非化石能源消费占比目标、电力电量平衡、调峰平衡等约束前提下,以全社会电力供应总成本最低为目标,同步优化核电、新能源和抽蓄、气电、火电灵活性改造等各类灵活调节资源的开发规模和布局,以及电力流向和规模，中长期电力系统规划模式如图1所示。核电装机规模方面,按基准方案(1)按国家能源局2016年研究课题《我国中长期电力需求展望与预测模型研究》成果设置边界条件。,预计2030年核电发展规模达到1.31亿kW。布局方面,华东、南方和华北为主。发电量占比方面,2030年发电量占比达到10.0%。通过设计核电发展不同情景和方案,探索优化核电发展路径。这包括电力需求采用高方案情景和核电投资成本提高情景。结果表明,相对基准情景,核电装机分别增加900万kW和减少6 100万kW,但总装机提高7%～12%,电力供应总成本显著提高。

图1 中长期电力系统规划模型Fig.1 The model of medium-andlong-termpower system plan

从能源电力发展全局而言,核电中长期发展不同规模与节奏,是对安全性、清洁性和经济性“不可能三角”的不同能源战略权衡的结果。不同的核电发展路径,意味着不同的风光新能源发展规模和调峰资源规模,以及相应成本的变化。不同历史阶段战略优先次序不同,路径抉择就不同,成效也不同。由“十一五”优化发展能源工业,到“十三五”建设现代能源体系,国家能源战略逐步由确保稳定和经济的供应,向能源结构清洁低碳化转型强化转变。总体而言,非化石能源消费占比发展目标,要求核电与风光、灵活性资源发展步调要协调。这是核电助推能源高质量发展的基本路径。

总体看,核电中长期稳定健康的发展节奏对于我国能源安全、绿色转型起到关键作用,可成为“不可能三角”的破题变量。一方面,我国能源资源相对匮乏,油气对外依存度持续攀升,在满足绿色低碳发展各类技术路线中,核电是本土保障能源安全一个重要选择。短期看,发展核电一定程度实现对油气资源的存量和增量替代,可以降低进口需求量；中长期来看,传统能源枯竭已成普遍共识,能源安全将取决于新能源领域的技术竞争,核电责无旁贷。另一方面,绿色与经济性能否同步获得。这主要看核电产业能否有效降低成本,提升效率。下一步应加快推进核电建设的标准化、自主化和系列化,加强项目建设的工程管理,努力降低核电单位千瓦投资,提升核电的经济竞争力。

3 高比例新能源电力系统演化进程中核电协调运行方式

高比例新能源电力系统平衡特征和方式显著改变,核电高效利用面临新挑战[4-5]。2017年,部分核电利用小时数受到影响,利用率低于70%。这与新能源运行特性密切相关。新能源发电功率波动的强时空差异性使得电力系统维持时空平衡的难度不断加大,灵活性调节资源缺乏的问题日益凸显。预计2035年新能源日最大功率波动可达6亿kW,是目前华东电网最大负荷的两倍,将给系统带来15%～30%的反调峰需求。核电与新能源及各类灵活性调节资源的协调运行方式成为关注焦点。

国际先行国家实践经验表明,核电参与调峰可以作为调峰资源不足前提下的一种选择,但并不经济。一是法、美、日等国核电机组大都具备调峰能力,实际运行中则根据本国国情采取不同策略。法国由于电源调峰手段有限,大部分核电机组参与调峰,但各机组参与调峰次数要统筹平衡。美日气电等调峰电源较为充足,核电承担基荷为主。二是核电调峰的风险主要来自长期低功率运行和频繁调峰。三是核电参与系统调峰成本较高。根据2010年国际原子能机构数据,负载率由 90%降至70%时,核电 LCOE 上升约35%,远高于煤电的10%和气电的7%。

量化研究中国核电参与调峰情况也有相似结论。一方面,在调峰资源短缺下,核电参与调峰对促进新能源消纳有一定作用。国网能源研究院有关研究显示,以华东地区2018年为例进行测算,选取新能源发电量占比最大(约6%)一周为典型周,通过抽蓄等灵活电源调节无弃风、弃光现象,此时核电不参与调峰。针对典型周,其他条件不变,假设新能源装机提高1倍,发电量占比整体提高到11%时,如果核电仍不参与调峰,将出现弃风、弃光,弃电率约16.3%。但若调整核电运行方式,允许其装机容量30%参与调峰,新能源弃电率可降至5.4%。另一方面,如图2所示,未来高比例新能源电力系统中,随着灵活性资源补齐“短板”、储能等技术进步,核电仅是必要时段调峰资源不足的补充。

图2 未来某区域电网在高比例新能源接入情景下典型周运行情况Fig.2 Typical weekly operation of a regional power grid in high proportion of VRE integration scenario

为解决核电不参与调峰的公平性等问题,需要充分发挥市场资源优化配置决定性作用,以电力市场手段发现调峰价值并分摊成本[6-7]。应该讲,从绿色发展等角度而言,核电承担基荷主张与新能源强调“全额消纳”相似,但从对整个系统运行影响来看二者有较大不同。新能源追求低弃电率的理论基础是新能源零边际成本,而实际上新能源即使平价入网,系统仍需为其担负额外灵活调节成本。为此,从市场公平性出发,需要包括核电、新能源在内系统各方共同承担调峰成本。这需要积极推进电力市场改革,建立完善电量市场、容量市场和辅助服务市场规则,建立反映不同服务品质和价值的市场机制,帮助电力市场中所有参与主体发现价值。

4 顺应数字能源经济的核电行业潜在创新方向

适应能源高质量发展要求,打造核电创新驱动发展模式,还面临着能源革命与数字革命跨界融合这一显著历史变化趋势[8-9]。21世纪以来,能源电力技术快速发展,与“大云物移智”等现代信息通信和数字技术不断融合,推动终端用能方式发生深刻变化。更大的背景是,当前及今后一段时期,我国经济新旧动能深刻转换,工业互联网成为我国实施网络强国、工业4.0的核心领域。2019年,中央经济工作会议把推动制造业高质量发展,列为今年七项重大工作任务之首,明确提出加快人工智能、工业互联网、物联网等新型基础设施的建设。

工业经验与新一代人工智能深度融合,并借助巨型协同网络对外广泛赋能,成为未来技术竞争、企业创新发展的核心路径[10]。西门子、中航工业、腾讯等各类型企业均视发展工业互联网平台为核心战略。一是工业互联网成为消费互联网后主战场。数据表明,我国工业互联网直接产业规模约为5 700亿元,年均增速高达18%,到2020年达万亿元。二是工业互联网成为影响全球竞争格局关键领域。“德国国家工业战略2030”甚至直接呼吁欧洲要逆转去工业化趋势,德国国家层面应直接参与推动平台经济发展[11]。三是放眼未来,是否拥有工业互联网平台,决定着企业能否进化到下一代的企业组织形态,成为赋能型的平台企业,处于生态链顶层。

核电作为现代工业顶峰,是工业技术集大成者,有着独特或不可替代的技术和管理优势,在工业互联网建设上很具有潜在竞争力。我国工业互联网先行者航天云网主要基于信息化和智能制造优势,对广大中小企业赋能,持续形成新业态新模式,企业发展质量显著提升。当前阶段是布局未来国家级工业互联网主平台的关键窗口期,新一代信息技术与各行转型正在加速融合,不同类型工业互联网平台竞合将逐步深入。未来战略竞争表现为网络布局、赋能路径和核心技术实力,核电工业均有相似或独特之处。核电工业蕴含大量高科技,是巨复杂系统,具有贯穿产业链上下游的资源协同平台和产业创新研发平台,处于各行业安全管理高峰,相应的技术、资源和管理均可对外赋能,具备带动中小企业向工业4.0发展的条件。

5 结 语

核电对加快绿色发展、保障国家能源安全、落实“一带一路”倡议、支撑我国核大国地位具有重要作用。随着清洁低碳、安全高效能源体系建设深入推进,核电发展机遇大于挑战。“十四五”乃至更长发展时期内,核电需要立足全球视野,着眼能源转型全局,在新发展理念下按照能源高质量发展要求,全面提升发展活力、创新力和竞争力。