“双碳”目标下核能发展形势思考

王　鑫，吴继承，朴　磊

“双碳”目标下核能发展形势思考

王鑫，吴继承，朴磊

（深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518026）

中国政府对于碳达峰、碳中和（“双碳”目标）的承诺，为低碳能源的发展带来了历史机遇。能源生产是碳排放的关键要素，我国能源结构必须转型才能够实现“双碳”目标。核能作为稳定高能量密度的非化石能源，在未来我国能源结构中处于什么样的位置、发挥什么样的作用，向哪些方向发展？对于这些问题的思考和讨论将有助于业界形成共识、形成发展合力，助力双碳目标的达成。

碳达峰；核能；综合利用

目前我国已成为世界第二大经济体，制造业大国。我国碳排放量随着经济社会的发展逐年提高，排放量占全球近30%，资源环境对于经济社会发展的制约作用日益明显。为实现经济社会的可持续、高质量发展，履行大国的责任担当，构建“人类命运共同体”，2020年9月，习近平主席在第七十五届联合国大会上郑重承诺，中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取于2060年前实现碳中和，这一重要宣示为我国应对气候变化、绿色低碳发展指明了方向。

2019年，我国全社会碳排放约105亿t，其中能源活动碳排放约98亿t，占全社会碳排放比重为87%。从能源品种看，燃煤发电和供热占能源活动碳排放比重为44%，煤炭终端燃烧排放占比35%，石油、天然气排放占比分别为15%、6%。化石能源燃烧是碳排放的主要来源，非化石能源替代化石能源是必然的选择，能源结构转型是实现碳达峰、碳中和的关键。

核能是重要的非化石能源，在“双碳”目标约束下，特别是面对我国多煤、缺油、少气的能源分布现状，大力发展核能是我国实现能源结构转型的必然选择，对深度替代化石能源，持续优化能源结构具有重要意义。核能在未来能源体系中将不仅仅是提供电力的角色，还将实现由核能发电到核能综合利用的转变，发挥核能重要的基础性能源作用。

1　核能是世界公认的重要低碳能源

核能具有低碳排放、能量密度高、无间歇性、占地面积小、受气候条件约束少等优点，是可以全天候提供电力的基荷能源。

低碳是核能作为非化石能源的突出优势。两台百万千瓦级“华龙一号”机组与同等容量的燃煤火电厂相比，每年可以减少煤炭消耗600万t，相当于减少二氧化碳排放1 700万t、减少氮氧化物及二氧化硫排放约15万t，减排效应相当于造林面积4.6万hm2。以2019年为例，世界上三分之一的低碳电力是由核能提供的，核能是当前世界上最主要的低碳能源之一。

核电是全生命周期的低碳能源。国际原子能机构（IAEA）的研究指出，核电从建造到退役，全生命周期的单位发电量温室气体二氧化碳排放仅为5.8 g/（kW·h）[1]，不到煤电同口径温室气体排放量的1%，和水电基本相当，如图1所示。核电的温室气体排放主要集中在燃料的开采、富集和建造阶段，合计占全周期碳排放的85%，大约4.9 g/（kW·h）；而生产阶段的碳排放仅占全周期碳排放量的3%，大约0.2 g/（kW·h）；退役阶段的碳排放量约占全周期的12%，大约0.7 g/（kW·h）。未来随着燃料开采及制造过程中技术和工艺的提升，核电的全生命周期碳排放量有望进一步降低。

图1　各种发电形式的全周期碳排量对比

核能是世界发达经济体共同的低碳能源选项。国际能源署的研究表明，在过去的半个世纪中，核能贡献了全球约一半的低碳电力，帮助降低了二氧化碳的长期排放的增速，在欧美等发达国家碳达峰过程中发挥了重要作用。从我国当前的发展阶段来看，推进能源生产和消费革命，实现“双碳”目标也同样必须重点发展核能。

2　核能作为基荷电源的地位和作用将得到加强

火电是我国电源结构中的基荷电源，发电量占比达到70%以上，适用于电网基本负荷及必要的负荷跟踪。核电既是除火电外唯一适合在我国发电装机结构中长期担任基荷电源的发电形式，又是在国家环保政策要求下逐步替代火电的清洁能源选项之一。

经合组织核能机构（OECD/NEA）2015年11月发布的《核能：应对气候变化》报告指出[2]：当前仅有两种能源，即核能和可再生能源（如风电和光伏）可用于降低电力部门的碳排放，其中核能是唯一能够提供可靠的可调度基荷电力的能源，而可再生能源发电由于其间歇性需要备用灵活调峰电源。

作为电网的基荷、骨干能源，必须具备长期、稳定、大功率输出的特点。目前三代核电每个机组功率差不多都在120万kW上下，一般一个核电站都是4～6台机组，换料周期18个月，大修换料时间一般不超过一个月，粗略估算至少保证600万kW以上的输出功率。我国正在大力发展太阳能发电、风能发电等新兴清洁能源，但是这些新能源最大的不足是受气候、季节的影响大，可用率较低，因而电网侧需进行智能化调配，并大力建设储能等调节设施，如图2所示。核电站的运行一般不受季节和气候的影响，也就是说可以整个换料周期内可以一直保持满负荷运行。这对电网的稳定至关重要，如果核电的比例达到一定程度，那么将起到电网压舱石的作用。2021年，由于电煤涨价，叠加夏季、冬季用电高峰，加上电煤运输需要占用大量的运力，一度对电网稳定运行造成影响，这时核电优势就凸现了出来，尤其是在广东等核电占比较高的省份，核电成为了电网安全稳定运行的重要保障。

图2　典型的电力需求和供应曲线

能源是工业的基础，能源安全对保障国家经济建设，甚至维护国家安全起到非常重要的作用。曾经发生在北美地区的大面积停电事故，对加拿大、美国造成灾难性的影响。未来的能源安全必须有稳定的基荷、骨干能源为支撑，多种能源互补的多元结构体系。

我国率先提出“双碳”战略，是在确保经济持续健康发展、人们生活水平不断提高的同时，让天更蓝，水更清。在经济稳定发展，保障人民生活水平不断提升的大背景下，能源的需求量以及品质要求都将不断提升，能源的应用端也正在发生变革，以新能源汽车等移动二次能源蓬勃发展，悄然改变人们的生活方式。未来30年，我国终端能源消费将由一次能源向以清洁低碳电力为主的二次能源转变，电力需求仍有较大的持续增长空间。在“双碳”目标约束下，我国电源结构将加快向清洁低碳转型，火电等化石能源发电占比将逐步下降，核能等非化石能源发电占比不断提升，核电替代火电承担基荷电源的地位和作用将得到加强。

3　核能发展规划及持续提升

“双碳”目标对核电发展提出了更高的要求。国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》提出，要积极安全有序发展核电。根据我国“十四五”发展规划，“十四五”期末我国核电运行装机预计将达到7 000万kW，在“十三五”期末（截至2020年年底，我国运行核电机组共48台，总装机容量4 989万kW）运行装机容量的基础上增加40%。从装机容量上看，目前我国核电装机容量已经排名世界第三；从发电量计算，我国核电的年发电量已经排名世界第二，仅次于美国。但我国核电在发电量中的占比总体还比较低。2020年我国核电发电量占全国发电量的比例仅4.7%，远低于美国、法国等核电大国（2020年，美国核电装机约1亿kW，核电发电量占总发电量约20%；法国的核电占比世界最高、达到了70%以上；韩国的核电在发电量中的占比接近30%）。核电进一步发展的市场空间仍然巨大。未来中国能源结构中核电的占比预计将会和美国相当，因此对减少碳排放发挥重要作用。图3为碳中和情境下核能发电量预测情况。

图3　碳中和情境下发电量预测

核电技术的持续进步和提升也为我国核电的快速发展创造了条件。“十三五”期间，自主三代核电技术“华龙一号”的成功开发和应用，开创了我国核电发展的新时代。“华龙一号”充分借鉴了国际先进三代堆型的设计理念，充分依托了业已成熟的我国核电装备制造业体系和能力，体现了安全性与经济性的均衡、先进性与成熟性的统一、能动与非能动的结合的设计理念，成功跻身世界一流三代技术的行列，并实现了国内的批量化建设和“走出去”的重大突破。在此基础上，“华龙一号”还在结合工程建设和生产运维中的经验反馈，探索新技术、新方法的应用，不断改进、优化和迭代，不断提高安全性，降低工程造价、缩短建造工期，提升可用率，提高自动化和智能化的水平，在未来的电力市场中更有竞争力。

未来能源结构将是以火电、水电、核电等骨干基荷能源为基础，太阳能、风能等能源为补充的多元、均衡结构。同时，大力提升能源利用效率，拓展能源用途，一次、二次能源协调发展必将成为常态。因此，核电还将进一步拓展应用领域和价值体系，在核能综合利用、核能制氢等领域不断探索，适应更广阔的应用场景；在新型电力系统、生态核电等价值链上不断创新，打造人与自然和谐共生的可持续发展新生态。

4　大力发展核能将促进可再生能源的大规模发展

我国可再生能源发展迅速，规划到2030年风电、太阳能发电总装机容量将达12 亿kW 以上，比当前翻一番。可再生能源的波动性和间歇性导致其与目前的电网基础设施缺乏良好的兼容性，大规模并网时，需要提供稳定的基荷电源或者配置大规模的储能装置调控电力输出，以保障电力系统安全稳定运行。

当前以电化学储能为主的储能装置更适合平抑短时的电力波动，未来随着风电、太阳能发电大规模并网，需要平抑数日、数周乃至季节性的电量波动，必须采用长时间、大容量的储能技术，以实现更广时间和空间范围内的能量转移。从当前储能技术的发展和可承受的储能价格角度，短期内还没有能满足上述要求的储能方式。因此，在储能技术瓶颈短期无法突破的现实情况下，迫切需要稳定的基荷电源支撑大比例可再生能源接入电网。

核能发电技术成熟、安全可靠、出力稳定，是现阶段唯一能够提供可调度基荷电力的清洁低碳能源，能够与可再生能源实现电力电量时空高度匹配的互补型发展，支撑可再生能源的大规模并网以及电网对可再生能源的大比例消纳。大力发展核能会更有利于可再生能源的发展，将来可再生能源将共同构成未来能源和电力系统非化石能源的重要组成部分。

5　核能是高品位热能的重要来源

核能通过核反应过程获得高品位热能，发电只是核热能利用的一种形式。核热能还可用于向工业供汽、民用供暖、制氢、海水淡化等，实现核热能的梯级综合利用。核热能的综合利用不仅是提高能源利用效率的有效方式，也为各行业减少碳排放提供了重要选择。

以石化行业为例，其生产过程对蒸汽、热水的需求很大，涉及大量的化石能源燃烧，是温室气体的重要来源。面对越来越严苛的碳排放要求，石化行业迫切需要通过低碳排放方式提供热能。同时，随着石化企业的聚集化、一体化、协同化发展，石化园区对大规模集中供热的需求正在增加。核电站能够提供稳定持续的热能，利用核电站向石化园区供应蒸汽、热水，不产生温室气体，在降低石化行业能源消耗总量的同时还可以满足其脱碳减排需求。除了石化行业，国家各部委正在积极推动工业部门落实碳减排行动措施，钢铁、电解铝、煤化工、水泥、建筑等行业作为高碳排放、高能耗行业，实现绿色低碳转型势在必行，核能可以为这些行业提供热能，提供脱碳技术方案。

我国 60%以上的地区、50%以上的人口需要冬季供热。目前的供热方式主要为集中供热和分布式供热。其中，集中供热主要来自于燃煤热电联产或者燃煤锅炉，每年需要消耗 5 亿t煤炭。随着环保政策引导，北方地区冬季供暖燃煤消耗受限，产生了大量清洁能源供热需求。固有安全性高、可靠近城市周边部署的核能供热技术成为城市居民大规模清洁供暖的重要技术方案。在中国北方的核电基地中，山东海阳核电、石岛湾核电，辽宁红沿河核电、徐大堡核电等均已实施或考虑实施民用供暖，进行了相应的技术改造或设计。

制氢是氢能产业的关键环节。现有制氢方法主要为化石燃料转化制氢和水电解制氢，前者在产氢过程中产生大量碳排放，后者需要消耗大量电能，能量转换效率较低，成本较高，这些方法难以适应氢能经济所要求的可持续、无污染、经济的要求。利用核电站为制氢提供所需要的热能，并选择合适的工艺，能够高效、大规模的制氢，同时减少温室气体的排放。

6　总结

在“双碳”目标指引下，我国能源结构将加速向清洁低碳转型。核能作为典优质的清洁低碳能源，是我国实现能源结构转型和“双碳”目标的必然选择。核能不仅能提供清洁低碳电力，也是高品位热能的重要来源，是未来能源体系重要的基荷能源。核能的发展不仅有利于可再生能源的大规模发展，更为高碳排放部门的脱碳需求提供了重要选择。

［1］ International Atomic Energy Agency．Climate Change and the Role of nuclear power［R］．Vienna：IAEA，2019：4-6．

［2］ Organization for Economic Co-operation and Development/ Nuclear Energy Association．Nuclear Energy：Combating Climate Change［R］．Vienna：IAEA，2015：14-15．

Consideration of the Development Situation of Nuclear Power under the Goal of Carbon Peaking and Carbon Neutraulity

WANG Xin，WU Jicheng，PU Lei

（China Nuclear Power Design Co.，Ltd.，Shenzhen of Guangdong Prov. 518026，China）

The Chinese government’s commitment to carbon peaking and carbon neutrality (“dual carbon” goal) has brought historical opportunities for the development of low-carbon energy. Energy production is a key element of carbon emission, and China’s energy mix must be transformed in order to achieve the “dual-carbon” goal. As a stable non-fossil energy with high energy density, what position and role nuclear power will play in China’s future energy mix, and in what direction will it develop? The consideration and discussion on these issues will help the industry to form a consensus and joint force for its development, and help to achieve the “dual-carbon” goal.

Carbon peaking; Nuclear power; Comprehensive uses

TK01

A

0258-0918（2022）02-0241-05

2021-11-25

王鑫（1966—），男，四川眉山人，研究员级高级工程师，现主要从事核电型号研发和设计相关研究