能源高質量發展要求下核電發展前景研究

2019-11-26 02:04:28

中國核電 2019年5期

(國網能源研究院有限公司，北京 102209)

在人類共同應對全球氣候變化大背景下,能源清潔低碳轉型成為全球大趨勢,風光新能源進入大規模發展時代,而世界核電發展進程受日本福島核事故影響未來走勢充滿變數。全球視野下,世界能源供需格局出現重大變化,能源生產中心西傾、消費中心東移,能源地緣政治正在深刻改變,能源生產和消費國利益分化調整,局部角力加劇,全球能源安全格局正處于深度調整之中[2]。多方面不確定性因素疊加下,各國核電發展決策日趨保守。根據國際原子能機構最新統計,截至2019年6月,全球在運核電機組達到449臺,總裝機容量約3.98億kW,在建核電機組54臺,總裝機容量5 500萬kW。雖然有關國家出于安全因素的考慮,做出了棄核的決定,但全球范圍內仍有許多國家認為核電對加強本地能源供應安全和減緩氣候變化過程中將發揮重要作用。相對而言,近一時期我國核電發展機遇大于挑戰。我國作為最大的發展中國家,核電在建規模長期保持全球第一。如何在加快建設清潔低碳、安全高效能源體系的總體戰略布局下,謀劃好新時代核電的發展定位具有重大意義。這需要牢牢把握住新發展理念下能源高質量發展這個根本要求。

1 適應能源高質量發展的核電發展定位

能源發展要與經濟社會發展相協調,必須適應、支撐中國經濟由高速增長階段轉向高質量發展階段。能源行業要通過改革創新,走在高質量發展前列,爭取最大程度達成如下綜合目標：國家能源安全有效保障、能源科技硬實力領先、綠色發展水平一流、用能更加經濟、能源開發利用不平衡不充分根本扭轉、新業態新模式涌現等。毋庸置疑,高質量發展是更高開放水平和范圍下的發展,需要能源領域穩步推進“一帶一路”倡議,積極拓展國際能源合作,打造能源命運共同體。

實現能源高質量發展,根本途徑是新發展理念下供給側結構性改革,要堅持創新為第一動力、協調為內生要求、綠色為普遍形態、開放為必由之路、共享為根本目的。這要求核電產業建立創新驅動發展模式；著眼能源轉型全局,實現與各類電源協調發展；充分發揮核電技術特色作用,助推實現更高水平綠色發展；落實“一帶一路”倡議,積極拓展國際合作；共享發展,更注重公平性。

習總書記指出,要堅持理性、協調、并進的核安全觀；核工業是高科技戰略產業,是國家安全重要基石。這為我們認識能源發展與經濟社會發展相協調打開了更大空間。因此,核電適應能源高質量發展,不僅要著眼能源轉型發展全局,也要立足打造核工業大國重器的國家大局。研究對比各國能源戰略來看,核電發展定位與國家戰略、能源戰略密切相關,不同戰略下電屬性或核屬性的權重不同。俄羅斯是世界上較早利用核能的國家之一,兼顧核電和軍用,其技術優勢從蘇聯時期保持到現在,頗具戰略眼光。法國長期堅持以核能為主的能源發展戰略,有效緩解了能源安全問題,而且以較低電價支撐了國家經濟發展[3]。

我國核電產業發展基礎較好,具備從全球視野、更有戰略性的位置來謀劃未來發展的條件。首先,我國是世界上少數幾個擁有比較完整的核電工業體系的國家之一,關鍵設備和材料自主化、國產化取得重大突破。其次,我國投入商運的46臺機組安全運行業績突出,主要運行技術指標保持國際前列,在行業管理、安保與應急反應等方面積累了豐富經驗。再次,核電產業鏈長,具有較強帶動性。最后,我國核電“走出去”前景好,潛在的發展市場廣闊。

綜上所述,適應能源高質量發展總要求,核電需要走出一條創新、協調、綠色、開放、共享之路,積極承擔國家競爭力的基礎性功能作用。一是核電是我國非化石能源供應體系重要組成部分,對深度替代常規化石能源,持續優化能源供應結構具有重要作用,是我國打造綠色低碳發展國際競爭力的重要方面。二是核電是高效滿足能源需求、保障國家能源安全的戰略選擇。三是發展核電是提升我國裝備制造業國際競爭力、發展和支撐我國核大國地位的重要支撐。四是核電可在“一帶一路”建設中扮演重要角色,在開放條件下形成更大競爭力。五是在數字能源經濟下對外廣泛賦能帶動社會各方,共享發展。

2 清潔低碳、安全高效能源體系下核電發展前景

能源高質量發展,要求更高水平推進清潔低碳能源轉型。這關鍵在于要解決好風光、核電與各類電源靈活調節資源的優化配置與協調發展問題。未來,核電在能源結構中重要性將進一步提升。而安全一直是核電發展的中心要義,受此相關因素影響,全球核電發展呈較高不確定性。國際原子能機構(2017年)對2050年前的全球核電發展作了高、低兩種情景的預測,2030年3.45～5.54億kW,2040年3.32～7.17億kW,兩種情景預測結果差異巨大,甚至低方案發展水平不如當前。相對而言,IAEA(2017年)和BP(2018年)保持樂觀態度,預測2040年全球核電發展規模將在4.9億～7.2億kW之間。分析展望我國核電發展前景,不考慮類似因素影響,主要聚焦于如何通過協調發展實現綠色目標。

本文基于源—網—荷—儲協調規劃理論,依托具有自主知識產權的電力系統規劃軟件GESP,在滿足非化石能源消費占比目標、電力電量平衡、調峰平衡等約束前提下,以全社會電力供應總成本最低為目標,同步優化核電、新能源和抽蓄、氣電、火電靈活性改造等各類靈活調節資源的開發規模和布局,以及電力流向和規模，中長期電力系統規劃模式如圖1所示。核電裝機規模方面,按基準方案(1)按國家能源局2016年研究課題《我國中長期電力需求展望與預測模型研究》成果設置邊界條件。,預計2030年核電發展規模達到1.31億kW。布局方面,華東、南方和華北為主。發電量占比方面,2030年發電量占比達到10.0%。通過設計核電發展不同情景和方案,探索優化核電發展路徑。這包括電力需求采用高方案情景和核電投資成本提高情景。結果表明,相對基準情景,核電裝機分別增加900萬kW和減少6 100萬kW,但總裝機提高7%～12%,電力供應總成本顯著提高。

圖1 中長期電力系統規劃模型Fig.1 The model of medium-andlong-termpower system plan

從能源電力發展全局而言,核電中長期發展不同規模與節奏,是對安全性、清潔性和經濟性“不可能三角”的不同能源戰略權衡的結果。不同的核電發展路徑,意味著不同的風光新能源發展規模和調峰資源規模,以及相應成本的變化。不同歷史階段戰略優先次序不同,路徑抉擇就不同,成效也不同。由“十一五”優化發展能源工業,到“十三五”建設現代能源體系,國家能源戰略逐步由確保穩定和經濟的供應,向能源結構清潔低碳化轉型強化轉變。總體而言,非化石能源消費占比發展目標,要求核電與風光、靈活性資源發展步調要協調。這是核電助推能源高質量發展的基本路徑。

總體看,核電中長期穩定健康的發展節奏對于我國能源安全、綠色轉型起到關鍵作用,可成為“不可能三角”的破題變量。一方面,我國能源資源相對匱乏,油氣對外依存度持續攀升,在滿足綠色低碳發展各類技術路線中,核電是本土保障能源安全一個重要選擇。短期看,發展核電一定程度實現對油氣資源的存量和增量替代,可以降低進口需求量；中長期來看,傳統能源枯竭已成普遍共識,能源安全將取決于新能源領域的技術競爭,核電責無旁貸。另一方面,綠色與經濟性能否同步獲得。這主要看核電產業能否有效降低成本,提升效率。下一步應加快推進核電建設的標準化、自主化和系列化,加強項目建設的工程管理,努力降低核電單位千瓦投資,提升核電的經濟競爭力。

3 高比例新能源電力系統演化進程中核電協調運行方式

高比例新能源電力系統平衡特征和方式顯著改變,核電高效利用面臨新挑戰[4-5]。2017年,部分核電利用小時數受到影響,利用率低于70%。這與新能源運行特性密切相關。新能源發電功率波動的強時空差異性使得電力系統維持時空平衡的難度不斷加大,靈活性調節資源缺乏的問題日益凸顯。預計2035年新能源日最大功率波動可達6億kW,是目前華東電網最大負荷的兩倍,將給系統帶來15%～30%的反調峰需求。核電與新能源及各類靈活性調節資源的協調運行方式成為關注焦點。

國際先行國家實踐經驗表明,核電參與調峰可以作為調峰資源不足前提下的一種選擇,但并不經濟。一是法、美、日等國核電機組大都具備調峰能力,實際運行中則根據本國國情采取不同策略。法國由于電源調峰手段有限,大部分核電機組參與調峰,但各機組參與調峰次數要統籌平衡。美日氣電等調峰電源較為充足,核電承擔基荷為主。二是核電調峰的風險主要來自長期低功率運行和頻繁調峰。三是核電參與系統調峰成本較高。根據2010年國際原子能機構數據,負載率由 90%降至70%時,核電 LCOE 上升約35%,遠高于煤電的10%和氣電的7%。

量化研究中國核電參與調峰情況也有相似結論。一方面,在調峰資源短缺下,核電參與調峰對促進新能源消納有一定作用。國網能源研究院有關研究顯示,以華東地區2018年為例進行測算,選取新能源發電量占比最大(約6%)一周為典型周,通過抽蓄等靈活電源調節無棄風、棄光現象,此時核電不參與調峰。針對典型周,其他條件不變,假設新能源裝機提高1倍,發電量占比整體提高到11%時,如果核電仍不參與調峰,將出現棄風、棄光,棄電率約16.3%。但若調整核電運行方式,允許其裝機容量30%參與調峰,新能源棄電率可降至5.4%。另一方面,如圖2所示,未來高比例新能源電力系統中,隨著靈活性資源補齊“短板”、儲能等技術進步,核電僅是必要時段調峰資源不足的補充。

圖2 未來某區域電網在高比例新能源接入情景下典型周運行情況Fig.2 Typical weekly operation of a regional power grid in high proportion of VRE integration scenario

為解決核電不參與調峰的公平性等問題,需要充分發揮市場資源優化配置決定性作用,以電力市場手段發現調峰價值并分攤成本[6-7]。應該講,從綠色發展等角度而言,核電承擔基荷主張與新能源強調“全額消納”相似,但從對整個系統運行影響來看二者有較大不同。新能源追求低棄電率的理論基礎是新能源零邊際成本,而實際上新能源即使平價入網,系統仍需為其擔負額外靈活調節成本。為此,從市場公平性出發,需要包括核電、新能源在內系統各方共同承擔調峰成本。這需要積極推進電力市場改革,建立完善電量市場、容量市場和輔助服務市場規則,建立反映不同服務品質和價值的市場機制,幫助電力市場中所有參與主體發現價值。

4 順應數字能源經濟的核電行業潛在創新方向

適應能源高質量發展要求,打造核電創新驅動發展模式,還面臨著能源革命與數字革命跨界融合這一顯著歷史變化趨勢[8-9]。21世紀以來,能源電力技術快速發展,與“大云物移智”等現代信息通信和數字技術不斷融合,推動終端用能方式發生深刻變化。更大的背景是,當前及今后一段時期,我國經濟新舊動能深刻轉換,工業互聯網成為我國實施網絡強國、工業4.0的核心領域。2019年,中央經濟工作會議把推動制造業高質量發展,列為今年七項重大工作任務之首,明確提出加快人工智能、工業互聯網、物聯網等新型基礎設施的建設。

工業經驗與新一代人工智能深度融合,并借助巨型協同網絡對外廣泛賦能,成為未來技術競爭、企業創新發展的核心路徑[10]。西門子、中航工業、騰訊等各類型企業均視發展工業互聯網平臺為核心戰略。一是工業互聯網成為消費互聯網后主戰場。數據表明,我國工業互聯網直接產業規模約為5 700億元,年均增速高達18%,到2020年達萬億元。二是工業互聯網成為影響全球競爭格局關鍵領域。“德國國家工業戰略2030”甚至直接呼吁歐洲要逆轉去工業化趨勢,德國國家層面應直接參與推動平臺經濟發展[11]。三是放眼未來,是否擁有工業互聯網平臺,決定著企業能否進化到下一代的企業組織形態,成為賦能型的平臺企業,處于生態鏈頂層。

核電作為現代工業頂峰,是工業技術集大成者,有著獨特或不可替代的技術和管理優勢,在工業互聯網建設上很具有潛在競爭力。我國工業互聯網先行者航天云網主要基于信息化和智能制造優勢,對廣大中小企業賦能,持續形成新業態新模式,企業發展質量顯著提升。當前階段是布局未來國家級工業互聯網主平臺的關鍵窗口期,新一代信息技術與各行轉型正在加速融合,不同類型工業互聯網平臺競合將逐步深入。未來戰略競爭表現為網絡布局、賦能路徑和核心技術實力,核電工業均有相似或獨特之處。核電工業蘊含大量高科技,是巨復雜系統,具有貫穿產業鏈上下游的資源協同平臺和產業創新研發平臺,處于各行業安全管理高峰,相應的技術、資源和管理均可對外賦能,具備帶動中小企業向工業4.0發展的條件。

5 結語