正略諮詢:全球能源急轉彎,核電向左還向右?

一、全球能源轉型陣痛初現

全球能源向綠電加快轉型的陣痛2021年初見端倪。2月,美國德州經歷百年一遇的暴雪嚴寒天氣,供電系統出現大面積癱瘓,期間風力渦輪機和太陽能電池板被凍結無法出力。9月末,我國東北多地區由於“風力驟減”等原因,電力供應缺口達到嚴重級,多地拉閘限電。同一時期,歐洲遭遇十幾年來罕見的能源危機,天然氣價格幾周內成倍飆升、石油一桶難求、電力供應緊張,電價不斷上調。

這些反常現象背後都有一個共同的原因,那就是近年來在全球主要地區和國家以風電光伏為主的可再生能源裝機量和發電量佔比大幅提升,而風光發電靠天吃飯,遇到不利天氣,“不是你想來,想來就能來”。因此,很多人不禁產生疑惑:“煤電逐步被取代,風光正盛也無奈,核電緣何不加快呢?”這的確是一個值得深究的好問題。

二、全球核電發展進入瓶頸期

1942年,全球第一臺核反應堆“芝加哥一號堆”誕生,標誌著人類從此進入核能時代。在世紀之交,核電和火電、水電一道一度成為世界三大電力供應支柱。但近20年來,全球核電無論裝機量還是發電量基本處於原地踏步狀態,隨著全球電力消費量的不斷提升,核電發電量佔全球發電量比重出現持續小幅下滑。

正略諮詢:全球能源急轉彎,核電向左還向右?

1970-2020年全球核電發電量 圖源:《世界核能效能報告》(2021)

三、四座大山限制核電產業規模化發展

核電不進則退局面的產生最重要的誘因是2011年日本福島核洩漏事故,此後,有核國家的核電產業發展政策迅速保守化甚至出現倒退。中國國核心電工業足足坐了八年冷板凳(只在2015年底批覆建設防城港“華龍一號”三代堆示範機組和擴建田灣核電站,2019年建設重啟),而德國、比利時、瑞士、西班牙等國則先後明確提出將逐步淘汰核電。全球核電產業20年來仍未走出瓶頸期,因其揹負著“四座大山”。

01、核安全問題

歷史上共發生過三次高級別核事故(蘇聯切爾諾貝利、美國三里島、日本福島),十年前福島事故的“全球直播”更是導致很多民眾恐慌情緒加劇,政府議會“談核色變”。

02、核廢料處置問題

核廢料放射性強烈且持久,處理成本高難度大,一直是核工業發展需面對和解決的難題之一。

03、建設成本高、週期長

儘管核電全生命週期經濟性可觀,但投資額和門檻過高(建造成本佔全週期成本5-7成,二代機組單位造價是火電3倍,三代堆採用更高效能、更多安全冗餘裝備,造價比二代堆還高4成),工期動輒5-8年(國外8-10年,總造價比中國高50-100%),專案盈虧平衡點過遠。

04、地緣政治因素

無核國家投資開發天然鈾核反應堆,過程中可能掌握產業鏈上游的鈾濃縮技術,若將其應用於核武器製造,將對地緣政治甚至全球政治格局產生巨大且深遠影響,這也是國際核不擴散條約明確反對的。截至2021年10月,全球擁有在運或在建核電站的國家只有33個國家,可見無論是普通國家自主研發核電技術,還是核工業發達國家向無核國家轉移核電技術的可行性都很低。

這“四座大山”任何一個都足夠致命,更何況現實情況是四重壓迫疊加,可見絕大多數國家推進核電站專案的投資和建設都將遇到巨大阻力和重重困難。

四、新一代核電技術將成為遊戲規則改變者

全球核電技術演化發展至今可劃分為四代。第一代為實驗性核電技術,機組已全部退役;第二代以壓水堆/沸水堆為主,標準化、批次化建設的商用反應堆,在全球在運機組中仍是主力;第三代是安全性更高的核電技術和裝備,如中國華龍一號、法國ERP1000、美國AP1000;第四代以本質安全和具備大規模建設可行性為主要特徵,目前包括氣冷快堆、鉛冷快堆、鈉冷快堆、熔鹽反應堆、超臨界水冷堆和超高溫氣冷堆六大技術路徑。我國在眾多技術路線目前已處於全球領跑者地位。

01、高溫氣冷堆

高溫氣冷堆以氦氣作冷卻劑,以石墨作慢化劑,具有固有安全性強、系統簡單、小型模組化、發電發熱效率高、用途廣泛和選址靈活等獨特優勢,在經濟性上具有潛在競爭力,也被認為是最適合用於制氫的堆形。2021年9月12日,華能石島灣全球首座球床模組式高溫氣冷堆成功臨界。中國已在商業化上邁出了堅實的第一步。

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華能石島灣核電站高溫氣冷堆核圖源:中國華能

02、釷基熔鹽堆

釷基熔鹽堆技術熔鹽堆(TMSR)是唯一使用液態核燃料的核反應堆,使用更加安全廉價的釷-232裂變發電,具有高溫輸出、常壓工作、無水冷卻、核廢料少(傳統核電站的千分之一)和本徵防擴散(不使用能夠製造核武器的原料或工藝)等特點,是 “四代堆”的熱門候選堆型。2021年9月,我國甘肅釷基熔鹽堆啟動試執行,成為全球首個商業化試執行的釷反應堆專案。

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中國自主研發的釷基熔鹽堆圖源:中科院

由此可見,以高溫氣冷堆和釷基熔鹽堆為代表的第四代堆型有望一併解決制約核電在全球大規模發展的四大難題。不僅如此,第四代核電技術在海水淡化、供暖製冷、工業蒸汽、規模製氫、冶煉、煤液化、稠油熱採等諸多高耗能工業領域可實現核能綜合利用,產生巨大的經濟效益和社會效益。相關技術、裝備和施工工藝,假以時日將逐漸成熟可靠,如果先期試執行的商業化機組能保持長期安全穩定執行,我們有理由相信,具有更高本質安全性以及經濟和社會綜合收益的第四代反應堆,其建設和應用在世界各地的接受度將大幅提高,屆時核能在全球能源轉型程序中將發揮更大作用。

五、對全球核電發展前景的預測

01、權威機構預測

2020年至今,國際能源署(IEA)等國際權威組織、BP等國際石油公司、彭博新能源財經等能源諮詢機構相繼釋出了最新的全球能源展望報告。儘管不同報告資料差異存在較大差異,但卻有兩大普通共識,一是在2040/2050年全球能源消費結構中,非水可再生能源(風光為主)比重將在2019年11%基礎上實現成倍的提升(BP2050碳中和情景下的預測值為59%);二是未來20-30年,核電比重將維持在5%-7%,基本保持不變。

02、正略諮詢觀點

(1)全球能源轉型中核能價值被低估

未來二三十年,全球風光為主的可再生能源將迅猛發展,但由於“靠天吃飯”,風光能源難以獨立成為穩定的基荷能源,需大力發展配套儲能技術,才能解決其出力不穩定的問題。目前主流且綜合成本最低的儲能方式是抽水蓄能,其配套開發因受地理條件制約,無法普遍大規模應用。相較之下,核電是夠能大規模替代火電的最為可靠的基荷電源型別。從世界範圍來看,核電產業的發展態勢和動力與其在全球能源轉型中可發揮作用價值並不匹配。

(2)未來10年全球核電增量市場仍有限

從技術層面分析,第二代核電技術證明了核能發電技術的可行性和經濟性,但其本質安全方面存在的缺陷仍不可忽視;第三代核技術安全性實現數量級的提升,經過20多年我技術積累和發展,才剛剛在中美法俄等核能大國陸續實現商業化執行,且當前造價仍仍居高不下,難以大規模複製推廣;第四代反應堆技術,雖具有更好的安全性和經濟性,但技術研發、裝備製造和建設工藝的成熟仍需5年以上的培育和沉澱,而先期示範專案的安全性、穩定性和經濟性仍需時間檢驗。

此外,近年來受全球地緣政治、西方民主政治和鄰避效應等因素的制約,預計2030年之前,核電在全球範圍內獲得規模化發展的可能性微乎其微,而且發展將呈現不平衡的態勢。目前,中國、印度和俄羅斯是全球發展核電積極的國家,未來10年亞洲將成為全球核電投資建設重要的增量市場,除中國和印度外,巴基斯坦、薩克斯坦、印度尼西亞等國家已明確支援核電發展。在全球其他地區,沙烏地阿拉伯、土耳其、阿根廷、捷克、波蘭、南非等國,在能源轉型壓力和動力雙重作用下,未來也有望在核電開發領域有更大動作和投入。

(3)第四代核電技術或將重構全球能源格局

以釷基熔鹽堆、高溫氣冷堆為代表的第四代核反應堆技術,具有本質安全、核不擴散、選址靈活、核廢料少、能源效率高、工業用途廣等優點,可以一併推翻制約核電在全球範圍內大規模推廣應用的“四座大山”。隨著第四代核電技術的日臻成熟、商業化示範專案被時間證明是安全經濟可靠的、以及更新世代民眾對核電及其安全性的認知度和接受度普遍提升,第四代反應堆核有望在2030-2040年迎來投資建設高峰,屆時世界能源結構的演變動力將發生系統轉變,人類未來能源格局可能被核能重塑。

五、後記人類能源革命和進步將永無止境

人類從學會鑽木取火至今,從未停下探索和利用更高效能源的腳步,人類文明的演化和進步與新型能源的開發利用息息相關,每一次能源革命都會帶來生產力的巨大提升。300年前,瓦特改良了蒸汽機,人類社會發生了由原始的生物質能和自然能量利用向燃煤產生的蒸汽動力轉型的第一次能源革命。150年前,隨著石油天然氣的大規模開採和利用,人類社會發生了由燃煤蒸汽動力向煤炭、石油、天然氣化石燃料轉型的第二次能源革命,期間伴隨著火力發電主導的大規模電力開發和利用。當下,以“綠電”為發展主線的第三次能源革命正在發生。促使歷次能源革命發生的,是人類透過一段時期所積累的科技進步和突破,觸發了對更大獲取規模或更高能量密度能源進行商業化開發的臨界值。

眾所周知,可控核聚變被廣泛認為是人類能源的終極解決方案。由中國自主研發的世界首個全超導託卡馬克核聚變實驗裝置——東方超環(EAST),於2021年5月實現了可重複的1。2億度101秒等離子體執行和1。6億度20秒等離子體執行,相關研究進展和成果已遠超歐美俄等發達國家,為人類掌握可控核聚變的歷史樹立了一座豐碑。

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東方超環裝置圖片圖源:中科院合肥研究院等離子體所

歷史程序和經驗一次又一次地告訴我們,絕大多數的大趨所趨都我們比想象來的更快更猛烈。2011年至今僅10光景,我們見證了從智慧手機的普及、5G的大規模商用到自動駕駛技術和元宇宙概念呼之欲出,從國際石油巨頭“自廢武功”強行切換新能源賽道到人類初步掌握可控核聚變技術,人類科學進步和技術應用正保持穩定的加速度一路向前狂奔。核能無論何時都將是一把雙刃劍,但人類科學和技術水平正以前所未有的速度快速提高和成熟,我們有理由相信,在不久的未來,人類有能力找到核能和平高效利用的鑰匙,同時掌握開啟和控制潘多拉盒子的正確姿勢。

最後,望能源順利轉型,願世界永遠和平!

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