COP 26减碳目标下核电发展的必要性与可行性研究

2022-09-06张志刚

核安全 2022年4期

张萌，张志刚

（1. 南华大学核科学技术学院，衡阳 421001；2. 生态环境部华北核与辐射安全监督站，北京 100082）

1 COP 26 框架下的能源利用背景

当一定时期内通过人为二氧化碳移除使得全球人为二氧化碳排放量达到平衡时，称为净零二氧化碳（CO2）排放的实现。《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）第26次缔约方大会（COP 26）将到21世纪中叶确保全球实现零碳排放及碳中和的净零目标作为谈判的四大目标之一。然而会议秘书处指出：到2030年，全球温室气体排放水平下限仅为517.6亿t CO2当量，比2025年估计排放水平下限低2.1%。依照联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）给出的《全球升温1.5 ℃特别报告》，为将全球变暖水平控制在比工业化前水平高1.5 ℃以下（利用1850—1900年这一参照期来估算工业化前全球平均地表温度），2030年全球人为二氧化碳排放量需比2010年降低约45%。即使仅为将全球变暖水平控制在比工业化前水平高2 ℃以下，2030年的人为二氧化碳排放量仍需比2010年降低约25%［1］。

毫无疑问，这一目标是对当下国际竞争日趋激烈的能源体系的极大挑战。截至2020年，石油依然是全球的最大能源，其一次能源消费份额占比为31.2%，煤炭是第二大能源，其一次能源消费份额占比为27.2%，天然气是第三大能源，其一次能源消费份额占比为24.7%。而水力发电、可再生能源与核能仅分别占能源结构的6.9%、5.7%和4.3%［2］。由此可见，面对COP 26会议提出的减排目标，目前的世界能源消费结构中的低碳能源依旧相对疲软，难以在不影响后疫情时代全球经济复苏的前提下完成减碳目标。因此，积极谋求低碳能源与可再生能源的长足发展，对达成碳达峰、碳中和目标有着重要的意义。

2 世界各国能源发展动向

2.1 碳达峰背景下世界各国能源发展动向

受新冠疫情的影响，全球经济下行压力加大，进而导致2020年由于能源消费而造成的碳排放量与2019年相比下降了6.3%，一次能源消费总量下降了4.5%。其中石油作为一次能源消费的最大推手，在世界上主要国家与地区的需求量呈现下降的趋势。其中美国、欧盟和印度的石油需求量分别下降230万桶/天、150万桶/天和48 万桶/天，这在一定程度上减轻了全球减碳行动的压力。可再生能源发电量（不包括水电）总体增长了9.7%，尽管其能源增量的绝对值与前三年基本持平，却低于近10年每年增长13.4%的平均水平，可再生能源发展进度减慢。核电在一些国家的发展也出现了放缓甚至下滑趋势，其中美国2020年核电年平均增长率下滑了2.7%，法国下滑11.6%，日本核能年发电量仅为43.0TW·h，年平均增长率下滑了34.7%。

将碳排放量的下降与世界生产总量的下降进行比较，可以发现减少碳排放的价格几乎为每吨1400美元。在疫情全球化的畸形发展背景下，较低的碳排放与减碳进展是以经济发展和社会正常运转为代价的。而在2021年及之后的后疫情时代，减碳工作面临着全球经济复苏和2030年全球碳达峰时限的双重压力，世界能源体系面临的挑战便是如何在不造成大规模经济破坏和不影响民众日常生活的情况下尽可能减少碳排放。

2.2 碳达峰背景下我国的能源国情

2020年，中国是全球可再生能源增长的最大贡献者，但同时也是能源消费增幅最大的国家，其中仅一次能源消耗量就达到145.46 埃焦。在2020年中国的能源消费结构中（见表1），煤炭占比56.6%，石油占比19.6%，天然气占比8.2%，核能占比2.1%，水电占比8.1%，可再生能源（不包括水电）占比5.4%；而在世界范围内，以上各项能源消费的占比分别为：27.2%、31.3%、4.7%、4.3%、6.8%、5.7%。将两者通过柱状图的形式相对比（如图1所示）可以发现，我国的能源消费结构呈现出明显的比重不均衡且煤炭资源依赖程度高的特点，碳排放量相对较小的天然气的消费比重也远低于世界总体水平。综合来看，我国的能源结构呈现出消费单极化较为显著的特征。

图1 2020年中国和世界能源结构比较［3］Fig.1 Comparison of energy structure between China and the world in 2020

表1 2020年中国和世界能源结构比较［3］，＊Table 1 Comparison of energy structure between China and the world in 2020

在可再生与新能源等低碳能源方面，我国的可再生能源消费水平仅比世界总体水平高1个百分点。而相比近年来我国风电水电的高速发展，核电发展相对疲软，使得其消费比重比世界总体水平低2.2个百分点，在我国非化石能源发电量中核能的占比也仅约14%［4］，远低于世界平均水平。就非化石能源总体来看，为在2030年前实现碳达峰，我国政府提出的减少碳排放的阶段性目标为：2025年将非化石能源消费比重提升至20%左右，到2030年提升至25%［5］，相较于2020年非化石能源15.7%的消费总体比重仍存在较大的差距。

兼顾经济社会发展与“双碳”目标的实现，我国的能源体系既要满足发展需求又要实现对碳排放量的控制，需要重点关注能源供给侧的碳排放。在2019年，仅我国能源供给侧的碳排放量就高达约46 亿t，占比为40%。因此，优先从能源供给端入手，在不减少能源供应量的同时尽可能控制碳排放量，对于构建低碳稳定高效的能源体系十分重要。

3 COP 26背景下核电发展的必要性与可行性

3.1 发展核电有助于弥补我国能源结构短板

据上文数据分析可知，我国能源消费结构相对单一且低碳能源消费量与国际总体水平相比略显不足，这体现出我国能源结构受制于经济社会发展起步较晚的约束，难以通过常规手段与世界同步实现由高碳到低碳、由低碳到无碳的结构转型。依照世界能源的结构转型规律，由以煤炭为主的能源结构形式向以油气为主的能源结构的转型早在20世纪初就开始进行。由图1可以清晰地看出，世界能源转型第一步已经基本完成，总体上呈现出以油气为主的能源结构。我国在能源的消费架构上已经一定程度地落后于世界。

然而作为全球最大的发展中国家，我国经济社会仍处于中高速发展阶段，资源环境制约日趋强化。2020年，我国以煤炭等化石燃料为主的一次能源人均消耗量为101.1千兆J，相比于2019年增加了1.7个百分点［3］，是世界上为数不多的在疫情下依然保持了能源消耗上涨的国家之一。说明在抗疫卓有成效的同时我国经济发展的能源需求依然坚挺，且相较于发达国家，我国减碳压力更大。

从时间层面来看，我国“双碳”战略目标实现的时限紧张且任务繁重。以美国和欧洲为代表的发达经济体早在21世纪初和20世纪90年代就完成了碳达峰工作，距2050年有长达50余年的过渡期来达到碳中和目标，而对于中国，这个过渡期只有10余年［4］。

综合以上能源结构困境，我国需要在较短时间内实现高碳能源的转型与替代，而可再生能源由于易受制于特殊环境要求和能量密度低等缺点难以实现碳达峰目标。与之相比，核能发电在中国有着相当大的发展潜力与空间。

首先，核能作为第二大低碳能源，单位发电量所产生的温室气体从全寿命周期来看是最少的［4］。核电厂利用核裂变反应释放热能，在役发电生产周期中几乎不释放二氧化碳等温室气体。相较于相同装机容量的以煤炭为燃料的火力发电厂，一台1×106kW的核电机组可减少二氧化碳排放660万t/年，可以有效满足相同能源产量前提下能源低碳化的需求。其次，通过基于数据的包络分析法DEA对我国五种新能源效率进行评价，得知：核能与地热能在我国的发电效率最高［6］。而核能又不同于地热能，其不受制于我国现有的资源禀赋，核能装机容量可以在确保核安全与到位的公众沟通的前提下进一步扩大，有助于弥补能源结构短板，跨越能源结构改革落差，以期实现COP 26碳达峰、碳中和远景目标。

3.2 核电的造价与经济性具有优势

核电的经济性受成本和收益的不确定性影响较大，故笔者仅从核电的工程造价、发电成本和产出电价方面进行分析。

我国在役的核电机组中，二代核电机组平均单位造价为4396.25美元/kW，在国外核电造价明显趋高的情况下，保持相对稳定。而红沿河核电厂、宁德一期核电厂、福清一期核电厂等二代改进型核电厂由于批量化标准化建设的实现以及设计运行自主化的提高，其单位造价为12300～13400元/kW，低于世界上同类机组的总体单位造价。此外，对于包括AP1000、EPR和HPR1000在内的三代核电机组，由于技术改进与安全系统设备的增加，其工程造价相比于二代核电机组必然有所上涨。但是随着三代核电的规模化自主化发展程度日益提高，其工程造价也会逐步降低，进而在核电安全性提升的同时保障了其较高的经济性［7］。

在核燃料及其循环方面，据众多国际机构分析研判，核燃料自天然铀的采冶到玻璃固化废物的最终后处理，其循环费用仅占到核电厂建设运行总成本的20%～30%［7］。相比之下，燃料费用占比高达70%～80%的天然气发电反而拉低了其在减碳进程建设中的经济优势。核燃料循环的较小占比确保了核电厂运营总成本的相对稳定，便于核电在能源低碳化决策中脱颖而出。

从核电的消费端来看，我国核电上网电价具备经济竞争力。从2013年6月起，核电依据社会平均成本由国家核定上网电价，并且对核定价格高于煤电上网电价（含脱硫、脱硝加价，下同）的地区新建核电厂全部执行煤电电价。以核电大省广东为例，大亚湾核电厂和岭澳核电厂的上网电价均低于0.5 元/（kW·h），分别为0.420元/（kW·h）和0.429元/（kW·h），而当地脱硫脱硝燃煤机组的标杆上网电价为0.529元/（kW·h），核电电价具备明显优势。不仅限于广东省，我国核电上网电价在能源需求较大的东部沿海地区和华中部分地区均具备比煤电标杆上网电价更强的经济竞争优势，在减少碳排放的同时可以降低社会用电成本，有助于满足经济发展的需求。

3.3 发展核电是全球减碳行动的大势所趋

据IAEA的数据统计，截至2021年，全球在役核电机组达到449 台，实际装机容量为 3.93亿kW［8］。尽管在2011年福岛核事故发生后世界上一部分国家在核电发展上发生了决策顾虑，德国甚至曾一度计划在21世纪20年代关停全部核电厂，但是核能由于其能量密度较高、清洁低碳且边际成本低而被认为是可以大规模替代化石能源并且有较高市场竞争力的低碳能源。在可再生能源受制于技术与自然条件限制而难以快速发展至充分取代化石能源时，技术相对成熟且能够在短时间内完成建设投产的核电便成为实现双碳目标的必要选择。相关数据显示，自2012年以来国际核电发电量总体保持增长趋势。

从核电装机规模较大的核电大国来分析，美国核管会在增加其国内小堆审批数量的同时促使美国政府出台了《核能创新和现代化法案》，以期在保持美国核电产业国际影响力的同时加快核电技术的进步与创新，客观上推动了核电在减碳进程中的作用。随着核电技术进展与碳中和目标期限日益紧迫，美国各地方政府也在逐步寻求核电的解禁与发展，如西弗吉尼亚州于不久前解除了其长达30年的核禁令，为其能源脱碳化转型奠定了基础。

日本作为福岛核事故的直接受害国，其国内核电由于公信力受到重创而一度发展低迷，但鉴于核电在能源替代与能源安全保障方面的优势，日本原委会在其《核能白皮书》中提出了逐步恢复核电总体占比至20%的建议。

在欧洲，核电贡献了超过50%的低碳能源装机容量。法国虽然在2014年宣布放缓核电的发展步伐并降低能源体系中核电的占有率，但由于减碳目标的要求和能源短缺的限制，其国内能源体系依然以核能为基石，且在进行模块化小堆和新一代核电技术的进一步研究。

在我国，核电发展具备特有的后发优势。尽管核电在我国能源体系中的占比不高，但是这在一定程度上是由于我国经济社会发展所需能源体量巨大以及核电发展起步较晚所造成的。据相关统计，截至2021年一季度末，我国核电在建机组装机容量近2000万kW，位列世界第一，发展势头颇佳。在核电安全性方面，通过对比三代核电安全技术与我国在役二代改进型核电厂的安全指标（见表2），发现我国二代改进型核电厂的堆芯损坏频率（core damage frequency，CDF）和放射性早期大量释放频率（large early release frequency，LERF）指标已经接近三代核电的安全技术水平要求［9］。