核能供热发展模式研究

2022-03-31 13:40  来源:能源杂志    核能供热  核能供暖  海阳核电站  秦山核电站  碳达峰  碳中和

核能作为清洁低碳安全有效的能源形式,在集中供热领域发挥重要作用。发展核能供热有助于推动能源绿色低碳发展战略,实现能源结构和产业升级,同时国家能源局也在试点运行。


2020年9月22日,国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上指出,中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。根据中共中央、国务院印发的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》,到2025年、2030年和2060年,我国非化石能源消费比重分别达到20%左右、25%左右和80%以上。

碳排放交易的实行以及地方政府面临的能源双控政策压力,清洁低碳转型是能源领域的发展方向。集中供热是我国消耗煤炭和产生碳排放的重要领域,在“双碳”发展目标下也需要向清洁清洁供暖方向转型。核能作为清洁低碳安全有效的能源形式,在集中供热领域发挥重要作用。发展核能供热有助于推动能源绿色低碳发展战略,实现能源结构和产业升级,同时国家能源局也在试点运行。

我国集中供热发展现状及趋势

我国北方地区居民冬季取暖是重要的国计民生事项,党中央、国务院多次对居民集中采暖做出重要批示指示。目前,全国需要采暖的省份有17个,占国土面积的60%以上,采暖人口达到7亿以上。我国集中供暖的热源以热电联产和区域锅炉房为主,使用的燃料以煤炭为主,每年消耗煤炭数亿吨。燃煤是导致华北地区冬季雾霾、拉闸限电、实现“双碳”目标存在压力的重要原因,亟需采用新型清洁能源替代燃煤取暖。

根据国家统计局数据,2000-2020年中国城市集中供热面积逐年增长。2000年我国城市集中供热面积为11.10亿平方米,2020年增长至98.82亿平方米,年增长率高达10.41%。随着我国农村城镇化的快速发展和南方部分地区逐步实现冬季供暖,我国集中供热面积还在不断攀升,保守估计到2030年将达到150亿平方米。

 

核能是当前较成熟的替代一次能源的能源形式之一,利用核能进行集中供热已进行了大量的研究。与传统热源相比,核能供热可以显著减少污染物排放,供热安全性有保障,将有效改善我国能源结构,缓解日趋严重的能源供应紧张局面,在保护环境、健康中国建设、“双碳”目标实现以及缓解燃煤运输压力等方面具有积极意义。

核能供热面临重大机遇

国家支持核能供热

(1)2016年,国家发展改革委和国家能源局联合发布《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》指出,到2050年,核能供热具备规模建设条件。

(2)2017年,由十部委印发的《北方地区冬季清洁取暖规划(2017-2021)》明确指出核能、地热、太阳能等能源是清洁供暖的重要形式。

(3)2018年,国家能源局在《2018年能源工作指导意见》指出,积极研究推动北方地区核能供暖试点工作。

(4)2018年,国家能源局发布《北方地区核能供暖五年行动方案》(征求意见稿),将核能供暖示范工程列为重点项目予以推进。

(5)2021年,国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》指出,积极推动高温气冷堆、快堆、模块化小型堆、海上浮动堆等先进堆型示范工程,开展核能综合利用。

城市集中供暖面积快速发展

随着我国城镇化提速和城市建筑集中供暖面积的持续增加,为核能供热提供了用户环境。2020年,我国供热面积为98.82亿平方米,预计到2030年达到150亿平方米。若增长面积的10%由核能供热来提供,核能供热面积将达到5.2亿平方米,约相当于26-52个热功率为400MWt的“燕龙”低温供热堆的供热面积。

国内已具有良好的核能供热实践

1981年,我国清华大学就提出了发展低温供热堆的倡议,1983-1984年完成泳池堆核能供热实验,取得满意结果。1986年3月,清华大学开工建设5MWt低温供热堆,1989年12月满功率运行,开始向5万平方米的建筑物供热,连续供暖100天,验证了核能供热的优异性能。

2017年11月,中国原子能科学研究院启动49-2泳池堆开展供热演示,实现安全供热满168小时,具备为两座办公楼和49-2堆厂房总面积约1万平方米的供热能力,标志着我国在核能供热技术领域的自主研发取得重要进展。

我国秦山核电站和海阳核电站已经实现商用核电机组的区域供热。2021年,秦山核电站完成我国南方地区首个核能供热示范工程(一期),供热面积46万平方米,为近4000户居民供热。2021年,海阳核电站为山东海阳市供热面积达到450万平米,为20万居民海阳城区居民供热,助力海阳城区成为国内首个全部实现核能供热的城市。

核能供热概况

在冬季寒冷、供暖期长的北欧核电国家比较流行使用商用核电机组进行区域供热,并具有成熟经验和丰富的商用经验。核能供热主要有单一核能供热和热电联产两种方式。

单一核能供热方式

单一核能供热方式是指以主要以供热为目的建造的低温供热核反应堆,在供热期内主要以供热方式运行,在非供热期内停运检修,考虑经济性也可用于生产同位素等其他应用。

中国、前苏联、加拿大、德国、瑞士、法国等国都对低温核供热堆进行了研发。加拿大热功率为2MWt的SLOWPOKE-III(SDR)常压池式供热堆为建筑物进行了2年演示实验。从上世纪60到80年代,我国和国外相关国家开始探索单一核能供热问题,验证了核能供热的安全性与可靠性,并积累了大量的经验,未发生核安全和核事故。我国研发了“燕龙”、NHR-200 I、NHR-200 II、HAPPY 200等多种型号的低温供热堆。

由于当时考虑各国自然资源禀赋,不重视碳排放压力,并且集中供热本身需求就不大,相比价格较低的化石能源供热,单一核能供热当时在经济性方面并不占优势,且容易受到政治原因影响等因素的影响,因而没有得到推广应用。

热电联产供热方式

热电联产是指从大型核电机组的汽轮机或管道中抽取部分热量,作为城市供热的热源。有的以发电为主、供热为辅,有的以供热为主、发电为辅。20世纪60-70年代,国际上就开始研发商用核电机组核能供热,几乎是与核电技术同时起步,至今已具有一定规模。

根据国际原子能机构统计,2020年全球有59台商用核电机组(占总数的13.3%)在发电的同时产生热水或蒸汽用进行区域供热,主要分布于寒冷的北欧和东欧国家,如俄罗斯、乌克兰、瑞典。国外商用核电机组区域供热达到2267万吉焦,相当于供暖面积7847万平方米。商用核电机组的核能供热的安全性与可靠性已经得到验证,至今积累了超过1000堆·年的应用经验。

2019年11月,海阳核电核能供热项目一期工程正式投用,向70万m2的7757住户供热,开创国内核能商业供热先河,被国家能源局授予“国家能源核能供热商用示范工程”,海阳市也被授予“山东省核能综合开发利用示范市”。2021年11月,海阳核能供热二期项目投运,为海阳市整个城区450万平方米的20万居民供热,海阳市成为全国首个“零碳”供暖城市。2021年11月10日,秦山核电站开始为4000户居民供暖面积46万平方米,为南方集中供热项目起到了良好示范作用。

核能供热的优势与产业化推广情况

环保效益好

“燕龙”低温供热堆每年可替代32万吨燃煤或1.6亿m3天然气,而每年消耗的核燃料仅大约2.5吨,消耗的核燃料与燃煤比大约为1:128000,极大地缓解了运输压力。同为功率为400MWt的核能供热与燃煤锅炉、燃气锅炉的环保效益比较如表1所示。

表1 功率为400MWt的不同热源环保效益比较

 

商用核电机组进行居民区域供热具有清洁、安全、稳定、高效的优良特性。秦山核能供热项目全部建成后,具备150MW供热能力,减少燃烧标煤约2.46万吨,减排CO2约5.9万吨。海阳核电核能供热项目一期工程年节约标煤2.32万吨,海阳核能供热二期项目替代12台燃煤锅炉,年节约标煤10万吨,减排二氧化碳24万吨。海阳核电站8台机组全部建成,供热面积超过2亿平方米,年节约标煤660万吨。

核能供热具有经济竞争性

单一供热的低温核供热堆在运行4、5、6个月时,核能供热价格分别为47元/吉焦、38元/吉焦和35元/吉焦。在供暖价格上,优于燃气供暖和采电供暖,可比燃煤供暖。秦山核电站一期核能供热项目热价同徐州燃煤热价相同,同为热价30元/平方米。海阳核电站核能供热二期项目建成后,海阳城区的取暖费也下降了,从原有的22元/平方米降到21元/平方米,每平米下降1元,收取的取暖费总计1.113亿元。随着后续海阳核电站6台机组建成投运,预计2030年最终供热半径达到100千米,年收取取暖费42亿元。

核能供热产业化推广情况及趋势分析

目前,国内约约10个省份27个城市表达了对核能供热的兴趣,主要分布在冬季寒冷的北方地区和大气污染严重的地区,如黑龙江、吉林、辽宁、内蒙、河北、甘肃、陕西、山东、江苏、贵州等省份。我国核能供热具有较为广阔的发展空间,尤其是在替代燃煤小锅炉,推动清洁能源供热等方面。我国北方内陆地区建设低温供热堆已经取得重要进展,沿海地区商用核电机组热电联产供热活动取得优良示范效果。

核能供热发展面临的问题

核能供热技术虽已经成熟,但是距离在我国北方地区冬季大规模取暖应用还存在较大差距,主要原因有:

(1)经过数十年的商业发展和试验验证,低温供热堆和商用核电机组进行区域集中供热在技术上已经没有问题,但是公众接受度成为影响产业推广的重要障碍。

(2)核能在国家清洁取暖战略中的地位尚未得到足够重视,执行力度不够,虽然我国政府大力推动北方地区清洁供暖,但是相关政策仅对核能供热进行概述性的介绍,缺乏明确的规划和目标。

(3)相比我国东部地区的城市供热需求,我国商用核电站和低温供热堆数量少、区域分布少,如东北地区只有红沿河一座商用核电站在运,缺少在运的内陆核电站,商用低温供热堆更是没有建成。

(4)国内缺乏核能供热相关法规标准,亟需建立和完善一系列法规及标准,使核能供热尤其是低温供热堆技术推广工作有充分的法律基础和标准支撑。

推动核能供热发展的建议

为有效助力实现“双碳”目标和环节“双控”压力,并开创核能产业发展新格局,建议及早试点并逐步推广核能供热替代然煤机组。

(1)加大科普宣传,提高公众的接受度

充分发挥各方资源优势,进一步推动核能科普和公众沟通工作,积极利用多种媒体,加大科普宣传力度,适时组织各界代表参观沿海核电厂和原子能院49-2核能供热演示堆,提高民众对核能利用的认识,消除恐核心理。

(2)加强领导组织,编制规划,积极推动核能供热

建议成立核能供热协调领导机构,统筹协调核能供热中的重大问题。将核能供热纳入城市供热规划,制定核能供热五年计划,明确核能作为基荷热源的地位,做好管网对接工作,政府投入资金开展核能冬季供热夏季供冷的研发工作。在核供热价格及运行成本上,政府制定相应的补贴等优惠政策。

(3)及早开展低温供热堆示范试点工作

以低温供热示范工程为核心,组建核能供热开发公司,选定地方示范区,确定用户群体,以清华大学壳式堆和中核集团燕龙堆为突破口,尽早启动示范项目建设。

(4)做好徐大堡和红沿河等北方核电机组的供热准备工作

秦山核电站和海阳核电站已经在国内起到了良好的商用核电机组核能供热示范作用,中核集团应在建设徐大堡核电站的同时,做好向葫芦岛市供热的准备工作。

(5)完善核能供热技术的相关法规和标准

国家有关政府部门牵头,先关协会学会机构组织,核行业积极配合参与,建立和完善核能供热法规标准,使核能供热在推广过程中有充分的法规基础和标准支撑。

文 | 曾斌 李言瑞 屈凡玉 杨彬 陈超

作者供职于中国核能电力股份有限公司、中核战略规划研究总院



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