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欧洲电力告急,核能迎来复兴?

核能的复兴时代,是否已经到来?| 图源:pixabay.com

 

导  读

全球能源供给形势日益严峻,各国的气候政策再次引发公众热议。在俄乌冲突以及天然气紧缺的形势下,此前坚定 “弃核” 的德国政府对待核电的态度出现逆转。核电是否绿色能源,如何理解其安全性、竞争力和在电力供给中的角色,日益成为一个摆在各国决策者面前的问题。

 

撰文 | 程鸽

责编 | 冯灏

 

相比风调雨顺,电力供应紧张的时代,核电往往更显价值、更受关注。

俄乌冲突以及西方国家对俄罗斯的制裁引发欧洲天然气紧缺,进而使得全球能源危机愈演愈烈。7月22日,国际能源署署长法提赫·比罗尔发文称,“世界正在经历历史上第一次真正的全球能源危机” [1]。

他建议,为应对冬季天然气短缺,欧洲需要立即采取五项措施,其中第二项为 “尽量减少电力部门的天然气使用。这可以通过暂时增加燃煤和燃油发电量,同时加快低碳能源的部署来实现”,并特别提及 “将在政治上可接受且技术上可行的核电包含在内” [1]。

而在此之前,面对严峻的能源危机,许多国家早已纷纷对核能采取新动作:2月,法国宣布计划新建6座核反应堆;3月,比利时将2025年废除核能计划延后10年,推迟至2035年;5月,英国称每年将新建一座核电站以减少对俄罗斯能源依赖。德国此前计划将于2022年年底关闭境内最后3座核电站,但近来关于是否退核的争议非常激烈、“推迟退核” 的声音越来越大,8月,德国总理表示政府正在考虑稍延长核电站的运营时间。

当前的形势让人不禁发问——核能的复兴时代,是否已经到来?关于这一问题,多位能源环境领域的专家告诉《知识分子》,并没有一个统一的答案,需要根据不同国家能源需求、经济情况、以及气候政策进行讨论。

 

1、态度迥异的法德

伴随着宣布新建六座新核反应堆的重大计划,法国总统马克龙表示 “法国核复兴的时代已经到来”。

需要指出的是,尽管作为法国能源系统主力军的核能当下处于复兴阶段,但从长期来看,核电占比将有所下降。法国政府计划到2030年将温室气体排放量较1990年减少40%,2050年实现碳中和。根据2015年颁布的《绿色增长能源转型法案》,法国将建立核电与可再生能源并重的混合电力系统,2019年颁布的《能源与气候法案》提出到2035年将核电占比由目前的70%降至50%。
德国核电则将走向衰退,但或许存在 “延寿”。

德国主推太阳能光伏发电以及风力发电,核电占比由2011年的17.8%下降到今年一季度的6% [2]。根据2021年修订的《气候保护法》,德国联邦政府计划到2030年将温室气体排放量较1990年减少65%,到2045年实现温室气体中和。7月7日,德国联邦议院批准了关于可再生能源的 “复活节一揽子计划” 的修改,这次的修改中删除了此前提出的、相对激进的计划—— “到2035年,电力供应100%基于可再生能源”,维持了 “计划到2030年,可再生能源在总用电量中所占比例达到80%”,而这一比例现在是41.1% [3]。政府同时提出,为应对眼前的能源危机,德国将重启燃煤发电厂。

8月3日,德国总理朔尔茨表示,政府正在考虑稍延长核电站运营时间。 他提到,最后三座核电站 “仅用于发电且发电量只占一小部分”,但继续保留它们 “或许有道理”。原因在于可再生能源在德国各联邦州的发展情况不同,尤其是巴伐利亚州(最后三座核电站的其中一座Isar2位于该州),主要依赖燃气发电,风电进展非常缓慢。

同时,政府内部坚定的 “弃核” 势力不容小觑。7月初,德国经济和气候部部长哈贝克(前绿党主席)在个人社交媒体上解释了为什么不应该推迟关闭核电站计划,主要原因一是重新订购核燃料周期太长;二是核电站延期使用需要重新接受检查,而检查周期长、成本高;三是核电站的运营许可证均在今年到期,延期则需要新的环境影响和风险评估。

哈贝克表示,基于以上三点,如果只是为了解决眼下的能源危机而决定继续使用核电站几个月或几年并不值得。7月底,联邦核废料管理办公室负责人也明确表示反对核电厂的继续运行,原因同样是社会成本太高。

需要指出的是,德国关于核电的讨论似乎不单只是关于核电技术本身优缺点以及其必要性的讨论,更反映出党派之间的政治博弈。去年大选之后,德国成立 “红绿灯” 联合政府(来源各自党派代表色)——由社民党、绿党和自民党联合执政。三个党派的施政理念具有显著差异,其中绿党自上世纪80年代成立以来即提倡绿色政治,坚定反核能。而自民党以及社民党则相对中立。德国目前正在进行第二次全国电网系统的 “压力测试”,测试结果将决定是否坚持在年底前逐步淘汰核能的承诺,各方势力也都在等待测试结果。

 

2、刚刚贴上的 “绿色” 标签

7月6日,欧洲议会投票通过了将 “天然气、核能” 列为绿色能源的决议。以法国为首的阵营强烈支持此决议,而以德国、奥地利为首的 “反核” 阵营则批评这是在给化石燃料与核能 “洗绿”。

原国家发改委能源所所长周大地对《知识分子》表示,“能源界主流认识核能是重要的低碳能源,欧洲少数国家弃核是把复杂的核电安全问题搞成选票问题。实际上,核电是比较可靠、经济性好的零碳能源,在欧洲是明确的事实。法国核电比例高,因此,也是当前欧洲电力碳强度很低的国家”。核能为何属于绿色能源?

首先需要明确的是,核电并非净零排放。评估一种能源的温室气体排放量,目前通用的研究方法是生命周期评价,即全面评估一件产品、工艺或服务,从原材料采集,到产品生产、运输、使用及最终处置整个生命周期阶段的能源消耗及其造成的温室气体排放。

具体到核电,究竟排放多少温室气体,需要估算核电技术的全生命周期温室气体排放,主要包括五个阶段:核燃料生产、乏燃料后处理、核电站建设、生产运行以及退役阶段 [4]。

如果只考虑发电厂能源转化过程中的直接温室气体排放,核能发电本身确实并不直接产生温室气体;但是在核燃料的开采、运输、加工和后处理,核电厂的建造、运行、维护,以及设备制造、运输和退役活动都会消耗化石能源,从而产生温室气体 [4]。研究表明,核电技术的温室气体排放主要发生在核燃料生产阶段、乏燃料后处理阶段以及核电站退役阶段 [5]。

事实上,目前没有任何一种发电方式实现了全生命周期的净零排放,但核电、陆上风电和水电是碳排放最低的技术。根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)2014年公布的数据 [6],核电技术的温室气体排放约为3.7-110克二氧化碳当量/千瓦时,各国中位数为12克二氧化碳当量/千瓦时,与陆上风电基本相当,是水电的一半,光伏的1/4-1/3,远低于煤电、天然气发电和生物质发电。

图1 不同发电方式的生命周期温室气体排放量中位数 | 图源[6]


值得注意的是,各个国家核电技术的温室气体排放量数值不完全相同。现阶段我国核电温室气体排放量为约6.3克/千瓦时 [7]。英国气候变化委员会的一份报告 [8] 显示,英国核电温室气体排放量为约5-22克/千瓦时。但一项最新研究 [9] 通过三种不同的生命周期评价方法重新评估,得到的数值接近或远高于22克/千瓦时,远超IPCC报告提及的各国中位数12。

清华大学能源环境经济研究所副研究员周胜告诉《知识分子》,这种计算结果通常是大幅度高估乏燃料(指经过核反应堆燃烧之后的核燃料)的后处理能耗和排放导致。另外,在计算温室气体排放量时,除核电外的其他发电技术通常不考虑电厂退役和燃料废弃物等处理能耗及其排放。

国际能源署预测,到2050年,全球几乎90%的电力将来自可再生能源,其中风能和太阳能光伏发电共占将近70%,其余大部分则来自核电  [10]。那么,贴上绿色标签的核电能否帮助人们应对气候变化?

数据显示,过去五十年,核能帮助全球减少了660亿吨二氧化碳当量 [11],如果没有核电,全球电力部门累计排放将增加20%左右。国际原子能机构认为,未来几十年,核电与风、光等可再生能源一起,仍是电力部门脱碳的关键选择 [12]。

一项最新研究发现,在有核电的市场中,风电光伏的增长会导致核电过早退出市场(挤出效应)。与此同时,风电和光伏并不能完全填补因核电退出而遗留的市场份额,进而导致化石能源填补核电留下的部分市场份额,从而推高碳排放。研究人员呼吁,有必要补贴核电,以避免其过早退出市场 [13]。
图2 过去50年,核电减少了约66Gt二氧化碳排放,几乎相当于全球2年能源相关二氧化碳排放量 | 图源[10]


然而,民众是否因为气候变化而改变对核电的态度?

一项针对英国民众的调查发现,尽管核电已经被定义为低碳能源,仍仅有少数人能够无条件接受核电,对气候变化的担忧在增进核能接受度上作用有限 [14]。在韩国,民众对核电的接受度同样不高 [15]。进一步分析表明,公众对核电安全性的担忧,主要在于了解和参与度不高,存在恐惧心理。

 

3、并非绝对安全

自上世纪50年代商用发电的核电站出现以来,针对核电安全性的质疑从未停止,质疑主要来自两方面,第一是核电厂事故;第二则是核废料造成的核污染。

全球发生过三起严重的核事故——1986年,前苏联切尔诺贝利核电站事故,反应堆因蒸汽爆炸和火灾而破坏,最初造成两人死亡,另28人在三个月内因辐射身亡,事故对环境和健康造成严重后果;1979年,美国三哩岛核电站事故部分堆芯熔毁,由于安全壳的存在,有效防止了放射性物质外泄;以及2011年,日本福岛第一核电站事故,由海啸和地震两种极端自然灾害叠加所致,没有人员因放射性物质死亡或重伤。[16]

以德国为例,围绕上述核事故的反核运动延续至今,日本福岛核泄漏发生后,德国民众的反核情绪达到顶峰,德国政府随即决定在10年内关闭所有核电,最后一座核电站将于2022年底停止运行。

对此,北京大学能源研究院气候变化与能源转型项目副主任康俊杰认为,德国放弃核能是感性的民意裹挟,而非理性的科学决策。

康俊杰举例飞机安全,飞机是目前公认最安全的运输方式:飞机的 “每十亿公里死亡数” 为0.07,相比其他交通方式最低,火车为0.43,汽车为7.28。假设一位乘客每天飞行500英里并连续飞行一整年,死亡风险为八万五千之一 [17]。然而,由于每次空难的伤亡损害程度较大,加上媒体密集报道,大众往往会对坐飞机有不安全的印象。“出于对飞机不安全的 ‘错觉’ 而放弃飞机带来的便利与快捷,似乎并不是一个明智的选择”,康俊杰认为。

周胜也指出,从客观的历史数据和单位发电量来看,无论是从事故发生频率还是从与核电站相关的受伤、死亡人数的统计学角度来看,核能都非常安全。国际原子能机构与世界核能协会统计报告显示,截至2020年底,全球分布在35个国家的634座反应堆累计运行经验超过18722堆年 [18]。

周胜介绍,为确保核电站的安全,核电站的设计、建造和运行都采用了纵深防御的原则。

所谓纵深防御就是从设备和措施上提供多层次的重叠保护,确保有效控制反应堆的功率,充分冷却燃料组件,放射性物质能有效地包容起来不发生泄漏 [19]。核事故中最严重的情况是核反应堆堆芯熔毁,为确保避免由于堆芯熔毁而导致放射性物质外泄事故的发生,目前的核电站在设计之初就考虑了三道屏障 [20]。只要其中任何一道屏障完好,就能够避免放射性物质泄漏。

· 第一道屏障——燃料芯块和包壳:铀燃料与放射性裂变产物藏在燃料棒的锆合金包壳内。

· 第二道屏障——一回路:燃料组件包容在20厘米厚的压力容器内,压力容器与一回路构成防止辐射泄漏的第二道屏障。

· 第三道屏障——安全壳:由90厘米厚的预应力混凝土建成,并且有6毫米厚的防漏钢质衬垫,是防止辐射泄漏的第三道屏障。安全壳具有抗震构造,可以抵御飞机撞击带来的冲击。

关于核废料带来的核污染问题,康俊杰介绍,目前国际上主要有两种主流战略对核废料进行处理 [21]。

一种是以法国、日本和中国为代表的 “闭式燃料循环” 战略,即将乏燃料中有回收价值的部分分离出来并回收利用,从而提高核燃料的利用率,可大幅度减少最终核废料的质量和体积。但这种方法的技术复杂、成本较高。

另一种方法则是以美国为代表的 “一次通过” 战略,即将乏燃料从反应堆内卸载后经较长时间冷却,通过水泥或玻璃固化等方式包装后送到深地质层长期储存。这种方法流程简单、成本低廉。但是最终核废料质量和体积较大,需要地质处理的废物体积大、对废物库选址条件要求高,且需要制定持久长远的监督管理体制,因为对于半衰期长达数万年或数十万年的核废料,选择处置库时需确保其地质条件能够保证处置库至少在10万年内安全。

相比 “闭环燃料循环”,民众对 “一次通过” 战略的质疑声更为强烈,许多人认为深地质储存的核废料是给人类子孙后代留下了一个 “定时炸弹”,同时民众也担忧地质运动或包装物破裂等情况导致核污染外泄。

值得指出的是,其他能源发电方式也并不如人们想象中安全。以风电为例,民众很少了解风电事故,其主要原因是缺乏公开数据。风机制造商、能源公司、以及电力运营商虽然收集了事故相关数据,但并不会公开,以保持公众对风能的积极看法 [22]。

英国一项非官方统计数据(Scotland Against Spin, SAS)统计相关新闻报道,自 1970年代至2021年12月31日,全球风力电厂(含海上与陆上)相关事故合计3165起,造成人员死亡161起,人员受伤342起,影响健康事件199起,与叶片故障相关事故484起,失火事件439起。SAS同时表示,这些新闻公布出来的事故数据很有可能仅仅是 “冰山一角” [23]。牛津大学 Our World in Data 统计数据显示 [24],核电为最安全的发电技术之一。
图3 不同能源发电技术每单位电力的死亡率。各发电技术由事故以及空气污染导致的死亡人数分别为:煤电24.62-32.72人,油电18.43人,生物质发电4.63人,天然气发电2.82人,水电1.3人,风电0.04人,核电0.03人,光伏0.02人 | 图源 [24]


谈及核能的安全性,周胜认为,核能需要一个量化、公平、统一的客观评价标准。“标准应该是单位发电量的安全性或者健康损失,比如生产1000亿千瓦时电力,各种发电技术的辐射影响,相关事故数量和死亡人数,等等。只有在统一的评价框架下,将提供相同能源服务的不同能源生产方式的安全性,客观地量化评价和比较,人们才能真正理解以及相信核能的安全”。

 

4、是否具有价格优势?

而将核能与其他能源,特别是与可再生能源进行比较时,价格是一个绕不开的话题。

这里需要区分三个价格概念:发电成本、上网电价以及终端用户电价。

发电成本包括建设、燃料、运行维护以及财务成本。国际通用的评价度电成本指标是平准化度电成本(Levelized Cost of Energy,LCOE),计算方法是生命周期内的成本现值/生命周期内发电量现值。

上网电价是发电厂卖给电网公司的电力价格,在我国,上网电价基本上反映实际的平准化度电成本。国家能源局统计表明,2018年,全国平均上网电价0.374元/千瓦时,其中核电上网电价为0.395元/千瓦时,高于水电,与煤电基本相当,远低于风电、光伏、生物质发电和天然气发电 [25]。
图4 2018年全国发电企业上网电价 | 数据来源:国家能源局


随着风电光伏成本持续下降,从2021年起,对新备案集中式光伏电站、工商业分布式光伏项目,实行平价上网;新建项目上网电价,按当地燃煤发电基准价执行。也就是煤电、核电、陆上风电和光伏上网电价基本持平,如果考虑到风光需要配备额外的储能设施,主要位于东部沿海地区的核电市场竞争力较强。

目前,三代核电站的平均建设周期是78.5个月 [26],针对核电站投资规模、建设周期和回收成本的问题,康俊杰告诉《知识分子》,以目前核电站设计回收期40年为例,前20年回收成本,之后20年创造的都是利润;部分核电站使用周期可达到60年甚至80年,如果将建设成本平摊在整个运行周期上,成本并不高。

但是核电站建设,特别是首堆核电机组建设普遍出现工期拖延超预期、建设投资超概算的问题。以芬兰奥尔基卢奥托岛核电站为例,原本应该在2009年完工,由于建设拖期,最终于2021年3月底才完成充填燃料,比原定日期延迟12年。工程拖期必然导致融资成本(利息)上升,同时发电收益推迟,从而降低了核电项目经济效益和经济吸引力。

周胜认为,如果按照预期建设周期投产,核电的经济效益是能够得到保障的。另外,核电项目由于运行寿命通常在40-60年,在还贷付息期结束后,核电经济效益非常具有市场竞争力。而目前采用贴现率的净现值财务评价方法,实际上是高估了核电近期成本,低估了核电长期效益。

终端用户电价则取决于上网电价、输配电成本以及政府性基金以及电价附加。由于风电、光伏等具有不稳定性和间歇性,电网系统需要提供很多额外的电力平衡措施,进而产生额外的储能成本以及并网成本,而这些成本最终都由终端用户来买单。而核电的上网电价参考煤电基准价,周胜强调,相较于其他发电形式,核电的上网成本已将后续核电站退役成本、核废料处理成本均计算在内,基本上做到了外部成本内部化

 

5、可能不完美但必要的选择

图5 2021年数据显示,核电占全国累计发电量的4.86% | 数据来源:中国电力企业联合会


谈及核电在能源转型中的角色定位,康俊杰认为,未来我国核电占比仍将稳步增加,但是不会增加太多,“核电在我国能源结构中起到重要的补充作用,但不会是主力,与未来20亿—40亿千瓦的可再生能源相比,核电不是一个数量级”。

周胜则强调能源多样性,一个健康、安全的电力系统需要 “百花齐放”,多能互补;各种电力结构都需要占有一定比例,而不能 “只将鸡蛋放在同一个篮子里”。

例如,核能的稳定性能够弥补光伏发电和风电的不稳定性。光电只能有太阳光的时候才能工作,即在地球表面只能在白天发电,晚上不能发电;受天气因素影响大,雨雪天、阴天、雾天甚至云层的变化都会影响发电效率;受环境因素影响大,空气中的颗粒物落在光伏组件表面或是地面的杂草高过光伏组件,光照下产生阴影并映在组件上等都会影响发电量。

同样,风电只能有风的时候才能发电,当气象条件不满足风力发电或太阳能光伏发电时,核电能够与间歇性的可再生能源形成良好的补充和支撑,对电网的供应安全和降低电力系统成本起到一个非常重要的作用。

 

参考文献:

[1] https://www.iea.org/commentaries/coordinated-actions-across-europe-are-essential-to-prevent-a-major-gas-crunch-here-are-5-immediate-measures.

[2] https://www.destatis.de/DE/Presse/Pressemitteilungen/2022/06/PD22_233_43312.html

[3]https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/erneuerbare-energien/erneuerbare-energien-in-zahlen#uberblick

[4] 姜子英, 潘自强, 邢江, 等. 中国核电能源链的生命周期温室气体排放研究[J]. 中国环境科学, 2015, 35(11):3502-3510.

[5] Lenzen M. Life cycle energy and greenhouse gas emissions of nuclear energy: a review. Energy Convers Manage 2008;49:2178–99. https://doi.org/10.1016/j. enconman.2008.01.033.

[6] "IPCC Working Group III – Mitigation of Climate Change, Annex III: Technology - specific cost and performance parameters - Table A.III.2 (Emissions of selected electricity supply technologies (gCO 2eq/kWh))" (PDF). IPCC. 2014. p. 1335

[7] Wang L, Wang Y, Du H, Zuo J, Yi Man Li R, Zhou Z, Bi F, Garvlehn MP. A comparative life-cycle assessment of hydro-, nuclear and wind power: a China study. Appl Energy 2019;249:37–45. https://doi.org/10.1016/j. apenergy.2019.04.099.

[8] Ricardo AEA. Current and Future Lifecycle Emissions of Key ‘Low Carbon’ Technologies and Alternatives Final Report; 2013.

[9] Proponi F and Hart J. The greenhouse gas emissions of nuclear energy – Life cycle assessment of a European pressurised reactor. Applied Energy 290 (2021) 116743. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116743.

[10] https://www.iea.org/news/pathway-to-critical-and-formidable-goal-of-net-zero-emissions-by-2050-is-narrow-but-brings-huge-benefits?language=zh

[11] https://www.iea.org/reports/nuclear-power-and-secure-energy-transitions, p15.

[12] IAEA. 2021年国际核电状况与前景(2021).

[13] Zhao, Xiaoli, Zewei Zhong, Xi Lu, and Yang Yu. "Potential greenhouse gas risk led by renewable energy crowding out nuclear power." Iscience 25, no. 2 (2022): 103741.

[14] Corner A, Venables D, Spence A, Poortinga W, Demski C, Pidgeon N. Nuclear power, climate change and energy security: Exploring British public attitudes. Energy Policy 39 (2011) 4823-4833. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2011.06.037. 

[15] Chung JB, Kim ES. Public perception of energy transition in Korea: Nuclear power, climate change, and party preference. Energy Policy 116 (2018) 137-144. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2018.02.007

[16]https://world-nuclear.org/information-library/safety-and-security/safety-of-plants/safety-of-nuclear-power-reactors.aspx

[17] Ian Savage. Comparing the fatality risks in United States transportation across modes and over time, Research in Transportation Economics, Volume 43, Issue 1, 2013, Pages 9-22, ISSN 0739-8859.

[18] https://www.iaea.org/zh/newscenter/news/zai-2019guan-zhuang-bing-du-bing-qi-jian-he-dian-zheng-ming-liao-qi-zuo-wei-gua-ying-xing-qiang-ke-kao-xing-gao-de-gong-dian-lai-yuan-de-guan-jian-zuo-yong

[19] 生态环境部核与辐射安全中心. 什么是核电厂的纵深防御? http://www.chinansc.cn/gzxc/kpzs/hnyhjsyy/201205/t20120509_561292.html

[20]中国科学院.核电站防止放射性物质泄漏的三道屏障https://www.cas.cn/zt/sszt/kxjdrbqz/qwjd/201103/t20110318_3089745.html

[21] 国家核安全局. [核燃料循环]燃烧过的核燃料怎么处理?

https://nnsa.mee.gov.cn/ztzl/kpcl/201605/t20160504_337138.html

[22] E. Malnick and R. Mendick, “1,500 accidents and incidents on UK wind farms,” The Telegraph, Dec. 2011. [Online]. https://www.telegraph.co.uk/news/uknews/8948363/1500-accidents-and-incidents-on-UK-wind-farms.html Accessed on 09.07.2022

[23] https://scotlandagainstspin.org/wp-content/uploads/2022/01/Turbine-Accident-Summary-to-31-December-2021.pdf

[24] https://ourworldindata.org/grapher/death-rates-from-energy-production-per-twh

[25] 康俊杰, 姚明涛, 朱清源. 核电建设周期、成本变化规律分析[J].中国能源, 2016年06期.

[26] 国家能源局.2018年度全国电力价格情况监管通报



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