先进反应堆系统和未来能源市场需求

2021年12月，经合组织核能机构(OECD/NEA)发布了一份研究报告，题为“先进反应堆系统和未来能源市场需求”。该报告介绍了未来能源市场的特点和需求，并重点阐述了先进核能系统在未来能源市场中的多种应用和重要作用。

1 简介

在全球走向碳中和经济、能源市场更加自由化以及各种能源相关技术发展的背景下，能源市场的需求不断变化。随着易变性可再生能源的日益普及、互连能力的增强和存储技术的发展，电力系统也在发生变化。需求侧管理技术的发展和用电模式的变化不仅影响发电能力方面的需求，还影响电力储备和供电频率控制方面的需求。除了供应电力之外，低碳能源还有助于帮助难以减排的部门(重工业和运输工业等)进行减排。目前，世界各地正在努力开发替代能源，其中包括低碳热供应和制氢技术。

目前，各种先进核反应堆系统(三代和三代+反应堆、小型模块化反应堆和第四代反应堆)正在开发中，这些反应堆可以提供灵活的能源供应方案。为了分析这些技术如何以及在多大程度上能够满足未来能源市场的需求和条件，并分析这些技术可能面临的环境和监管要求，NEA组建了先进反应堆系统和未来能源市场需求专家组(ARFEM)。专家组研究了能源市场需求的现状和前景，并分析了先进反应堆系统的特点和在未来能源市场中的多样化用途。专家组还确定了几个关键因素，这些因素将有助于最大限度地发挥先进反应堆系统在未来能源市场中的潜在优势。

2 未来能源市场的特点

随着2015年联合国可持续发展目标和《巴黎协定》的通过，许多国家都在为实现经济脱碳做出重大努力。电力部门被认为是脱碳的先锋，因为有一系列不同的低排放技术可供商业使用。在2010年至2018年期间，由于能效提高和低碳技术部署等努力，电力的平均碳排放强度降低了10%。然而，电力部门仍然是最大的二氧化碳(CO2)排放来源，2020年电力部门的CO2排放量约占能源领域排放量的40%。尽管低碳能源技术在全球范围内得到广泛应用，但全球电力部门的CO2排放量仍在增加，这主要是因为电力需求的增长抵消了电网排放强度的降低。

世界各地的电力系统正在迅速变化，太阳能光伏(PV)和风力发电厂等可再生或分散式的电力资源所占份额越来越大。然而，可再生能源的高占比也带来了相当大的挑战。例如，可再生能源的间歇性特性增加了对其他供电来源灵活性的需求，导致了与易变性供需需求情景相关的电网弹性问题。

随着易变性可再生能源越来越多地加入到电网中，能源市场对发电厂灵活运营(包括短期和长期灵活性)的需求正在增长。最近，美国和欧洲的电力企业发布了一系列新要求，强调要提高未来轻水反应堆在电力供应方面的灵活性。在这种情况下，大多数正在开发的先进核反应堆系统(ARS)都在考虑这些因素，以便为电网提供所需的支持。就传统核电站而言，最近对其通过惯性和频率响应从而促进电网稳定性的实际和或潜在能力进行了重新评估。

除了对电力系统的潜在贡献外，人们对核能在能源行业脱碳方面的多种用途越来越感兴趣。热能在全球最终能源消费和CO2排放中都占有很大比例。现有的核电站技术已经证明可以提供区域供热，有几个国家在该领域拥有广泛的经验，尽管迄今为止核能对该领域的总体贡献微不足道。氢被认为在各个领域都有很大的脱碳潜力，特别是作为一种能源载体，可以取代化石燃料。目前正在开发不同的低碳制氢方法，包括使用核能的方法。

3 先进反应堆系统的在未来能源市场中的作用

目前，三代和三代+反应堆技术已经可以满足电网运营商的最新要求。未来先进的反应堆系统概念，包括小型模块化反应堆和第四代反应堆，在灵活运行方面具有不同的优势，也面临不同的挑战，因此开发人员必须考虑灵活性要求。

发电。未来，核电在电力系统中的作用可能比以往任何时候都更加多样化。虽然易变性可再生能源份额的增加可能会要求电力系统更加灵活，但电动汽车、需求侧管理和存储技术的发展可以使核电站等传统电厂以高容量因子运行，即使在具有大量易变性可再生能源部署的情况下。先进的反应堆系统不仅能够提供稳定的容量来帮助电力系统确保足够的供应并维持系统的稳定性(例如惯性)，而且还能够确保多种时间尺度下的机动性，从极短时间的频率响应到季节性的可调度性。

供热。供热领域是先进反应堆系统可以为脱碳做出重大贡献的另一个领域。2018年，供热领域消耗的能源占约全球最终能源消耗的50%，而CO2排放量约占能源领域排放量的40%。目前的核反应堆系统可以为区域供热、海水淡化和工艺用热等领域提供低温供热(<300 ℃)，正在开发的第四代反应堆系统则可以提供更高温度的热量(<550 ℃)。在供热方面，小型模块化反应堆系统的目标是实现更高的部署灵活性，以使这些系统更靠近需求区域，例如附近的工业场所。

制氢。利用先进反应堆系统(ARS)制氢会显著降低许多领域的CO2排放。利用现有的低温电解技术，所有先进反应堆系统都可以制氢。许多先进反应堆还可以提供超过750℃的热量，可以通过高温电解或者热-化学电解工艺制氢，生产效率更高。许多国家的研发项目正在分析利用核反应堆制氢的经济性和面临的技术挑战。

除了在闭式燃料循环方面具有潜在的优势之外，第四代反应堆系统还有其他方面的潜在优势，例如可以提供很高温度的热量，这是推动它们在未来实现部署的一个强烈动机。相对于传统反应堆系统，第四代反应堆系统具有更高的非能动安全性，因此开展共同选址(例如将反应堆与工业设施建在同一个场址)可能将是一个很有价值的方案。

4 建议

建议一：应该认识到先进反应堆系统作为低碳和具有成本效益的能源生产方式，在支持有关低碳排放目标和促进易变性可再生能源部署的国家政策方面，是具有重要潜力的。

电力系统需要大幅脱碳，以帮助各国实现碳中和目标。在过去几年里，可再生能源的投资在电力部门的投资中占比最大，是核能投资的7倍以上，预计这一趋势还将持续几十年。然而，易变性可再生能源的进一步普及将不可避免地带来电力系统可靠性问题。先进的反应堆系统可以在更大的时间尺度上提供解决方案，以确保电力系统的稳定性和机动性。在成本效益方面,核能机构认为，随着易变性可再生能源份额的不断增加，为实现极低的CO2排放量，建造一个电力系统的成本将大幅增加;相反，随着核能份额的不断增加，相应的成本将会下降。每个国家或地区的碳中和战略可能是不同的，这不同能源市场的特点和需求。尽管如此，政策制定者还是应该认识到，先进的反应堆系统是帮助实现低碳和可靠能源系统的一个潜在选择。

建议二：政策制定者在决策时应该考虑先进反应堆系统的非电力应用潜力。

尽管先进反应堆系统的非电力应用在减少CO2排放方面具有巨大潜力，但它们经常不被纳入政策讨论。先进反应堆系统广泛适用于其他低碳能源可能难以应用的行业，因此作为脱碳政策的重要选择，先进反应堆系统的非电气应用值得考虑。需要特别指出的是，通过将先进反应堆系统与制氢设施相结合，核能在促进制氢领域的脱碳方面具有巨大的潜力。

建议三：各国政府和工业界应共同努力，在目标市场上展示先进反应堆系统现有的能力。

虽然核能的一些应用，如灵活运行和低温供热，已经在一些地区得到了技术证明，但新建核电项目的性质不仅取决于地理特征，还取决于市场条件。考虑到核能的新应用在实际市场上由于经验有限所带来的不确定性，加之核电新建项目需要很高的资本成本，因此应尽早就核能在长期能源战略中的作用做出政府承诺和达成政治共识，这对于私营部门投资这些项目至关重要。除了建立能够提供长期价格信号和企业可预见的监管框架和市场体系外，政府还可以通过各种机制，例如直接财政支持和电力购买协议等，支持私营企业获得新核电建设项目所需的资金。政府支持的可行性和有效性在很大程度上取决于一个国家的政治、社会条件和项目特点，因此政府和工业之间的密切沟通和合作有助于创造有效的项目环境，从而推动核能的新应用。

建议四：应该促进国际合作，以改善先进反应堆系统开发的经济可行性。

在具有相似市场需求或地理条件的国家之间进行研发合作将提供许多好处，如缩短研究时间、分享经验、降低研发成本和获得投资来源。共享现有的研究基础设施是一种广泛使用的方法，可以优化研究、开发和部署的成本。现有框架，例如第四代反应堆国际论坛和清洁能源未来倡议(核创新)等，可以在促进国际合作方面继续发挥重要作用。

统一不同国家的行业规范、标准和监管框架，可以减少不同国家市场之间的技术壁垒，并帮助企业实体获得规模经济。目前，世界核协会组建的反应堆设计评估和许可合作(CORDEL)工作组正在开展统一核设施规范和标准的研究，并正在推进新建核电站许可的统一工作。

建议五：应该继续促进公众对先进反应堆系统的理解。

为了获得公众对发展先进反应堆系统的支持，对这些公众关注的问题做出回应将是重要的。先进的反应堆系统有许多优势，可以帮助解决公众的认知问题。核专家和公众对先进反应堆系统的特点和好处获得一致的理解，可以提高公众对先进反应堆系统的认知。同样重要的是，各国政府应支持各种沟通方案，以帮助解决公众对先进反应堆系统所面临的挑战的看法。