美国能源部评估煤电-核电转换潜力 助力清洁能源转型

美国能源部一份新报告表明，大多数现有和新近退役的燃煤发电厂可以被重新利用，以廉价的方式容纳未来先进的核能项目，并为经济发展弱势社区提供经济刺激。

美国最新研究认为，曾在电气化时代帮助构建美国经济的燃煤电厂，可能在清洁能源转型过程中再次扮演重要角色。研究发现，美国有上百座燃煤电厂可以转换成核电站。这将显著增加稳定可靠的清洁电力对电网的供应，帮助美国实现2050年前净零排放的目标。

今年9月，美国能源部核能办公室联合多个国家级实验室发布了《调查燃煤电厂“变”核能项目之益处和挑战》报告。根据报告，这些核电项目的装机容量预计超过250000兆瓦，相当于美国一年发电量的1/4。煤电过渡到无化石燃料核能，还可以增加就业岗位、刺激经济，以及改善周边环境。

能源部核能办公室助理部长凯瑟琳·赫夫(Kathryn Huff)表示：“这是一个重要的机会，可以帮助全国各地的社区稳定就业、增加税收、改善空气质量。随着我们迈向清洁能源的未来，我们需要提供基于工厂现场的解决方案，并确保公平的能源过渡，而不让社区落后。”

当去碳化经济已逐渐成为主流，燃煤电厂的竞争压力与日俱增。在美国，各地都在退役或计划退役更多的燃煤电厂。为了改善空气质量、促进公众健康，环保署今年出台了“好邻居”联邦计划，以减少发电厂和其他工业排放氮氧化物对下风向各州居民的影响，该政策可能导致加快煤电机组退役的步伐。

实际上，在去碳化的推动下，美国对煤电“变”核能项目一直保有热情和兴趣，这方面的科研也越来越受到关注。虽然这不是新的课题，但对它的研究却是刚刚起步。目前，美国尚未出现燃煤电厂-核电站的过渡实例，该课题的研究人员仍在研究开发过渡方法和指南。

能源部这项报告提供了具体的选址方法以及如何选择不同类型的核反应堆，旨在为现有研究机构提供参考，为下一步建立实地分析做好示范并提供建议。

选址分析

选址分析主要是了解美国国内燃煤电厂的位置，并评估哪些厂址可以重新用于核电站选址。选址评估的输入数据(美国能源信息署2021年8月数据)记录了美国燃煤电厂的整体状况。首先，是对所有厂址进行初步筛选。经筛选后，退役燃煤电厂(如退役年龄和所有权类型)候选场地共有157个;正在运行的燃煤电厂(如那些不可能进行煤-核过渡的发电站)候选场地共有237个。

美国橡树岭国家实验室先进核反应堆选址挑战图

确定了候选场地后，研究团队根据人口密度、与地震断层线的距离和附近湿地等10个评估参数，应用专门开发的分析工具(OR-SAGE)过滤掉那些不符合美国核管理委员会选址标准的地点。结果显示，80%的候选场地有利于进行先进反应堆的建设运营，18%的候选场地适合大型轻水反应堆的建设运营。这些燃煤电厂已具备转换的基本条件，但实地分析时还需进一步调查发电厂的所有权，深入评估剩余的基础设施，并考量可能对选址造成挑战的其他因素。

先进核能

先进堆是最新一代的核反应堆技术，源自为军舰开发的反应堆设计。先进堆包括小型模块化反应堆(SMR)和非轻水核反应堆，特点是比美国现有的核反应堆更小、更安全且成本更低。

小型反应堆在场外制造，在反应堆所在地组装，发电量约为常规核反应堆发电量的1/3。今年7月，美国核管理委员会认证了第一个也是唯一一个小型模块化反应堆设计——纽斯凯尔电力公司(NuScale Power)的“VOYGR”。爱达荷国家实验室的“无碳发电”项目(Carbon Free Power)计划于2029年开始使用“VOYGR”模块发电，反应堆共有6个模块，可提供462兆瓦的无碳电力。

VOYGR小型模块化反应堆(SMR)电站

今年早些时候，美国印第安纳州议会通过了参议院第271号法案。法案允许公用事业公司在取得联邦核许可证后，在本州建造小型模块化反应堆(SMR)。印第安纳杜克能源和普渡大学正在探讨使用SMR为该大学西拉斐特校区供电的可行性。AES印第安纳和Center Point Energy公司考虑在其资源计划中增加SMR。北印第安纳州公共服务公司表示，目前尚未将SMR视为一种现实的资源选择，但将监测该技术的进展。

非轻水核反应堆是指依靠水以外的材料进行冷却，包括液态钠、氦和熔盐。比尔·盖茨创办的泰拉能源(TerraPower)与沃伦·巴菲特的太平洋电力公司选择把位于美国西部怀俄明州的一座燃煤电厂改造成非轻水示范核电站。该项目将建造345兆瓦的钠冷快堆和熔盐基储能系统，总投入40亿美元，计划于2024年建设，2028年完工。

美国怀俄明州先进核能钠冷快堆项目

泰拉能源称，经过与社区成员和当地领导的广泛评估和讨论后，决定选择靠近诺顿电厂的Kemmerer建造钠冷快堆。诺顿电厂的两个燃煤机组将在2025年退役。项目团队在选址时考虑了社区支持、基础设施、电网需求、美国核管会许可等诸多因素。泰拉能源总裁兼首席执行官说：“我们的创新技术将有助于确保持续生产可靠的电力、实现能源系统转型，并在怀俄明州创造新的高薪岗位。”

具体收益

美国的这项研究显示，燃煤电厂到核项目的转换会为社区带来许多切实好处，尤其对于受化石燃料污染影响较大的经济弱势社区。该项目主要有以下三大收益：

一是节约建造成本。高昂的建设成本始终困扰着核电行业，而燃煤电厂“变”核项目可以降低这些成本。根据分析，在燃煤电厂场地改建核电站，隔夜资本成本比在未开发土地上新建核电项目减少15%～35%。重新利用燃煤电厂的基础设施(如土地、道路和办公大楼)、电力设备、散热器和电气元件等，都将在前期省下数百万美元。对于总成本数十亿美元的核电项目来说，降低15%～35%代表了为企业节约了巨大的、潜在的成本。与选址在未开发土地上的核项目相比，煤电厂“变”核项目还将缩短获得盈利的时间间隔。

二是刺激经济发展。如果一个燃煤电厂被同等规模的核电站取代，将净增加650个新的、永久性的固定工作岗位。这些工作分布在核电站、供应链和周边社区，并且工资比其他能源技术岗位的工资高25%左右。这对曾在退役燃煤电厂有工作经验的劳动者来说也是个好消息，因为他们已经具备了必要的技能和知识，可以顺利过渡到在核电站工作。新的就业机会将加大经济产出、提高工资、促进社会的流动性和公平性、提高人们的生活水平。报告中指出，该地区经济活动每年额外增加2.75亿美元，其中1.02亿美元为新增劳动收入(即工资)，核电站所在地还会增加92%的税收收入，当地学校、基础设施和公共服务也有了更多可用的优化资金。

三是改善周边环境。报告表明，从燃煤电厂过渡到先进堆，温室气体排放量将减少86%，相当于减少50多万辆燃油汽车所产生的排放量。空气质量和其他环境指标都将显著提高，因污染引起的哮喘、肺癌和心脏病等健康问题的发病率将呈下降趋势。研究注意到，当地人口增长和经济活动的增加，会对土地和水的使用带来新的污染。此外，燃煤电厂的遗留灰池和长期核废料储存问题，没有在报告中反映，后续还需进一步调查。

“可靠”的代价

核能被美国能源部视为“最可靠的能源”。核电站一年内的发电时间超过92%，是天然气和燃煤机组的两倍，是风力和太阳能发电厂的三倍。但是，在没有补贴的情况下，核电站的电力价格约是公用事业规模可再生能源系统(如风能、太阳能)的5倍。而风能和太阳能的安装成本也低得多，每台2兆瓦级风力涡轮机的成本为300万至400万美元，太阳能的安装成本约为每兆瓦89万美元。

美国的一些环保和消费者倡导组织表示，相比核能，公用事业公司有更好的选择。“超越煤炭”运动的高级代表说：“‘超越煤炭’正在努力实现从化石燃料向清洁能源的转变，而清洁能源是指包括风能、太阳能、电池存储、能源效率和需求侧管理在内的投资组合。当有现成的安全、廉价和可靠的清洁解决方案时，我们不应该追求高风险和昂贵的核能，包括小型模块化反应堆(SMR)。”

据了解，美国目前的两个先进核能项目都严重依赖联邦补贴。爱达荷州的“无碳发电”项目已从能源部获得10多亿美元的补贴，从而维持项目的顺利进行;40亿美元的泰拉能源项目约一半将由联邦政府补贴。

有环保和消费者倡导组织认为，对先进堆的公用事业投资，将给纳税人带来额外的成本，且无任何回报。“无碳发电”项目于2020年8月获批建设，但被推迟了三年，成本从42亿美元攀升至61亿美元。在美国各地建造的其他核电站也出现项目延期和费用超支的情况，甚至给客户带来数十亿美元的额外成本。

而纳税人不仅最有可能负责支付建造核电站的成本，一旦公用事业公司决定退役，他们也最有可能承担核电站退役的成本。据亚太经合组织核能委员会提供的数据，美国核反应堆退役过程通常耗时多年，每台机组退役耗资在5.44亿美元至8.21亿美元之间。

也有美国的环保组织对反应堆的放射性废物的储存感到担忧。美国部分州的法律允许公用事业公司在满足联邦政府要求的情况下将废物储存在核电站现场。美国核管理委员会规定，乏核燃料要么储存在20英尺深的水池中，要么储存在加气的干式容器中。美国核管理委员会认为这两种储存方法对公众健康安全和环境提供了充分的保护。但也有研究发现，居住在核电站附近的居民增加了一些癌症的发病风险。

参考资料：美国能源部官方报告《Investigating Benefits and Challenges of Converting Retiring Coal Plants into Nuclear Plants》

美国核燃料循环与供应链副助理部长Andrew Griffith署名文章《Could the Nation’s Coal Plant Sites Help Drive a Clean Energy Transition?》)