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《马一峰 能源前沿报告》05 核电:怎样实现城市清洁供暖?

我们前面讲了光伏、风电和氢能三种清洁能源。今天我再带你看一个让人又爱又怕的清洁能源——核能。我们都知道,核能能量巨大,属于清洁无污染的经济性能源,是宝藏。但人们往往又把它跟核武器、核泄漏联系在一起,会觉得危险和恐惧。

我国核能产业走到现在,已经有很多进展了,比如我国的核电名片“华龙一号”、“国和一号”,这里我们就不说了,我们今天就说说核能供暖,这可是我国核能产业在安全性能和应用范围上的一个新突破。

2022年4月1日,山东省烟台的海阳市,完成了全国首个“核能供暖”任务,连续供热143天。“核能供暖”就是指,核电站在发电的同时,还可以利用余热加热暖气水,相当于实现了“热电联产”。

海阳这个项目叫做“暖核一号”,是国家电投旗下山东核电有限公司和海阳市政府一起规划、实施的,也是“国家能源核能供热商用示范工程”。项目从2019年初开始筹建,前后建设了10个月。试运行了两个供暖季之后,从2021年11月开始正式运行。项目是在两台已有的核电机组上改造的,还是百万千瓦级的机组。

143天的供热,覆盖了海阳所有城区,供热面积将近500万平方米。这期间,海阳城区的12台燃煤锅炉全部关停。也就是说,过去这个冬天里,供热上海阳实现了零碳排,什么概念呢?相当于节省了18万吨煤炭,要用4500辆40吨大卡车才能装得下。

同时,还减少了33万吨二氧化碳排放,成千吨的氮氧化物、硫化物、烟尘等,这些排放物如果靠阔叶林吸收,得是1200个足球场那么大。那这次采用了多少核燃料呢?只用掉1.2吨,一辆小面包车就拉走了。你看,核能的能量密度和清洁性,可以说是碾压了其他能源。

实际上,“暖核一号”项目,成功的实现了核能供电、供热、供淡水的多功能用途,开启了核能产业新的发展点。尤其是在供暖上,它解决了一个持续困扰我们的难题,就是城市供暖的清洁化问题。

咱们先来看看,“城市供暖清洁化”为什么难解决?

我国一共有17个省份需要采暖,占了60%以上的国土面积,人口数量达到7亿。国家住建部有组数据显示,2020年底,全国集中供热面积达到122.66亿平方米,消耗了约2.8亿吨煤炭,产生的约6亿吨二氧化碳和其他污染物,相当于我国交通领域半年的碳排放量。

我们知道,交通上发展电动车,用电上大量发展光伏风电,都是实现碳减排的替代。供暖呢,一直都是燃煤锅炉和小型的燃煤热电联产为主。

燃煤供暖是刚需,它的高碳排成了我国实现双碳目标的一大障碍,而且还没有好的替代方案,这就是城市清洁化供暖的难处。

你可能会想到,天然气能替代燃煤。但天然气成本很高,大约是煤炭的3倍。加上我国天然气有45%都靠进口,供应上根本不够。如果是用电,成本就更高了,和燃煤供暖完全不在一个量级,电网也受不了这么大功率的负荷。

这么看来,海阳的核能供暖就非常值得关注了。很多专家也这么认为,中国工程院院士、清华大学的江亿教授就说过:“核能供暖对整个山东半岛的热力清洁化供应有重大意义。”

实际上,国家电投真要这么干。凭借海阳这套成熟的运营经验和技术体系,国家电投要在2022年开工,再建一个900MW(兆瓦)的核能供热项目。预计2023年供暖季,就能实现3000万平方米的供热,满足100万居民的取暖需求了。等到机组完全建成、正式投运后,能实现2亿平方米供热,如果再联合其他清洁供热方式,就能替代胶东半岛所有的燃煤锅炉。

海阳核电站这个范本,其他地区也在学习。比如,浙江的秦山核电站就借鉴了海阳的试点经验,2022年3月初完成了首个南方供暖季的供热工作,平稳运营达到100天,嘉兴市海盐县的4000家居民有了供热保障。

核能供暖的好处这么突出,很令人期待,但大多数人都会想到核能的安全问题。毕竟历史上核电站出的事故让人心有余悸,比如,1986年切尔诺贝利事故、2011年日本福岛核泄漏事故,造成的人员、财产损失无法计算。

其实,核电站只要满足三个安全原则,基本就是安全的。第一个是反应性控制,意思是:任何情况下,都能终止核反应;第二个是安全功能,意思是:核反应停止后,能带走反应堆的核燃料余热;第三个是任何时候,核电站产生的核辐射,都能有效被隔绝。

日本核泄漏事故,就是没做到第二个原则。地震引发的海啸,把循环冷却水的水泵和柴油发电机都淹没了。泵启动不了,不能散热,反应堆无法降温,最后引发爆炸。

我们来看看海阳核电站的安全性能。

海阳核电站采用的是AP1000技术,这项技术是从美国西屋电气公司引进的,并在原版技术上做了改进,属于国际上领先的第三代核电技术。它采用的是“非能动”设计原理,啥意思呢?就是在头顶上来一个大水箱,紧急情况下,不需要电源,只依靠重力就可以实现冷却。我打个比方,山顶有个大水库,山脚下着火了,不用电动水泵,火只要烧断顶着水库门的木头,水就能依靠重力流下来灭火,也就克服了福岛核电站的事故问题。

除了这项技术外,核电站外壳采用的是核电级别的钢制结构,总重量达到4300吨,能有效隔绝核辐射。它还运用了超过八级的抗震设计,能抵抗核电站设计守则中,假设的任何可能事故,比如:地震、海啸、台风、商用大飞机撞击等。

核电站的安全性有保障了,老百姓可能有另外一个担心,就是进入我家暖气片的水安全吗?有没有辐射呢?

咱们先来看看核能是怎么供暖的。正常气压下,水温最高只能到100度。核电厂的核反应堆放出热量后,还要给水加压到155个大气压,这样水才能承载更多热量,升温成320多度的“高热水”。然后,再用高热水加热水冷壁里面的水,把它们变成高温蒸汽,相当于进行了一个热交换。接着,高温蒸汽进入到汽轮机,汽轮机的叶片被推动,带动了发电机,电就发出来了。到这一步,核电站就发电完成了。

核能供暖呢,就是在汽轮机这个地方,抽出一部分高温蒸汽,在核电站的厂区进行一次换热,把来自热力公司的冷水变成热水。热力公司也会在自己的厂区进行一次换热,把来自小区的冷水加热。小区也会进行一次换热,把来自各家的冷水加热。

换热的原理,就像你吃的“自热小火锅”,下面是加热层,不与上面的食材接触,更不会跑到锅里去。核能供暖过程类似,只有蒸汽加热水和水加热水两种方式。换热的地方有物理隔离,各处还有辐射监测装置。用户接触到的,是经过5层隔离和监测之后,十分安全的热水,对人体没有任何伤害。

好,讲到这儿,你应该已经知道,只要做到这三个原则,核能供暖就很安全。那它的生产成本高吗,用起来划算吗?

我们来算一笔账。根据海阳核电站工程师向我介绍的,供暖抽出的蒸汽量是总蒸汽量的4%。海阳核电站每年发电200亿度左右,供暖期4个月会损失2.6亿度。按照每度电四毛一来算,核电站少赚了1.07亿元电费。但它们能获得1.05亿元取暖费,基本能持平。

另外,还能省下12台煤电机组的运维成本3600万,还有18万吨煤炭,这两项一共是1.56亿元。算下来,老百姓的取暖费每平米能降低1元,值得注意的是,这可是在煤炭价格翻倍、各地方取暖费用涨价的情况下实现的。夏季等不需要供暖的时候,核电站可以全力发电。所以总体上,经济效益是不错的。

当然,核电厂的建设、运维、核废料处理等也要花钱,因为是示范项目,目前还无法测算。

讲到这里,如果你在内陆地区,关注区域产业规划,那你可能会想到这么一个问题:无论是海阳的还是秦山的核电站,都是沿海建设的,但我国内陆地区才是烧煤取暖的污染重灾区,核能供暖在内陆地区也能实现吗?

实际上,全球大约有40%的核电站都是在内陆建设。一个百万千瓦级别的核电厂,每天需要200到300万吨冷却水,这些水会不断的带走反应堆堆芯的热量,为了保障核电站稳定运行,核电站还会配置水塔和水库,以防遇到了紧急情况。而我国核电站为了保证极致安全,基本都是沿海建设。

但如果内陆地区能用上第四代核电技术,就可以突破这个限制。

第四代核电技术的核电站,可以做到像集装箱那么大,功率低,发热量也少。大部分还不需要用水冷却,能在内陆使用。

比如,钍基熔盐反应堆,温度一旦超标,反应堆底部会自动熔化,携带核燃料的熔盐会流入应急储存罐,同时会自然冷却下来,使核反应终止。2021年9月份,全球第一个第四代核能技术的钍基熔盐堆已经在甘肃武威建成,开始示范项目的测试了。

再比如,高温气冷堆,主要靠氦气冷却,功率低,反应停止后余热少,也不需要水去冷却。2021年12月,全球第一个高温气冷堆已经在山东荣成石岛湾并网发电。

所以说,内陆地区未来也能用上核能供暖。

有了这些项目进展和技术突破后,业内有专家认为:核能供暖是核能产业的一个新赛道,迎来了一个发展“窗口期”。的确,已经有核电企业在北方城市开始普查厂址了,比如河北、山东、吉林、黑龙江、青海等,并进行了一些初步可研和前期对接等工作。

如果你也看好这个机遇,并且打算行动了。那在这里,我再分享一个我的观点给你,就是:解决能源问题的那把钥匙,是技术,而不是资源。

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