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    2019年 4月 15日,美国核能研究所(NEI)发布了一篇题为“微堆在偏远市场的成本竞争力”的报告。本报告旨在为微堆的潜在客户和利益相关者(包括偏远社区、矿山和国防设施)提供相关信息。报告介绍了微堆的优点、市场机遇、成本以及竞争力四个方面的内容。

    1 背景介绍

    微堆是一种新兴的核能技术,非常适合用于解决许多市场对于能源的需求,感兴趣的客户群体也在迅速扩大。微堆通常指电功率范围在 1~10 MWe 的反应堆,有些微堆设计的功率会更小或稍大一些。微堆可以脱离电网独立运行以提供较大弹性的电力,以解决正常和应急情况下的紧急电力需求。

    本报告讨论的堆仅限于固定式微堆,不包括移动式微堆。报告评估了在美国部署固定式微堆的成本和竞争力。微堆是未来的一项重要核能技术,是对其他两类反应堆技术(大于 1 000MWe的大型核反应堆以及小于 300 MWe的小型模块堆)的一项补充。目前,核能为美国提供了约 20%的电力,占零碳排放电力的近 60%。

    本报告旨在为微堆的潜在客户和利益相关者(包括偏远社区、矿山和国防设施)提供相关信息。美国国防部(DOD)正在调研在长期固定地点部署微堆,以便为关键任务防御设施提供高弹性电力,使设施能够独立于电网运行,本报告所提供的信息也可供该调研使用。根据 2019年国防授权法案(NDAA)第 327
章的要求,能源部(DOE)部长需要编写一份报告,描述使用微堆为 DOD 设施中关键国家安全基础设施提供弹性电力的试点计划,并明确该计划的要求和组成部分。试点计划将与商业实体签订有关微堆选址、建造和运行的合同,目标是在 2027 年 12月 31日之前开始运行电功率小于 50 MWe的微堆,为 DoD和 DOE设施中的国家安全基础设施提供弹性电力。核能研究所(NEI)于 2018 年 10 月发布了一份“在美国国防设施中部署微堆的路线图”报告,报告建议在 21世纪 20年代中期开始部署微堆。

    2 微堆的优点

    与其他核能技术一样,微堆能够提供其他能源所不能提供的综合效益,主要体现在以下五个方面:

    (1)高弹性和高可靠性。微堆可以一年 365 天、每天 24小时运行,且大多数微堆都无需场外供料就能运行 10年或更长时间。微堆设计的宗旨是为了防范严重的自然灾害以及人为的实体和网络安全威胁,许多设计都具有孤网运行能力,其中包括可以在停电时恢复启动的黑启动功能。此外,微堆的容量因子预计可以达到 95%或更高。

    (2)清洁和环保。微堆作为一种核能技术,不会排放温室气体或“标准”污染物。核能是所有能源中碳足迹最低的能源之一,与水电和风电大致相同。据 DOD 估计,柴油发电与太阳能光伏发电和储存每提供 1 MWe 电力负荷所需占用土地面积分别为 53 平方米和 10 000平方米。微堆每提供 1 MWe电力负荷预计仅需占用约 20平方米的土地。

    (3)灵活性和按需运行。微堆可按需发电,并可独立于各种天气条件运行。微堆可以改变其功率输出以匹配变化的需求,这使得微堆可适用于提供变化的负荷,并且与可再生能源等间歇性能源兼容。微堆也可交替进行发电和供热,或利用电池存储来优化容量因子和经济性。

    (4)发电和供热。反应堆出口温度高的微堆可以用于发电和供热,也可以专门用于供热。热量可用于工业应用,例如炼油和化学处理。在较冷的气候条件下,热量也可用于家庭和企业的区域供热。微堆生产的电力或高温热也可用于海水脱盐和净化以及制氢。工业过程热或区域供热可以提高微堆在电力需求多样化地区的利用率,从而改善市场对微堆的需求。

    (5)简单和安全。微堆的设计特点包括:体积小、操作简单;具有固有安全性和安保性;使用了改进材料和高保真计算机建模等先进技术;采用了许多自动化运行设计,人为操作程度低;规模和风险与研究堆相似,并在人口集中的大学校园中有着安全运行的悠久历史。

    3 微堆的市场机遇

    微堆非常适用于满足目前一些市场对清洁、可靠、有弹性和价格合理能源的需求。其中许多市场位于偏远地区,如北极社区和采矿作业区。另外,微堆还是为关键基础设施(如国防设施和应急响应设施)提供微电网安全供电的一项选择。

    3.1 偏远社区

    在阿拉斯加州,柴油发电和煤炭发电分别约占总发电量的15%和 6%。阿拉斯加州有大约 300个偏远社区,这些社区拥有小型电网,但没有接通大型互联电网。这些社区高度依赖柴油发电,而柴油发电不仅成本高而且柴油燃料供应容易中断。2014年,这些偏远社区的电价是 0.41~1.02 美元/千瓦时,这是美国其他社区电价的 16倍。这些社区一些家庭的电力花费高达总收入的 47%。其中近 200 个社区是依靠国家电力成本平摊计划(PCE)提供的经济援助来补贴其电力成本。对于岛屿地区来说,通常其电价水平远高于大陆地区,而电网又较小且可靠性较低。另外,部分岛屿上的太阳能和风能发电厂也因飓风等自然灾害受损,一些岛屿主要依靠柴油发电或石油发电。对于这些偏远社区来说,无法获得清洁、负担得起且可靠的电力将对生活产生负面影响。微堆供电可以消除对 PCE 补贴的需求并降低这些社区的能源成本,还可以消除对燃料供应的依赖性,从而提高能源的安全性。

    3.2 采矿作业

    采矿作业往往位于偏远地区,无法从电网获得可靠的电力。采矿作业中的电力成本占运营成本的很大一部分,通常在0.20~0.50美元/千瓦时之间。矿山的寿命是由目标矿石的类型、质量和丰度决定的,一些矿山的寿命只有几年,金矿的平均寿命为 10~20 年,一些铜矿可以运行 70 年。利用微堆为采矿作业提供低成本电力,可能会有助于提高低品位矿石的利润,从而延长矿山的寿命。

    3.3 国防设施

    DOD管理着 500多个固定设施,并在这些设施中开展了包括美国空军、陆军、海军、海军陆战队和众多 DOD 相关的活动。DOD 是美国最大的能源消费机构,占联邦总能耗的 21%。2016财年,DOD设施的能源消耗量为 201万亿英热(Btu),其中电力消耗占 53%、天然气占 32%、燃料油与煤炭占 15%,共耗资约37亿美元。

    微堆能够为各种 DOD 设施提供能量,特别适合为偏远的国内军事基地供电和供热。这些军事基地是美国国家安全基础设施的关键组成部分,其能源需求尤为显著,且目前的电力成本高昂、碳排放量大。40 MWe或更低的核电装机容量就能满足 90%军事设施的年均能耗。预计大多数 DOD 设施将使用一个或多个2~10 MWe功率的微堆。DOD可能在执行关键任务的偏远设施上首先使用微堆。2018年 NEI发布的“在美国国防设施中部署微堆的路线图”中,就将阿拉斯加费尔班克斯附近的艾尔森空军基地作为偏远国防设施部署微堆的例子进行了探讨。

    3.4 国际市场

    微堆能够服务于世界各地的偏远地区。加拿大正在其偏远的北极社区以及采矿作业中使用微堆。加拿大偏远地区的市场需求和条件与美国的阿拉斯加州非常相似。2014年的一份报告估计澳大利亚的离网电力市场至少有 200 MWe,潜在市场可能超过 1 000 MWe。欠发达国家的许多社区均无法获得可靠的电力,微堆将有可能明显改善这些社区的生活质量。值得注意的是,美国公司要想在国际微堆市场上具备竞争力,还将需要得到美国政府对微堆出口的更多支持。

    4 微堆的成本

    本报告中微堆的成本是基于两台装机容量为 5 MWe的机组、总装机容量为 10 MWe的微堆核电站进行估算的。NEI开发了一款专用经济学模型,通过计算平准化电力成本(LCOE)来估算微堆的发电成本。

    4.1 首座微堆的成本

    首座微堆的成本是基于 40 年运行寿期以及每 10 年更换一次燃料或反应堆堆芯进行估算的。早期的微堆可能会与现存发电站共同为大负荷需求供电,这使得微堆能够保持 95%的容量因子。场址的工程和许可成本包含在微堆的资本成本中。同类别首个(FOAK)反应堆的设计和许可成本被认为平摊到了大批微堆的生产中。表 1 是首座微堆成本估算的参照条件,表 2 是首座微堆的成本明细。

    与部署条件相关的许多因素可能会显着影响成本,包括交通、天气或气候以及作业条件。同样,许多与微堆有关的因素也会大大影响成本,例如核电站技术和设计均衡。资本成本的融资也很重要,并取决于微堆所有者的机构性质和贷款担保的可用性。成本中不包括输电和配电基础设施,因为无论是使用
微堆还是其他技术发电都需要这些基础设施。

    综合考虑各种因素后,首座微堆的 LCOE估算范围为 0.14~0.41美元/千瓦时,如图 1所示。

    生产税收抵免(PTC)在过去几十年中一直有效地促进了可再生能源技术的部署。预计首批微堆将在 2020 年代中期部署,并将有资格获得 PTC。假设将 PTC考虑进去,微堆的 LCOE将进一步降低 0.008美元/千瓦时。鉴于 PTC对微堆电价的影响很小,预计 PTC对促进微堆发展所起的作用有限。

    大多数微堆计划使用高纯度低浓铀(HALEU)燃料,该燃料中的铀-235丰度高达 20%。目前还没有 HALEU供应,且在市场形成之前都不可能实现商业供应。因此,DOE需要为初期的微堆提供 HALEU。微堆的示范可以更加确定微堆的各项成本,并发现降低这些成本的机会。HALEU 和示范微堆在参议员 Murkowski等人于 2019年 3月提出的“核能领导法案”中得到了解决。

    4.2 成本敏感度

    在评估出首座微堆的 LCOE 范围后,了解关键成本对 LCOE的相对影响非常重要。与预期估计的一样,反应堆规模和资本成本是微堆 LCOE的最大影响因素,核电站的反应堆数量和固定运行与维护(O&M)也对 LCOE 有着重大影响。尽管没有显示,但堆芯寿命、燃料成本和退役成本对 LCOE的影响相对较小,分别占不到5%的比例。图2是关键成本对首座微堆LCOE的相对影响。


    4.3 未来微堆的成本

    同类别首个(FOAK)技术的部署永远比下一次部署更昂贵,因为成本的降低主要归功于吸取了先前的部署经验。核电站的部署也不例外,部署机组的数量每增加一倍,成本通常会降低10%~20%。韩国水电与核电公司(KHNP)以及美国海军的经验表明,部署机组的数量每增加一倍,成本就会降低 15%。

    预计未来微堆的其他成本也会降低。随着更多机组的生产,燃料成本也有可能降低,因为未来将采用一些可大批量生产的新型燃料设计。预计 O&M 成本也会因运行经验的学习而降低。图 3 是未来微堆的隔夜资本成本与部署机组数量之间的关系。图中 3 条曲线分别是假设初始隔夜资本成本为每千瓦装机容量20 000、15 000和 10 000美元,对应每增加一倍机组数量的成本降低率分别为 5%、10%和 15%,再估算出部署第 50 座微堆的资本成本分别为每千瓦装机容量 14 973、8 276和 3 996美元。

    5 微堆的竞争力

    在大多数情况下,偏远地区的现有能源是来自柴油发电,且要依靠非现场供应且现场储存的大量柴油燃料来发电。柴油发电机不仅运行昂贵,还会排放二氧化碳和其他空气污染物,以及存在不可靠性。偏远北极社区柴油发电机的发电成本估计为0.30~0.60美元/千瓦时。岛屿社区和偏远采矿的电价相似,发电成本为 0.15~0.35 美元/千瓦时,均低于北极社区,主要原因是燃料运输成本较低。

    对于北极社区和岛屿社区的偏远国防设施来说,其发电成本可能与附近社区和采矿作业的成本相似,目前的成本高于0.40美元/千瓦时,这种情况下微堆显然更具竞争力。对于发电成本低于 0.25 美元/千瓦时的国防设施来说,如果不重视微堆可提供高弹性、可靠和清洁电力的优势,那么首批微堆就不确定是否具有经济竞争力。在评估微堆是否在高弹性电力需求市场中具有竞争力时,报告参考了当前偏远国防设施的发电成本0.28~0.32美元/千瓦时。

    报告还将未来微堆的较低发电成本与较大电网的发电成本进行了比较。阿拉斯加铁路带的电价是 0.14~0.23 美元/千瓦时,扣除包括电力供应在内的其他成本 0.08 美元/千瓦时后,该地区发电成本估计为 0.06~0.15 美元/千瓦时。美国大陆地区的电价是 0.05~0.17 美元/千瓦时,扣除大约 0.03 美元/千瓦时的电力运输成本后,发电成本估计为 0.03~0.08 美元/千瓦时。图 4通过比较未来首批微堆的预期成本与各类目标市场的 LCOE,来显示微堆的成本竞争力。其中,微堆的预期成本还考虑了部署经验带来的成本降低,图中 3 条曲线分别对应每增加一倍部署机组数量的成本降低率 5%、10%和 15%。

    综上分析表明,微堆对于北极社区、岛屿、矿山和国防设施而言具有成本竞争力。微堆的部署可以显着降低阿拉斯加州依靠国家电力成本平摊计划(PCE)社区的电力成本和国家补贴成本。另外,微堆在阿拉斯加铁路带中也具有竞争力,并且对于具有高弹性功率要求的安全微电网也同样如此。微堆提供了其他可用能源无法提供的综合效益,即可提供高弹性、无碳、灵活以及可按需生产的电力。预计微堆将在2020年代中期部署。微堆的尺寸小,且具有大批量部署的潜力,这将有助于迅速降低部署成本,并加速未来微堆的部署。

来源:www.nei.org(宋敏娜编译)

 
 
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