2019年 4月 15日，美國(guó)核能研究所（NEI）發(fā)布了一篇題為“微堆在偏遠(yuǎn)市場(chǎng)的成本競(jìng)爭(zhēng)力”的報(bào)告。本報(bào)告旨在為微堆的潛在客戶和利益相關(guān)者（包括偏遠(yuǎn)社區(qū)、礦山和國(guó)防設(shè)施）提供相關(guān)信息。報(bào)告介紹了微堆的優(yōu)點(diǎn)、市場(chǎng)機(jī)遇、成本以及競(jìng)爭(zhēng)力四個(gè)方面的內(nèi)容。

    1 背景介紹

    微堆是一種新興的核能技術(shù)，非常適合用于解決許多市場(chǎng)對(duì)于能源的需求，感興趣的客戶群體也在迅速擴(kuò)大。微堆通常指電功率范圍在 1～10 MWe 的反應(yīng)堆，有些微堆設(shè)計(jì)的功率會(huì)更小或稍大一些。微堆可以脫離電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行以提供較大彈性的電力，以解決正常和應(yīng)急情況下的緊急電力需求。

    本報(bào)告討論的堆僅限于固定式微堆，不包括移動(dòng)式微堆。報(bào)告評(píng)估了在美國(guó)部署固定式微堆的成本和競(jìng)爭(zhēng)力。微堆是未來(lái)的一項(xiàng)重要核能技術(shù)，是對(duì)其他兩類反應(yīng)堆技術(shù)（大于 1 000MWe的大型核反應(yīng)堆以及小于 300 MWe的小型模塊堆）的一項(xiàng)補(bǔ)充。目前，核能為美國(guó)提供了約 20％的電力，占零碳排放電力的近 60％。

    本報(bào)告旨在為微堆的潛在客戶和利益相關(guān)者（包括偏遠(yuǎn)社區(qū)、礦山和國(guó)防設(shè)施）提供相關(guān)信息。美國(guó)國(guó)防部（DOD）正在調(diào)研在長(zhǎng)期固定地點(diǎn)部署微堆，以便為關(guān)鍵任務(wù)防御設(shè)施提供高彈性電力，使設(shè)施能夠獨(dú)立于電網(wǎng)運(yùn)行，本報(bào)告所提供的信息也可供該調(diào)研使用。根據(jù) 2019年國(guó)防授權(quán)法案（NDAA）第 327
章的要求，能源部（DOE）部長(zhǎng)需要編寫(xiě)一份報(bào)告，描述使用微堆為 DOD 設(shè)施中關(guān)鍵國(guó)家安全基礎(chǔ)設(shè)施提供彈性電力的試點(diǎn)計(jì)劃，并明確該計(jì)劃的要求和組成部分。試點(diǎn)計(jì)劃將與商業(yè)實(shí)體簽訂有關(guān)微堆選址、建造和運(yùn)行的合同，目標(biāo)是在 2027 年 12月 31日之前開(kāi)始運(yùn)行電功率小于 50 MWe的微堆，為 DoD和 DOE設(shè)施中的國(guó)家安全基礎(chǔ)設(shè)施提供彈性電力。核能研究所（NEI）于 2018 年 10 月發(fā)布了一份“在美國(guó)國(guó)防設(shè)施中部署微堆的路線圖”報(bào)告，報(bào)告建議在 21世紀(jì) 20年代中期開(kāi)始部署微堆。

    2 微堆的優(yōu)點(diǎn)

    與其他核能技術(shù)一樣，微堆能夠提供其他能源所不能提供的綜合效益，主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：

    （1）高彈性和高可靠性。微堆可以一年 365 天、每天 24小時(shí)運(yùn)行，且大多數(shù)微堆都無(wú)需場(chǎng)外供料就能運(yùn)行 10年或更長(zhǎng)時(shí)間。微堆設(shè)計(jì)的宗旨是為了防范嚴(yán)重的自然災(zāi)害以及人為的實(shí)體和網(wǎng)絡(luò)安全威脅，許多設(shè)計(jì)都具有孤網(wǎng)運(yùn)行能力，其中包括可以在停電時(shí)恢復(fù)啟動(dòng)的黑啟動(dòng)功能。此外，微堆的容量因子預(yù)計(jì)可以達(dá)到 95％或更高。

    （2）清潔和環(huán)保。微堆作為一種核能技術(shù)，不會(huì)排放溫室氣體或“標(biāo)準(zhǔn)”污染物。核能是所有能源中碳足跡最低的能源之一，與水電和風(fēng)電大致相同。據(jù) DOD 估計(jì)，柴油發(fā)電與太陽(yáng)能光伏發(fā)電和儲(chǔ)存每提供 1 MWe 電力負(fù)荷所需占用土地面積分別為 53 平方米和 10 000平方米。微堆每提供 1 MWe電力負(fù)荷預(yù)計(jì)僅需占用約 20平方米的土地。

    （3）靈活性和按需運(yùn)行。微堆可按需發(fā)電，并可獨(dú)立于各種天氣條件運(yùn)行。微堆可以改變其功率輸出以匹配變化的需求，這使得微堆可適用于提供變化的負(fù)荷，并且與可再生能源等間歇性能源兼容。微堆也可交替進(jìn)行發(fā)電和供熱，或利用電池存儲(chǔ)來(lái)優(yōu)化容量因子和經(jīng)濟(jì)性。

    （4）發(fā)電和供熱。反應(yīng)堆出口溫度高的微堆可以用于發(fā)電和供熱，也可以專門用于供熱。熱量可用于工業(yè)應(yīng)用，例如煉油和化學(xué)處理。在較冷的氣候條件下，熱量也可用于家庭和企業(yè)的區(qū)域供熱。微堆生產(chǎn)的電力或高溫?zé)嵋部捎糜诤Ｋ擕}和凈化以及制氫。工業(yè)過(guò)程熱或區(qū)域供熱可以提高微堆在電力需求多樣化地區(qū)的利用率，從而改善市場(chǎng)對(duì)微堆的需求。

    （5）簡(jiǎn)單和安全。微堆的設(shè)計(jì)特點(diǎn)包括：體積小、操作簡(jiǎn)單；具有固有安全性和安保性；使用了改進(jìn)材料和高保真計(jì)算機(jī)建模等先進(jìn)技術(shù)；采用了許多自動(dòng)化運(yùn)行設(shè)計(jì)，人為操作程度低；規(guī)模和風(fēng)險(xiǎn)與研究堆相似，并在人口集中的大學(xué)校園中有著安全運(yùn)行的悠久歷史。

    3 微堆的市場(chǎng)機(jī)遇

    微堆非常適用于滿足目前一些市場(chǎng)對(duì)清潔、可靠、有彈性和價(jià)格合理能源的需求。其中許多市場(chǎng)位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，如北極社區(qū)和采礦作業(yè)區(qū)。另外，微堆還是為關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施（如國(guó)防設(shè)施和應(yīng)急響應(yīng)設(shè)施）提供微電網(wǎng)安全供電的一項(xiàng)選擇。

    3.1 偏遠(yuǎn)社區(qū)

    在阿拉斯加州，柴油發(fā)電和煤炭發(fā)電分別約占總發(fā)電量的15％和 6％。阿拉斯加州有大約 300個(gè)偏遠(yuǎn)社區(qū)，這些社區(qū)擁有小型電網(wǎng)，但沒(méi)有接通大型互聯(lián)電網(wǎng)。這些社區(qū)高度依賴柴油發(fā)電，而柴油發(fā)電不僅成本高而且柴油燃料供應(yīng)容易中斷。2014年，這些偏遠(yuǎn)社區(qū)的電價(jià)是 0.41～1.02 美元/千瓦時(shí)，這是美國(guó)其他社區(qū)電價(jià)的 16倍。這些社區(qū)一些家庭的電力花費(fèi)高達(dá)總收入的 47%。其中近 200 個(gè)社區(qū)是依靠國(guó)家電力成本平攤計(jì)劃（PCE）提供的經(jīng)濟(jì)援助來(lái)補(bǔ)貼其電力成本。對(duì)于島嶼地區(qū)來(lái)說(shuō)，通常其電價(jià)水平遠(yuǎn)高于大陸地區(qū)，而電網(wǎng)又較小且可靠性較低。另外，部分島嶼上的太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電廠也因颶風(fēng)等自然災(zāi)害受損，一些島嶼主要依靠柴油發(fā)電或石油發(fā)電。對(duì)于這些偏遠(yuǎn)社區(qū)來(lái)說(shuō)，無(wú)法獲得清潔、負(fù)擔(dān)得起且可靠的電力將對(duì)生活產(chǎn)生負(fù)面影響。微堆供電可以消除對(duì) PCE 補(bǔ)貼的需求并降低這些社區(qū)的能源成本，還可以消除對(duì)燃料供應(yīng)的依賴性，從而提高能源的安全性。

    3.2 采礦作業(yè)

    采礦作業(yè)往往位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，無(wú)法從電網(wǎng)獲得可靠的電力。采礦作業(yè)中的電力成本占運(yùn)營(yíng)成本的很大一部分，通常在0.20～0.50美元/千瓦時(shí)之間。礦山的壽命是由目標(biāo)礦石的類型、質(zhì)量和豐度決定的，一些礦山的壽命只有幾年，金礦的平均壽命為 10～20 年，一些銅礦可以運(yùn)行 70 年。利用微堆為采礦作業(yè)提供低成本電力，可能會(huì)有助于提高低品位礦石的利潤(rùn)，從而延長(zhǎng)礦山的壽命。

    3.3 國(guó)防設(shè)施

    DOD管理著 500多個(gè)固定設(shè)施，并在這些設(shè)施中開(kāi)展了包括美國(guó)空軍、陸軍、海軍、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)和眾多 DOD 相關(guān)的活動(dòng)。DOD 是美國(guó)最大的能源消費(fèi)機(jī)構(gòu)，占聯(lián)邦總能耗的 21％。2016財(cái)年，DOD設(shè)施的能源消耗量為 201萬(wàn)億英熱（Btu），其中電力消耗占 53％、天然氣占 32％、燃料油與煤炭占 15％，共耗資約37億美元。

    微堆能夠?yàn)楦鞣N DOD 設(shè)施提供能量，特別適合為偏遠(yuǎn)的國(guó)內(nèi)軍事基地供電和供熱。這些軍事基地是美國(guó)國(guó)家安全基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分，其能源需求尤為顯著，且目前的電力成本高昂、碳排放量大。40 MWe或更低的核電裝機(jī)容量就能滿足 90%軍事設(shè)施的年均能耗。預(yù)計(jì)大多數(shù) DOD 設(shè)施將使用一個(gè)或多個(gè)2～10 MWe功率的微堆。DOD可能在執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)的偏遠(yuǎn)設(shè)施上首先使用微堆。2018年 NEI發(fā)布的“在美國(guó)國(guó)防設(shè)施中部署微堆的路線圖”中，就將阿拉斯加費(fèi)爾班克斯附近的艾爾森空軍基地作為偏遠(yuǎn)國(guó)防設(shè)施部署微堆的例子進(jìn)行了探討。

    3.4 國(guó)際市場(chǎng)

    微堆能夠服務(wù)于世界各地的偏遠(yuǎn)地區(qū)。加拿大正在其偏遠(yuǎn)的北極社區(qū)以及采礦作業(yè)中使用微堆。加拿大偏遠(yuǎn)地區(qū)的市場(chǎng)需求和條件與美國(guó)的阿拉斯加州非常相似。2014年的一份報(bào)告估計(jì)澳大利亞的離網(wǎng)電力市場(chǎng)至少有 200 MWe，潛在市場(chǎng)可能超過(guò) 1 000 MWe。欠發(fā)達(dá)國(guó)家的許多社區(qū)均無(wú)法獲得可靠的電力，微堆將有可能明顯改善這些社區(qū)的生活質(zhì)量。值得注意的是，美國(guó)公司要想在國(guó)際微堆市場(chǎng)上具備競(jìng)爭(zhēng)力，還將需要得到美國(guó)政府對(duì)微堆出口的更多支持。

    4 微堆的成本

    本報(bào)告中微堆的成本是基于兩臺(tái)裝機(jī)容量為 5 MWe的機(jī)組、總裝機(jī)容量為 10 MWe的微堆核電站進(jìn)行估算的。NEI開(kāi)發(fā)了一款專用經(jīng)濟(jì)學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算平準(zhǔn)化電力成本（LCOE）來(lái)估算微堆的發(fā)電成本。

    4.1 首座微堆的成本

    首座微堆的成本是基于 40 年運(yùn)行壽期以及每 10 年更換一次燃料或反應(yīng)堆堆芯進(jìn)行估算的。早期的微堆可能會(huì)與現(xiàn)存發(fā)電站共同為大負(fù)荷需求供電，這使得微堆能夠保持 95％的容量因子。場(chǎng)址的工程和許可成本包含在微堆的資本成本中。同類別首個(gè)（FOAK）反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)和許可成本被認(rèn)為平攤到了大批微堆的生產(chǎn)中。表 1 是首座微堆成本估算的參照條件，表 2 是首座微堆的成本明細(xì)。

    與部署條件相關(guān)的許多因素可能會(huì)顯著影響成本，包括交通、天氣或氣候以及作業(yè)條件。同樣，許多與微堆有關(guān)的因素也會(huì)大大影響成本，例如核電站技術(shù)和設(shè)計(jì)均衡。資本成本的融資也很重要，并取決于微堆所有者的機(jī)構(gòu)性質(zhì)和貸款擔(dān)保的可用性。成本中不包括輸電和配電基礎(chǔ)設(shè)施，因?yàn)闊o(wú)論是使用
微堆還是其他技術(shù)發(fā)電都需要這些基礎(chǔ)設(shè)施。

    綜合考慮各種因素后，首座微堆的 LCOE估算范圍為 0.14～0.41美元/千瓦時(shí)，如圖 1所示。

    生產(chǎn)稅收抵免（PTC）在過(guò)去幾十年中一直有效地促進(jìn)了可再生能源技術(shù)的部署。預(yù)計(jì)首批微堆將在 2020 年代中期部署，并將有資格獲得 PTC。假設(shè)將 PTC考慮進(jìn)去，微堆的 LCOE將進(jìn)一步降低 0.008美元/千瓦時(shí)。鑒于 PTC對(duì)微堆電價(jià)的影響很小，預(yù)計(jì) PTC對(duì)促進(jìn)微堆發(fā)展所起的作用有限。

    大多數(shù)微堆計(jì)劃使用高純度低濃鈾（HALEU）燃料，該燃料中的鈾-235豐度高達(dá) 20％。目前還沒(méi)有 HALEU供應(yīng)，且在市場(chǎng)形成之前都不可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)供應(yīng)。因此，DOE需要為初期的微堆提供 HALEU。微堆的示范可以更加確定微堆的各項(xiàng)成本，并發(fā)現(xiàn)降低這些成本的機(jī)會(huì)。HALEU 和示范微堆在參議員 Murkowski等人于 2019年 3月提出的“核能領(lǐng)導(dǎo)法案”中得到了解決。

    4.2 成本敏感度

    在評(píng)估出首座微堆的 LCOE 范圍后，了解關(guān)鍵成本對(duì) LCOE的相對(duì)影響非常重要。與預(yù)期估計(jì)的一樣，反應(yīng)堆規(guī)模和資本成本是微堆 LCOE的最大影響因素，核電站的反應(yīng)堆數(shù)量和固定運(yùn)行與維護(hù)（O＆M）也對(duì) LCOE 有著重大影響。盡管沒(méi)有顯示，但堆芯壽命、燃料成本和退役成本對(duì) LCOE的影響相對(duì)較小，分別占不到5％的比例。圖2是關(guān)鍵成本對(duì)首座微堆LCOE的相對(duì)影響。

    4.3 未來(lái)微堆的成本

    同類別首個(gè)（FOAK）技術(shù)的部署永遠(yuǎn)比下一次部署更昂貴，因?yàn)槌杀镜慕档椭饕獨(dú)w功于吸取了先前的部署經(jīng)驗(yàn)。核電站的部署也不例外，部署機(jī)組的數(shù)量每增加一倍，成本通常會(huì)降低10％～20％。韓國(guó)水電與核電公司（KHNP）以及美國(guó)海軍的經(jīng)驗(yàn)表明，部署機(jī)組的數(shù)量每增加一倍，成本就會(huì)降低 15％。

    預(yù)計(jì)未來(lái)微堆的其他成本也會(huì)降低。隨著更多機(jī)組的生產(chǎn)，燃料成本也有可能降低，因?yàn)槲磥?lái)將采用一些可大批量生產(chǎn)的新型燃料設(shè)計(jì)。預(yù)計(jì) O＆M 成本也會(huì)因運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)而降低。圖 3 是未來(lái)微堆的隔夜資本成本與部署機(jī)組數(shù)量之間的關(guān)系。圖中 3 條曲線分別是假設(shè)初始隔夜資本成本為每千瓦裝機(jī)容量20 000、15 000和 10 000美元，對(duì)應(yīng)每增加一倍機(jī)組數(shù)量的成本降低率分別為 5%、10%和 15%，再估算出部署第 50 座微堆的資本成本分別為每千瓦裝機(jī)容量 14 973、8 276和 3 996美元。

    5 微堆的競(jìng)爭(zhēng)力

    在大多數(shù)情況下，偏遠(yuǎn)地區(qū)的現(xiàn)有能源是來(lái)自柴油發(fā)電，且要依靠非現(xiàn)場(chǎng)供應(yīng)且現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)存的大量柴油燃料來(lái)發(fā)電。柴油發(fā)電機(jī)不僅運(yùn)行昂貴，還會(huì)排放二氧化碳和其他空氣污染物，以及存在不可靠性。偏遠(yuǎn)北極社區(qū)柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)電成本估計(jì)為0.30～0.60美元/千瓦時(shí)。島嶼社區(qū)和偏遠(yuǎn)采礦的電價(jià)相似，發(fā)電成本為 0.15～0.35 美元/千瓦時(shí)，均低于北極社區(qū)，主要原因是燃料運(yùn)輸成本較低。

    對(duì)于北極社區(qū)和島嶼社區(qū)的偏遠(yuǎn)國(guó)防設(shè)施來(lái)說(shuō)，其發(fā)電成本可能與附近社區(qū)和采礦作業(yè)的成本相似，目前的成本高于0.40美元/千瓦時(shí)，這種情況下微堆顯然更具競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于發(fā)電成本低于 0.25 美元/千瓦時(shí)的國(guó)防設(shè)施來(lái)說(shuō)，如果不重視微堆可提供高彈性、可靠和清潔電力的優(yōu)勢(shì)，那么首批微堆就不確定是否具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。在評(píng)估微堆是否在高彈性電力需求市場(chǎng)中具有競(jìng)爭(zhēng)力時(shí)，報(bào)告參考了當(dāng)前偏遠(yuǎn)國(guó)防設(shè)施的發(fā)電成本0.28～0.32美元/千瓦時(shí)。

    報(bào)告還將未來(lái)微堆的較低發(fā)電成本與較大電網(wǎng)的發(fā)電成本進(jìn)行了比較。阿拉斯加鐵路帶的電價(jià)是 0.14～0.23 美元/千瓦時(shí)，扣除包括電力供應(yīng)在內(nèi)的其他成本 0.08 美元/千瓦時(shí)后，該地區(qū)發(fā)電成本估計(jì)為 0.06～0.15 美元/千瓦時(shí)。美國(guó)大陸地區(qū)的電價(jià)是 0.05～0.17 美元/千瓦時(shí)，扣除大約 0.03 美元/千瓦時(shí)的電力運(yùn)輸成本后，發(fā)電成本估計(jì)為 0.03～0.08 美元/千瓦時(shí)。圖 4通過(guò)比較未來(lái)首批微堆的預(yù)期成本與各類目標(biāo)市場(chǎng)的 LCOE，來(lái)顯示微堆的成本競(jìng)爭(zhēng)力。其中，微堆的預(yù)期成本還考慮了部署經(jīng)驗(yàn)帶來(lái)的成本降低，圖中 3 條曲線分別對(duì)應(yīng)每增加一倍部署機(jī)組數(shù)量的成本降低率 5%、10%和 15%。

    綜上分析表明，微堆對(duì)于北極社區(qū)、島嶼、礦山和國(guó)防設(shè)施而言具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。微堆的部署可以顯著降低阿拉斯加州依靠國(guó)家電力成本平攤計(jì)劃（PCE）社區(qū)的電力成本和國(guó)家補(bǔ)貼成本。另外，微堆在阿拉斯加鐵路帶中也具有競(jìng)爭(zhēng)力，并且對(duì)于具有高彈性功率要求的安全微電網(wǎng)也同樣如此。微堆提供了其他可用能源無(wú)法提供的綜合效益，即可提供高彈性、無(wú)碳、靈活以及可按需生產(chǎn)的電力。預(yù)計(jì)微堆將在2020年代中期部署。微堆的尺寸小，且具有大批量部署的潛力，這將有助于迅速降低部署成本，并加速未來(lái)微堆的部署。

來(lái)源：www.nei.org（宋敏娜編譯）