2019年 4月 15日，美國核能研究所（NEI）發(fā)布了一篇題為“微堆在偏遠市場的成本競爭力”的報告。本報告旨在為微堆的潛在客戶和利益相關(guān)者（包括偏遠社區(qū)、礦山和國防設(shè)施）提供相關(guān)信息。報告介紹了微堆的優(yōu)點、市場機遇、成本以及競爭力四個方面的內(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對于能源的需求，感興趣的客戶群體也在迅速擴大。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)計的功率會更小或稍大一些。微堆可以脫離電網(wǎng)獨立運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。

    本報告討論的堆僅限于固定式微堆，不包括移動式微堆。報告評估了在美國部署固定式微堆的成本和競爭力。微堆是未來的一項重要核能技術(shù)，是對其他兩類反應(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）的一項補充。目前，核能為美國提供了約 20％的電力，占零碳排放電力的近 60％。

    本報告旨在為微堆的潛在客戶和利益相關(guān)者（包括偏遠社區(qū)、礦山和國防設(shè)施）提供相關(guān)信息。美國國防部（DOD）正在調(diào)研在長期固定地點部署微堆，以便為關(guān)鍵任務(wù)防御設(shè)施提供高彈性電力，使設(shè)施能夠獨立于電網(wǎng)運行，本報告所提供的信息也可供該調(diào)研使用。根據(jù) 2019年國防授權(quán)法案（NDAA）第 327
章的要求，能源部（DOE）部長需要編寫一份報告，描述使用微堆為 DOD 設(shè)施中關(guān)鍵國家安全基礎(chǔ)設(shè)施提供彈性電力的試點計劃，并明確該計劃的要求和組成部分。試點計劃將與商業(yè)實體簽訂有關(guān)微堆選址、建造和運行的合同，目標(biāo)是在 2027 年 12月 31日之前開始運行電功率小于 50 MWe的微堆，為 DoD和 DOE設(shè)施中的國家安全基礎(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“在美國國防設(shè)施中部署微堆的路線圖”報告，報告建議在 21世紀(jì) 20年代中期開始部署微堆。

    2 微堆的優(yōu)點

    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)在以下五個方面：

    （1）高彈性和高可靠性。微堆可以一年 365 天、每天 24小時運行，且大多數(shù)微堆都無需場外供料就能運行 10年或更長時間。微堆設(shè)計的宗旨是為了防范嚴(yán)重的自然災(zāi)害以及人為的實體和網(wǎng)絡(luò)安全威脅，許多設(shè)計都具有孤網(wǎng)運行能力，其中包括可以在停電時恢復(fù)啟動的黑啟動功能。此外，微堆的容量因子預(yù)計可以達到 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，柴油發(fā)電與太陽能光伏發(fā)電和儲存每提供 1 MWe 電力負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電力負荷預(yù)計僅需占用約 20平方米的土地。

    （3）靈活性和按需運行。微堆可按需發(fā)電，并可獨立于各種天氣條件運行。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荷，并且與可再生能源等間歇性能源兼容。微堆也可交替進行發(fā)電和供熱，或利用電池存儲來優(yōu)化容量因子和經(jīng)濟性。

    （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，從而改善市場對微堆的需求。

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

    3 微堆的市場機遇

    微堆非常適用于滿足目前一些市場對清潔、可靠、有彈性和價格合理能源的需求。其中許多市場位于偏遠地區(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)安全供電的一項選擇。

    3.1 偏遠社區(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個偏遠社區(qū)，這些社區(qū)擁有小型電網(wǎng)，但沒有接通大型互聯(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，這些偏遠社區(qū)的電價是 0.41～1.02 美元/千瓦時，這是美國其他社區(qū)電價的 16倍。這些社區(qū)一些家庭的電力花費高達總收入的 47%。其中近 200 個社區(qū)是依靠國家電力成本平攤計劃（PCE）提供的經(jīng)濟援助來補貼其電力成本。對于島嶼地區(qū)來說，通常其電價水平遠高于大陸地區(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。對于這些偏遠社區(qū)來說，無法獲得清潔、負擔(dān)得起且可靠的電力將對生活產(chǎn)生負面影響。微堆供電可以消除對 PCE 補貼的需求并降低這些社區(qū)的能源成本，還可以消除對燃料供應(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)往往位于偏遠地區(qū)，無法從電網(wǎng)獲得可靠的電力。采礦作業(yè)中的電力成本占運營成本的很大一部分，通常在0.20～0.50美元/千瓦時之間。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，一些銅礦可以運行 70 年。利用微堆為采礦作業(yè)提供低成本電力，可能會有助于提高低品位礦石的利潤，從而延長礦山的壽命。

    3.3 國防設(shè)施

    DOD管理著 500多個固定設(shè)施，并在這些設(shè)施中開展了包括美國空軍、陸軍、海軍、海軍陸戰(zhàn)隊和眾多 DOD 相關(guān)的活動。DOD 是美國最大的能源消費機構(gòu)，占聯(lián)邦總能耗的 21％。2016財年，DOD設(shè)施的能源消耗量為 201萬億英熱（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。

    微堆能夠為各種 DOD 設(shè)施提供能量，特別適合為偏遠的國內(nèi)軍事基地供電和供熱。這些軍事基地是美國國家安全基礎(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或更低的核電裝機容量就能滿足 90%軍事設(shè)施的年均能耗。預(yù)計大多數(shù) DOD 設(shè)施將使用一個或多個2～10 MWe功率的微堆。DOD可能在執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)的偏遠設(shè)施上首先使用微堆。2018年 NEI發(fā)布的“在美國國防設(shè)施中部署微堆的路線圖”中，就將阿拉斯加費爾班克斯附近的艾爾森空軍基地作為偏遠國防設(shè)施部署微堆的例子進行了探討。

    3.4 國際市場

    微堆能夠服務(wù)于世界各地的偏遠地區(qū)。加拿大正在其偏遠的北極社區(qū)以及采礦作業(yè)中使用微堆。加拿大偏遠地區(qū)的市場需求和條件與美國的阿拉斯加州非常相似。2014年的一份報告估計澳大利亞的離網(wǎng)電力市場至少有 200 MWe，潛在市場可能超過 1 000 MWe。欠發(fā)達國家的許多社區(qū)均無法獲得可靠的電力，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，美國公司要想在國際微堆市場上具備競爭力，還將需要得到美國政府對微堆出口的更多支持。

    4 微堆的成本

    本報告中微堆的成本是基于兩臺裝機容量為 5 MWe的機組、總裝機容量為 10 MWe的微堆核電站進行估算的。NEI開發(fā)了一款專用經(jīng)濟學(xué)模型，通過計算平準(zhǔn)化電力成本（LCOE）來估算微堆的發(fā)電成本。

    4.1 首座微堆的成本

    首座微堆的成本是基于 40 年運行壽期以及每 10 年更換一次燃料或反應(yīng)堆堆芯進行估算的。早期的微堆可能會與現(xiàn)存發(fā)電站共同為大負荷需求供電，這使得微堆能夠保持 95％的容量因子。場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（FOAK）反應(yīng)堆的設(shè)計和許可成本被認(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。

    與部署條件相關(guān)的許多因素可能會顯著影響成本，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)的因素也會大大影響成本，例如核電站技術(shù)和設(shè)計均衡。資本成本的融資也很重要，并取決于微堆所有者的機構(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，因為無論是使用
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，如圖 1所示。

    生產(chǎn)稅收抵免（PTC）在過去幾十年中一直有效地促進了可再生能源技術(shù)的部署。預(yù)計首批微堆將在 2020 年代中期部署，并將有資格獲得 PTC。假設(shè)將 PTC考慮進去，微堆的 LCOE將進一步降低 0.008美元/千瓦時。鑒于 PTC對微堆電價的影響很小，預(yù)計 PTC對促進微堆發(fā)展所起的作用有限。

    大多數(shù)微堆計劃使用高純度低濃鈾（HALEU）燃料，該燃料中的鈾-235豐度高達 20％。目前還沒有 HALEU供應(yīng)，且在市場形成之前都不可能實現(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成本，并發(fā)現(xiàn)降低這些成本的機會。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

    在評估出首座微堆的 LCOE 范圍后，了解關(guān)鍵成本對 LCOE的相對影響非常重要。與預(yù)期估計的一樣，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)量和固定運行與維護（O＆M）也對 LCOE 有著重大影響。盡管沒有顯示，但堆芯壽命、燃料成本和退役成本對 LCOE的影響相對較小，分別占不到5％的比例。圖2是關(guān)鍵成本對首座微堆LCOE的相對影響。

    4.3 未來微堆的成本

    同類別首個（FOAK）技術(shù)的部署永遠比下一次部署更昂貴，因為成本的降低主要歸功于吸取了先前的部署經(jīng)驗。核電站的部署也不例外，部署機組的數(shù)量每增加一倍，成本通常會降低10％～20％。韓國水電與核電公司（KHNP）以及美國海軍的經(jīng)驗表明，部署機組的數(shù)量每增加一倍，成本就會降低 15％。

    預(yù)計未來微堆的其他成本也會降低。隨著更多機組的生產(chǎn)，燃料成本也有可能降低，因為未來將采用一些可大批量生產(chǎn)的新型燃料設(shè)計。預(yù)計 O＆M 成本也會因運行經(jīng)驗的學(xué)習(xí)而降低。圖 3 是未來微堆的隔夜資本成本與部署機組數(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容量20 000、15 000和 10 000美元，對應(yīng)每增加一倍機組數(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容量 14 973、8 276和 3 996美元。

    5 微堆的競爭力

    在大多數(shù)情況下，偏遠地區(qū)的現(xiàn)有能源是來自柴油發(fā)電，且要依靠非現(xiàn)場供應(yīng)且現(xiàn)場儲存的大量柴油燃料來發(fā)電。柴油發(fā)電機不僅運行昂貴，還會排放二氧化碳和其他空氣污染物，以及存在不可靠性。偏遠北極社區(qū)柴油發(fā)電機的發(fā)電成本估計為0.30～0.60美元/千瓦時。島嶼社區(qū)和偏遠采礦的電價相似，發(fā)電成本為 0.15～0.35 美元/千瓦時，均低于北極社區(qū)，主要原因是燃料運輸成本較低。

    對于北極社區(qū)和島嶼社區(qū)的偏遠國防設(shè)施來說，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，這種情況下微堆顯然更具競爭力。對于發(fā)電成本低于 0.25 美元/千瓦時的國防設(shè)施來說，如果不重視微堆可提供高彈性、可靠和清潔電力的優(yōu)勢，那么首批微堆就不確定是否具有經(jīng)濟競爭力。在評估微堆是否在高彈性電力需求市場中具有競爭力時，報告參考了當(dāng)前偏遠國防設(shè)施的發(fā)電成本0.28～0.32美元/千瓦時。

    報告還將未來微堆的較低發(fā)電成本與較大電網(wǎng)的發(fā)電成本進行了比較。阿拉斯加鐵路帶的電價是 0.14～0.23 美元/千瓦時，扣除包括電力供應(yīng)在內(nèi)的其他成本 0.08 美元/千瓦時后，該地區(qū)發(fā)電成本估計為 0.06～0.15 美元/千瓦時。美國大陸地區(qū)的電價是 0.05～0.17 美元/千瓦時，扣除大約 0.03 美元/千瓦時的電力運輸成本后，發(fā)電成本估計為 0.03～0.08 美元/千瓦時。圖 4通過比較未來首批微堆的預(yù)期成本與各類目標(biāo)市場的 LCOE，來顯示微堆的成本競爭力。其中，微堆的預(yù)期成本還考慮了部署經(jīng)驗帶來的成本降低，圖中 3 條曲線分別對應(yīng)每增加一倍部署機組數(shù)量的成本降低率 5%、10%和 15%。

    綜上分析表明，微堆對于北極社區(qū)、島嶼、礦山和國防設(shè)施而言具有成本競爭力。微堆的部署可以顯著降低阿拉斯加州依靠國家電力成本平攤計劃（PCE）社區(qū)的電力成本和國家補貼成本。另外，微堆在阿拉斯加鐵路帶中也具有競爭力，并且對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法提供的綜合效益，即可提供高彈性、無碳、靈活以及可按需生產(chǎn)的電力。預(yù)計微堆將在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，并加速未來微堆的部署。

來源：www.nei.org（宋敏娜編譯）