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未来能源前景 离不开的四代核电和光伏

   日期:2018-07-30     来源:中国科学技术大学核科学与技术专业在读博士    作者:张恒    浏览:1448    评论:0    
核心提示:编者按:未来能源系统什么样?在系统中,各种能源品类如何平衡?未来已经显示出一些端倪,现在的可再生能源、核电、储能都在迭代
 编者按:

未来能源系统什么样?在系统中,各种能源品类如何平衡?未来已经显示出一些端倪,现在的可再生能源、核电、储能都在迭代,这里畅想下四代核电、光伏系统在未来能源中的角色,以及各自可以预期的优势。

美欧学者预言,一种建立在信息技术和清洁能源相结合基础上的新一轮革命即将到来。科技革命有两种驱动:一种是社会需求驱动,一种是知识与技术体系内在的驱动。

今天作者和大家讨论下未来到2050年的几种主要的基荷能源策略组合,既然是基荷,那也就不外乎化石,可再生,先进核能等。

什么,你说踩脚踏车也可以发电点亮灯泡,黑镜里面跑跑步机也可以生物能转电能?额,这是一篇严肃的能源策略科普文……

首先看5条关于未来能源的信息和2个重要概念:

未来到2050年,随着AI技术带来的社会革命,能源系统的复杂性和智能化会进一步提升;

能源效率对于处理供不应求状态至关重要;

未来几十年的能源策略主要还是以化石能源为基荷;

现行的区域优先策略会有所改变,不会继续现在这样“一刀切”;

低碳模式将不会仅仅只联想到可再生绿色能源,我们更多的会开始考虑碳捕捉、能源利用和先进储能(CC(U)S)等技术落地发展

接下来是世界能源理事会(WEC)提出的两个能源策略概念:

第一,JAZZ,这个策略相对比较注重能源供给要满足经济和个体的发展;

第二,SYMPHONY,这个策略则考虑因素更为复杂,会更兼顾环境、资源与经济发展的平衡。下图很清晰的描绘了两种能源策略的倾向性。

图一 两种能源策略

下面具体看看几种基荷能源发展趋势。

1. 传统化石能源

毋庸置疑,化石能源在可预见的将来依旧是主要能源。

化石燃料占目前全球一次能源需求的80%,而全球二氧化碳排放中有三分之二来自能源系统。鉴于人们认为甲烷和其他短期气候污染物排放都被严重低估,能源生产和使用的排放量占比可能更大。图二给出两种策略对于本世纪中叶化石能源占比情况。
图二 本世纪中叶化石能源占比情况

在低碳发展的大趋势下,在全球化石燃料消费总量大量减少的趋势下,电力生产和工业加工的效率将会大幅度提高,同时化石燃料的发展在很大程度上也会依赖于碳捕捉(CCS)技术。

碳捕捉目前被广泛接受的定义是“一个从工业和能源相关的生产活动中分离二氧化碳,运输到储存地点,长期与大气隔绝的过程”。CCS产业链由四部分组成(图三),通俗而言,CCS就是在二氧化碳排放之前就对其捕捉,然后通过管线或船舶运到封存地,最后压缩注入地下,达到彻底减排的目的。

 

图三 CCS价值链各个阶段的技术总结

2. 先进核能系统

既然考虑的既然是五十年后,就不谈目前火热的华龙一号,AP1000,EPR等等三代堆系统。主要谈一下小型堆系统,四代堆系统中的铅冷快堆系统。
图4 核能进化年代预估

模块化小型压水反应堆系统(SMR)

兴起


近二十年,核电站输出功率的优化一直是全球核工业的讨论话题。分为扩容派与缩容派,前者以AREVA的EPR系列为代表,主张提高堆芯燃料组件数量达到规模效应,而安全性能以增加冗余作为手段。后者以西屋的AP600为代表,主张系统简化,降低堆芯功率以提高核电站的经济性与灵活性。

美国能源部对先进商用小型轻水堆项目有严格的时间规定,为2020年左右大规模推广小型轻水堆铺平道路。

与此同时,国内核工业大佬,中广核,中核也相继确立了SMR在接下来十年的研发商运地位,也都有项目在推进。

安全性


SMR大量采用了安全设计的思路,比如在失水事故的应对上,从原来的“失水-注水”的被动策略向“减小失水”的主动原则。先进小型轻水堆普遍采用一体化主回路压力容器结构,取消了主回路各主管道,从根本上消除了由于一回路主管道断裂造成的大破口失水事故;其次大量采用非能动安全设计,通过多种自然循环系统,转移堆芯余热,有效地降低了失水事故后堆芯温升程度和堆芯裸露的可能性。

在长期冷却策略上,先进小型压水堆全面采用非能动安全系统,而且系统热阱余量很大,可以在全厂断电的情况下独立工作一个星期以上。因此,先进小型轻水堆的安全性比第三代轻水堆(AP1000、EPR等)有了指数级的提高(见表1)。


表1 先进小型轻水堆安全性能的改进

发展设想:

SMR&分布式能源系统,渐行渐近。


分布式能源系统是直接面向用户,按用户的需求就地生产并供应能量,具有多种功能,可满足多重目标的中、小型能量转换利用系统。在分布式能源即将迎来大发展背景下,SMR供电系统必然会在50年后的偏远地区,海上工作平台等大电网触角无法企及的孤岛小电网架构之上找到自己存在的合理性。

第四代反应堆系统

在可预见的将来,第四代反应堆系统(Gen IV),也包括铅冷快堆系统,是会一统核能天下的。表二介绍GIF力推的六种GENIV。其特点无非是固有安全性、经济性和燃料利用可持续性。


 
表2 GIF六种GEN IV

铅冷快堆系统(LFR)采用液态铅作为主冷却剂以期提高核岛安全性和增殖铀转换其快中子谱,考虑燃料闭式循环,采用长寿期堆芯以提升电厂经济性能;设计堆内自然循环以提高其余热排出能力;反应堆本体采用池式结构以提高其抗震能力。

主要特点

使用紧凑的、容器内的蒸汽发生器(SG)和所有堆内构件都可拆出的简单主回路,从而降低施工难度,提高施工速度。同时,采用池式反应堆结构设计,可以提高堆本体抗震能力。
图5 铅冷快堆系统ELSY的堆本体设计示意图

在惰性气体的保护下进行堆芯燃料操作,提高操作安全性;

堆内SG抛弃传统U型管设计采用新型螺旋式设计,以提高换热能力和达到堆内自然循环目的。

铅作为一种高沸点冷却剂所带来的协调作用,不可低估:中子经济、低压系 统,安全、简化、经济、防扩散能力等。在ADS研究中发现铅具有吸附和抑制裂变产物、特别是某些易挥发裂变产物的能力,可将核电厂对外环境的影响降到最小,从基本上消除核电厂场外应急的需要。

铅的对外部环境、工业基础条件和技术要求有更广泛的适应性。目前核电选址在考虑地址的时候,第一步就是调出此地所有记录,比如县志之类的老古董来看,是不是在某年某月的某一天发生过重大自然灾害之类的,为何?因为现在核电厂很脆弱!做核电的常常说核电厂址是稀缺资源,怕地震、怕海啸、怕冰冻,50年后的将来,铅冷系统能让核电厂更刚强。

3.光伏系统

可再生能源还有风能,这里只介绍光伏系统。

这里说的是光伏系统,是五十年后的光伏。五十年后的光伏应该是一个系统,是光伏发电系统+储能系统+孤岛电网组成的分布式能源系统。

前几年不敢讲这个思路。当时太阳能薄膜电池材料就3万1克,现在已经降到四位数。分布式能源、微电网也已经逐渐规范,并大力推广。

可能五十年后电池储能不是目前的锂电池镍电池、铁基电池,但是必定可以调和光伏系统晚上无法供电的尴尬,山区人民晚上也挖个矿什么的。

作者未来,光伏发电效率和经济性提高,寻常山区百姓家组一个光伏孤岛系统的经济压力就跟安一个电视天线相当;储能系统(看好电池储能)能做到一晚上通宵挖矿,洗一晚上热水澡或者Whatever,总之晚上想用电只要电池没坏就可以尽情用;万一储能电池坏了,孤岛电网也可以接入大电网系统(你要是问怎么接入,说不定无线传输实现了呢),就是贵一点,但是可以保证基本用电需求,不至于黑灯瞎火洗凉水澡或者感冒了没有开水喝即可。

最后贴一张19世纪初人类寻求利用太阳能的古朴图片,现今人类正站在技术革命的漆黑黎明守望浩瀚的星空,坚持一下,就是艳阳。


这是一个最好的时代。
 
标签: 核电 光伏
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