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先进核反应堆的市场分析
时间:2021年06月11日 来源:嘿嘿能源heypower 作者:heypower 点击量:817 分享:

热能温度越高,其应用场景就越广泛,有些工业部门所需的热源温度比LWRs(轻水堆)所能提供的温度更高。仅化工行业就有大约10万兆瓦的热量需要。开发下一代高温反应堆核电站的计划就是基于这个市场。该计划最终被取消,是因为压裂法极大地降低了天然气开采的成本,高温反应堆显然是生不逢时。然而,如果反应堆能够提供高温热量,低碳经济的目标将会使其重新焕发生机。高温热能还有两个新兴市场:调峰电力和氢气生产。

调峰电力

历史上,核反应堆主要用于基荷电力,这是由化石燃料的特点造成的。核电站具有高投资成本和低运营成本,而化石燃料电厂具有低投资成本和高运营成本。今天,这些化石燃料电厂采用燃气轮机。风能和太阳能根据天气情况向电网提供电力,与电力需求无关,不可调度。风力和太阳能的效果正在逐步显现,比如加州,那里的上网电价已经下降了。

在加州等地,在太阳能和风能产量高的时候,上网电价会快速下跌,而在其他时候则会上涨。图1显示了加州2012年和2017年春季一天的电价。2012年的价格是由化石燃料发电厂制定的。2017年电价则受到了太阳能发电的影响,太阳能发电获得了大量补贴。今天,燃气轮机提供可调度的电力,以满足调峰需求。

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随着碳减排,谁能取代燃气轮机?

多个先进反应堆的开发商提出增加储热的方案,以使基荷反应堆能够满足调峰需求。这些反应堆包括TerraPower/GE日立核能公司联合开发的钠冷Natrium反应堆、Moltex MSR和Kairos Power KP-FHR。在这三种情况下,储热材料是硝酸钠钾盐,这与集中式太阳能热发电厂中使用的熔融盐相同。反应器不直接连接到电源块上。相反,反应器接收冷盐,加热后将其送至热盐储罐。盐循环是反应器和动力循环之间的中间循环。动力循环接收热盐并产生蒸汽,从而产生电力。

反应器的大小与平均电力需求相匹配。带有蒸汽锅炉和涡轮机的动力单元的大小与峰值电力需求相匹配。峰值电力输出与反应堆的相对规模取决于当地的电力市场。例如,根据拥有大量海上风电的英国电网,Moltex反应堆的峰值功率输出比反应堆输出高三倍左右。该动力模块可以比核反应堆更快地调整出力,因为输入动力循环的热量是由热盐泵速度控制的,而不是反应堆调整输出功率。

动力循环可以比燃气轮机更快地响应不断变化的电力需求。实现在高电价的时候出售电力,达到收入最大化的目的。在这些带储能的电厂中有很大动力来降低投资成本,使其低于燃气轮机的成本。动力单元是按照核电标准建造的,它不与反应堆相连接。电力循环的设计是为了最大限度地降低投资成本,因为动力装置的能力系数可能是30%,而反应堆的能力系数是90%。如果有非常低价的电力,发电厂就会买电来加热更多的硝酸盐。如果高峰需求延长了很长一段时间,并且储热被耗尽,那么燃烧天然气,或者是未来的氢气或生物燃料,就能提供额外的热量用来发电。最近的一次研讨会详细研究了核能的这种新设计。

高温反应堆的使用大型冷热储罐中的熔融硝酸盐进行储热。这种储热系统首先被用于聚光太阳能热电站,原因有二。首先,阴天时,云层遮住太阳,电力输出可能会波动十几次,储能提供了恒定的热量。第二,最近,熔融盐储热使太阳能发电厂在太阳下山后仍能发电。储热的投资成本是20-30美元/千瓦时,比电池或抽水蓄能低一个数量级。

同时,储热比电池或抽水蓄能更有效。美国能源信息署(EIA)报告说,公用事业部门的电池系统的平均电-电效率为82%,抽水蓄能为79%。真正的公用事业储电系统效率明显低于一般宣传的储能系统的效率。损失发生在多个能量转换环节中。在电池中,交流电被转换为直流电,然后给电池充电,电池向电网输电时正好相反。

所有这些能量转换过程都有效率损耗,在一个先进高温核反应堆中,硝酸盐始终存在于中间环节。热流不像电流那样从反应堆流向电力循环,在中间环路中增加储热并不涉及能量转换及效率损失。

氢气生产

第二个市场是制氢。现在每年消耗约1000万吨工业氢气。随着碳减排的推进,未来氢气可能会占消耗的总能源的20%以上。这个市场有三个部分,一是氢气作为化工原料,没有替代品,包括化肥生产和将原油炼化。未来,氢气将可能取代炼铁中的焦炭,替代将生物燃料转化为汽油、柴油的转化媒介。这些替代燃料不需要对发动机进行任何改装就可是使用。二是取代天然气,特别是对于小型用户来说,带有碳捕获功能的化石燃料的价格过于昂贵,而电加热的价格是天然气的六倍左右。三是作为未来的运输燃料,但问题是如何生产氢气。在这个问题上,氢气与电力不同。氢气的存储成本很低,可以使用天然气存储设施。我们将天然气产量的20%储存起来,以满足冬季的高峰需求。没有必要使氢气的生产与需求在每秒甚至每月的基础上相匹配,因为氢气可以储存。

一条管道可以运输能量约几十亿瓦的氢气,而输电线路则仅限于几千亿瓦。然而,跨洲运输氢气比天然气更昂贵,因为氢气的体积能量密度比天然气的小几倍。这推动了区域氢气生产系统的发展。今天,我们正在逐步建立氢气储存设施和管线,连接炼油厂、化工厂和水力发电设施。

核能在这个市场上有潜在的竞争力。氢气可以通过电解水或蒸汽制取,高温电解(HTE)是最有效的技术,核电站可以提供电力和蒸汽,这是核能提供氢气与电解液态水的内在优势。然而,氢气工厂的电解池和压缩机投资成本不菲。

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如图3所示,水力发电站的容量系数必须很高,以生产廉价的氢气。HTE较高的效率和对高容量系数的要求为核反应堆与制氢厂的耦合提供了经济优势,相比之下,风能或太阳能的容量系数较低。核电站的容量系数约为90%,而风能接近40%,太阳能则接近25%。虽然这样的系统可以使用LWRs,但更高温度的先进反应堆有很大的经济优势。HTE系统的效率随着高温蒸汽的增加而增加。更高的发电效率意味着每单位的氢气必须产生更少的热量。

低碳氢气生产的主要竞争者是带有碳捕获和封存(CCS)的天然气蒸汽-甲烷重整,对于化石电厂来说,这是一个昂贵的工艺,因为从烟气中分离二氧化碳的成本高昂。然而,有一些蒸汽-甲烷重整工艺可以产生相对纯净的二氧化碳废气。如果这些工厂有良好封存地,从天然气中提取氢气可能是经济的。然而,横贯大陆的氢气运输成本很高,这意味着这种氢气可能会被限制在德克萨斯州等地,在那里成为像水电一样的本地资源。氢气另一个特征是,通过管道运输20或30千兆瓦的氢气在经济上是可行的,这与天然气管道的能源运输规模相同。

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一条大型输电线路可以运输1或2千兆瓦,我们可以选择建造与炼油厂相同规模的核氢气生产综合体,这是一个新的核工厂模式。将一个模块化的核反应堆建在氢气工厂旁。使用船厂的起重机将反应堆移动到制氢厂。这个方案将把核电厂变为工厂化运作,该模式使得氢气生产能力可以在20年内不断增长,核能工厂替代了反应堆。

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