胶东半岛通过核能综合利用实现碳中和方案


文|王潇   北京清华同衡规划设计研究院有限公司能源所副所长、高级工程师


胶东半岛主要包括青岛市、烟台市和威海市,其经济发展水平均处于山东省前列。经济的快速发展离不开能源的大量供给,我国的能源消费结构一直是以化石能源为主,碳排放高,因此胶东半岛如何实现碳中和既是山东省关心的问题,也是我国沿海发达地区普遍面临的难题。胶东半岛能源消费按行业可分为电力、供热、工业和交通。在“双碳”目标下,交通行业的能源转型方向是电气化,因此胶东半岛碳中和就简化为如何实现电力碳中和、供热碳中和以及工业碳中和。

胶东半岛用能现状

山东省火电装机容量居全国首位,92%的发电量来自于火电。胶东半岛同样建设有大量火力发电厂,但其不同于其他地区,山东省的全部核电厂都分布在这里。核电装机容量为270万kW,占山东省总装机容量的2%,发电量占山东省总发电量的4%。胶东半岛电力需求巨大,日最大电力负荷达2040万kW,全社会用电量为1260亿kWh,占山东省的近五分之一。胶东半岛集中供热总面积达4.23亿m2,燃煤供热占比超过98%。燃煤供热中又以燃煤小热电和燃煤锅炉为主,供热能源利用效率低,污染排放高。

工业部门能源需求种类主要包括电力、热力、化石燃料和用作原料的化石燃料。通过化石能源产生高温高压进行生产的工业行业,未来以电气化用能为主,因此实现工业碳中和的关键是如何实现工业用热(主要为蒸汽)的碳中和。

淡水资源极度匮乏也是胶东半岛面临的困境。青岛市是全国缺水最严重的城市之一,人均淡水资源量仅为247m³/人,烟台市和威海市人均水资源量也处于极度缺水线500m³/人上下,远低于全国平均水平2000m³/人。

通过以上分析可知,如何实现电力、供热和工业用热的碳中和,以及解决水资源短缺问题是胶东半岛实现碳中和的必答题。

核能综合利用实现碳中和总体思路

胶东半岛拥有较为丰富的核电资源,海阳核电基地1、2号机组已投入商运,分别于2019年和2021年采暖季完成了海阳市70万m2和450万m2的居民核能供热,同时还与清华大学合作建成了水热同产同送示范工程。未来胶东半岛将规划建设3座6台百万千瓦级核电基地,分别为海阳核电基地、荣成核电基地和招远核电基地,总装机规模将达到2250万kW。

对于电力来说,可以形成以核电为主,光伏、风电等可再生能源发电为辅的电力供应格局,通过核电的电热协同结合V2G、储氢等方式实现电力的日间和长周期调峰。对于供热和供水来说,通过核电水热同产同送、跨季节储热调峰满足胶东半岛95%以上的集中供热负荷需求,产生的高品质淡水供给水厂作为重要的淡水资源。对于工业用热来说,通过核电水热同产同送输送热水至各工业用户,在末端制取蒸汽,满足未来工业生产的全部蒸汽需求。因此,核能综合利用为胶东半岛实现碳中和开辟了新思路。

胶东半岛碳中和方案

基于以上思路,清华大学陆续研发了多项技术作为支撑,助力核能综合利用的大规模应用,包括水热同产同送技术、跨季节储热调峰技术、水热同产同送末端制取蒸汽技术和电热水协同技术等。

根据胶东半岛各城市目前电力负荷和用电量的增长情况,初步预测未来的电力负荷需求,年均增速按3%考虑,则未来日最大电力负荷约为3200万kW,用电量需求近2000亿kWh。如果核电未来的运行小时数按7500计算,则年总发电量为1688亿kWh,能够占胶东半岛未来总用电量的80%,其余20%可由光伏、风电等满足。电力调峰主要由核电厂电热水协同实现,通过储热或储水来实现电力从低谷期向高峰期的转移。通过储热(水)实现电力调峰也是公认的最经济的电力调峰方式。

从供热的角度,百万千瓦级的核电机组潜力巨大。根据海阳核电基地的机组参数计算可知,单台机组的供热能力约为6000万GJ,未来胶东半岛核电基地的总供热能力可达10.8亿GJ,而该区域未来的集中供热面积约为7.3亿m2,总需热量约为2亿GJ。采用水热同产同送结合跨季节储热调峰技术对胶东半岛核能供热进行初步规划布局,远期核能供热面积可达到7.1亿m2,占胶东半岛总供热面积的96.7%,年可产淡水5亿吨。经计算,水热同产同送结合跨季节储热调峰系统的初投资从70元/m2至106元/m2不等,当淡水价格按5元/吨计算时,至城市边缘的热价从50-64元/GJ不等,单从跨季节储热的调峰成本来看,其远低于约60元/GJ的燃气调峰成本。

供热仅利用了胶东半岛未来核电供热能力的约五分之一,利用剩余热量足以解决胶东半岛未来工业用热需求。通过对标发达国家的工业结构和工业能耗水平,以及我国远期人均GDP翻两番的目标,胶东半岛各城市的工业用热需求约折合标煤1291万吨。以海阳核电基地向青岛市供蒸汽为例,敷设DN1600水热同送管网,在末端生产1MPa.a、180℃蒸汽,年可产蒸汽量3630万吨,产淡水量1.3亿吨,如果淡水价格按5元/吨计算,则长输热水末端制取蒸汽的成本约为185元/吨,通过技术优化还可以进一步降低成本。利用核能可以替代胶东半岛未来所有工业热力和化石燃料需求,可供蒸汽1.9亿吨,年可产淡水6.7亿吨。

通过以上方案的计算和分析可知,利用核能综合利用实现电力、供热和工业用热的碳中和是经济可行的,还能提供11.7亿吨低成本、高品质淡水,占胶东半岛年总需水量的60%以上,可以从根本上解决胶东半岛淡水资源短缺问题。

结论和建议

胶东半岛核能资源丰富,核电厂供电、供热潜力巨大,通过核能综合利用——电热水联产可实现胶东半岛碳中和。具体来说,以核电为主,其他可再生能源为辅,电热协同实现电力碳中和;通过核能水热同产同送结合跨季节储热调峰实现供热碳中和;通过核能水热同产同送末端制取蒸汽实现工业用热碳中和。

建议由政府主导,组织专家团队深入论证核能综合利用——热电水联产技术和工程应用的可行性;由山东省编制核能综合利用实施方案,指导各城市推动和实施核能综合利用,各城市组织成立核能综合利用领导小组,加强胶东半岛各城市之间核能利用的统筹协调,使核能综合利用更经济、更快落地;各城市出台相关政策鼓励和保障核电项目实施,释放核能综合利用的社会效益。