核电与可再生能源未来的协调发展分析

韩梓豪 陈福冰 秦旭映

清华大学核能与新能源技术研究院

0 前言

全球气候变化问题日益突出，CO2浓度增加被认为是导致气候异常变化的原因之一[1]。如何实行绿色、环保、低碳的经济发展战略已成为全球范围内的重要议题。中国是目前世界上碳排放量最大的国家之一[2-3]，作为一个有担当的大国，中国在2015 年巴黎气候大会上承诺在2030 年达到碳排放的峰值，积极推进国际气候多边谈判。在2020 年第75届联合国大会期间，中国又再次提出要力争在2030 年前达到峰值，并努力争取在2060 年前实现碳中和，在国际社会上展现了大国担当。

改革开放后，中国的经济高速平稳增长，但环境保护和自然资源短缺问题也日益突出。为了满足我国人民日益增长的美好生活需求、谋求人与自然的和谐共处，必须正确处理经济发展和生态环境保护的关系。党的十八大以来，生态文明建设被纳入中国特色社会主义事业的总体布局，中国的生态环境治理走上了标本兼治的快速路，国务院先后发表了《关于加快推进生态文明建设的意见》《生态文明体制改革总体方案》等政策性文件[4]。党的十九大强调，推进生态文明建设，应该顺应世界绿色低碳的趋势，通过能源和经济的转型，实现社会的绿色、低碳发展。

长期以来，火电一直是我国电力行业的主要发电形式；煤炭燃烧产生的大量CO2，是我国温室气体排放的重要来源。目前，电力行业的碳排放量占全国总排放量的40%左右。如前文所述，《巴黎协定》提出了“2030年实现碳排放峰值目标”，党的十九大制定了生态文明建设发展路线、最终实现可持续发展的战略,我国在2020 年联合国发展大会上提出了碳排放最新目标，这对我国未来的能源、电力供应结构提出了新的要求。核电和可再生能源发电是两类最主要的低碳发电技术，为适应中国的低碳化能源转型，实现可再生能源发电和核电的较高比例将成为中国能源战略的重要组成部分。因此，核电与可再生能源在未来电力系统中的协调发展具有重要的研究意义。

1 我国电力系统的现状和趋势

1.1 我国电力系统的现状

我国近年来的全社会用电量如图1 所示。2019 年，在宏观经济平稳增长、电能替代率加快等因素主导下，我国全社会用电量达到7．23 万亿kWh，同比增长3 093 亿kWh，增长率为4．5%[5]。但是由于上一年度的高基数、天气因素和传统产业转型等原因，全社会的用电增量有所减少、增速有所减缓。一方面，我国正在采取措施不断提高能源利用效率，稳步实施各项节能措施；另一方面，电力行业正在加快建设电力市场化，抓住主要矛盾，实施降低用电成本、改革当前电力制度、调整能源结构等相关政策。在电力生产结构转型和优化方面，扎实推进能源低碳化工作：水电建设稳步推进，新投产水电装机容量达到417 万kW；风电全年新增装机容量达到2 574万kW，有所增长；光伏发电上网，受平价上网政策等影响，新增光伏发电装机容量达到2 681万kW，有所下降；核电在稳步重启中，开始批量建设华龙一号，全年共三个核电项目获准开工，新增核电装机容量为409万kW。

在上述背景下，新能源逐渐进入新的发展时期，具体表现为：核电、风电、光伏发电等清洁能源发电量增速较快，消纳水平不断提高。2019 年，全国全口径发电量、清洁能源发电量分别为7．33 万亿kWh 和2．39 万亿kWh，同比增长分别为4．7%和10．4%。其中，核电发电量为3 487 亿kWh，同比增长8．6%；风电发电量为4 057 亿kWh，同比增长10．9%；光伏发电量为2 238 亿kWh，同比增长26．5%[6]。可以看出，清洁能源发电量增速远远高于全国发电量增速。清洁能源发电量占比达到了32．6%，比2018 年提高1．7 个百分点。同时，风电、光伏发电等积极推进平价上网，清洁能源消纳保障机制、储能调峰设施规划等不断完善，全年全国的水电、风电、光伏发电等可再生能源发电的平均利用率大幅提升，分别达到97%、96%和98%。

图1 我国近年来全社会用电量[6]

1.2 我国电力需求的发展预测

根据最近的研究和预测：未来我国的电力需求呈现增长趋势，而增速则有所放缓。2035 年，我国全社会用电量将达到10．3 万亿～11 万亿kWh，人均用电量为7 500～8 000 kWh；2050 年，全国的电力消费将达到最高值，全社会用电量将达到10．6 万亿～11．3 万亿kWh，人均用电量为8 500～9 000 kWh[7]（见图1）。

我国电力供应体系将持续优化，在装机容量方面，预计煤电装机容量逐步下降；气电装机容量不断增长，迎来新的发展机遇；水电装机容量增速下降，但仍将平稳增长；风电、光伏发电等可再生能源的规模将快速增大，发展迅速。因此，核电、风电和光伏发电等清洁能源的装机量将快速增长，替代传统火电的趋势明显。预计2035 年，清洁能源装机容量为20．2 亿kW，较2017 年新增12．5 亿kW，占新增装机容量的78%；2050 年，清洁能源装机容量达到33．9 亿kW，较2017 年新增26．2 亿kW，占新增装机容量的91%。

由于经济发展、电能替代增加等原因，我国的全社会发电量将持续增加，其中清洁能源的发电比例也将增加。预计2020-2035 年，年均发电量增速为5．7%，到2035 年，我国全社会发电量将达到10．5 万亿kWh；2035-2050 年，年均发电量增速放缓至大约0．3%，到2050年，我国全社会发电量将达到11万亿kWh。届时，清洁能源发电将占据主导地位，清洁能源发电比例将由现在的30%提升到75%，煤电的发电比例将由现在的64%降低到15%。因此，未来煤电发电量将逐渐下降，煤电主要起到辅助调峰调频的作用；水电发电量呈小幅平稳增长的趋势；而风电、核电、光伏发电将成为未来新增电量的主要贡献力量。

1.3 可再生能源系统的转型路径

通过对文献的回顾、对中国能源可持续发展政策的分析，可总结得到2016-2050 年间中国可再生能源的转型路径[8]，具体分析如下。

2020年以前，由于气候变化、环境污染、资源短缺等问题的日趋严重，绿色、低碳的经济发展战略成为国际讨论焦点，政府开始重视经济与生态环境的协调发展。虽然煤炭消费仍占据主导地位，但是温室气体排放更低、污染更少的可再生能源会被优先选择。

2020-2030 年，可再生能源快速发展。政府政策上，一方面实施“蓝天保卫战”“煤改气”等节能减排政策来限制煤炭消费，另一方面，对可再生能源进行补贴政策，开展制度改革（平价上网），支持可再生能源的发展。基础设施上，我国将加强输电基础设施建设与电网的整合，形成规模效应。国民个人的绿色观念也逐渐加强，对环保越来越重视与支持。

2030-2040 年，煤炭消费量持续降低，石油、天然气消费量在达到最高值后开始回落，可再生能源进一步发展，逐步取代化石能源的主导地位。可再生能源应用的基础设施建设逐渐完成，显现出规模经济效应。

2040-2050年，随着环境改善、资源紧张问题的缓解，可再生能源将最终取代化石能源在能源结构中的主导地位，可再生能源消费量将占到能源总消费量的60%。

2 核电、可再生能源在我国电力系统中的地位

目前的全球能源结构中，化石能源占主导地位。因而，经济高速发展、能源消费迅速增长的同时，化石能源的消费量也占据着能源消费总量的很高比例。但是，由于化石能源储量有限、环境污染等原因，这种能源结构明显不可持续。已有的研究提出了多种方案来解决化石能源消费带来的问题，包括能源消费结构的转型、节能减排、改进化石能源利用技术等。但是，节能减排和改进化石能源利用技术两种方案并不能彻底解决化石能源消费所带来的环境污染和温室气体排放问题；相比而言，推进能源结构转型是更好的方案。目前的情况是：以风电、光伏发电等可再生能源和核电为主的能源消费结构比传统能源结构更具可持续性，因而，我国的电力系统未来会处于核电和高比例可再生能源共存的状态。

2.1 可再生能源在我国电力系统中的地位

近年来，我国发展可再生能源方面取得重大成就。“十二五”期间，我国加大能源结构改革力度，转变能源发展方式，风电、光伏发电等可再生能源迅速发展，超越美国，成为世界上可再生能源装机规模最大的国家。可再生能源的发展会产生综合效应，对我国的经济、能源结构的调整和环境保护等方面都会有积极的影响[9]。第一，可再生能源的发展会促进经济结构的调整，带动相关产业迅速发展，在可再生能源设备的制造、市场应用、技术改进等领域发挥促进作用。作为战略新兴产业，目前可再生能源产业提供了超过300 万个就业岗位，超过石油产业。第二，可再生能源的发展具有优化国家能源结构的优势，如风电、核电和光伏发电等可再生能源具有替代煤炭发电的趋势，可以满足国家对能源的需求。第三，可再生能源的发展有利于环境保护，助推我国的生态文明建设。第四，我国逐步推行节能减排措施，有利于国际形象的提升。

在资源禀赋方面，我国可再生能源发展潜力巨大。我国西部有着丰富的风电、光伏发电资源，西南部有大量水电资源。据测算，全国光伏发电资源潜力可达到45 亿kW，仅西部地区的风电资源潜力在2．1亿kW 以上。从市场潜力上看，国家发展和改革委员会能源研究所在《中国2050 高比例可再生能源发展情景暨路径研究》报告中提出，按照我国生态文明要求制定的2030 年能源革命战略和2050年远景目标预测，可再生能源将分别占一次能源消费比重的23%和60%以上。可见风电、光伏发电等可再生能源具有很大的发展潜力，未来将会超过化石能源，成为我国能源结构中的主导能源。

但是，目前高比例可再生能源的发展同样存在着一些问题。经济合作与发展组织（OECD）的核能署（NEA）研究指出：尽管可再生能源的发展近年来得到了民众和政府的支持，但是风电和光伏发电的发电成本仍比较高；风电、光伏发电等可再生能源发电的系统成本高度依赖当地条件以及电力系统的结构；由于风电、光伏发电内在的可变性以及不可预测性，导致整个系统的成本上升，超过核电站发电成本的总和。风电、光伏发电易受季风、天气等外界环境因素的影响而出现稳定性、灵活性不足的问题。随着可再生能源在电力系统中占比的逐步提升，发电侧越来越难以预测的出力变化会对电力系统的运行安全产生很大的影响，也会对电力系统的调峰能力提出更高的要求。这会给其他参与调度的电厂带来额外的负担，即更多的启动和关闭、更频繁的循环和急剧变化的发电需求，从而导致发电效率降低、设备磨损增加和发电成本增高。

2.2 核电在我国电力能源系统中的地位

习近平总书记指出：“要坚持理性、协调、并进的核安全观；核工业是高科技战略产业，是国家安全重要基石。”核电发展不仅要侧重于能源结构的转型，更要适应经济社会发展和能源战略定位。中国是世界上少数几个拥有完整核工业体系的国家之一，核电的发展有利于核工业大国重器的建设[10]。

核电的快速发展有利于能源结构转型，充分发挥核电的技术特点，可以实现更高水平的绿色发展。核电在我国电力能源体系中的作用表现在以下几个方面：1）核电作为清洁能源，可以作为化石能源的替代，成为我国能源供应体系的重要组成部分，有助于我国绿色低碳能源结构的转型发展；2）我国核电的燃料铀资源相当丰富，而且价格较为稳定，大力发展核电可有效满足社会的能源需求，减少国家对石油、天然气等进口能源的依赖，可以保障国家的能源安全，助推经济的高速发展；3）核电的发展可提升我国核工业技术发展与装备制造方面的能力，是支撑和发展我国核大国地位的重要基础；4）核电是“一带一路”能源领域的重要组成部分，与国家能源战略高度契合，有利于提高我国核电技术竞争力。从能源、电力发展全局来看，核电中长期稳定发展对我国的能源结构转型、保障能源安全与发展核工业体系起到重要作用。由于我国能源较匮乏，石油、天然气资源大量依赖进口，煤炭结构性短缺问题突出，核电是保障国家能源安全的一个重要选择。短期来看，核电发展可以替代部分化石能源，减少进口的需求量。中长期来看，以化石能源为主导的能源结构转型是必然趋势，新能源技术的发展决定一个国家的能源安全，推进核电发展也有必要性。

核电不易受外界环境影响，具有稳定性，而且发电成本也比可再生能源低，完全可以作为基础负荷电厂。此外，核电有一定的灵活性，具有调峰功能，可参与高比例可再生能源的调峰工作，缓解高比例可再生能源发展带来的问题，从而实现两者的协调发展。核电占比较高的法国在2015 年通过《能源转型法案》后，预计其电力结构将更加多样化。2025 年以后，核电将占法国总发电量的50%，到2030 年，可再生能源发电将增加，占总发电量的40%[11]。这也说明核能与高比例可再生能源可以相互协调发展，具有较好的前景。

因此，在我国未来的能源结构体系中，核电、可再生能源将占据重要的位置。能源结构优化转型的一个关键问题是如何解决核电、风、光与其他各种能源发电形式的资源优化与协调发展的问题。

3 核电与可再生能源未来协调发展的对策建议

在我国未来的电力系统中，核电与可再生能源将占据较高的比例；同时，核电和可再生能源有着各自地位、优势和劣势。本文就核电与可再生能源的未来协调发展提出以下对策和建议。

1）实现可再生能源激励政策转型

我国可再生能源的激励政策大致分为五类[12]。这些政策主要通过财政补贴、配额分配、机制创新等方式引导可再生能源技术研发及项目建设，实现了可再生能源的快速发展。为了保证可再生能源继续积极健康发展，减少对财政补贴的依赖，有必要对现有的激励政策进行调整。其一是逐步减小国家财政对可再生能源的补贴力度。对发展成熟的可再生能源技术退坡上网电价补贴，直至实现平价上网。其二是适当引入竞争机制刺激可再生能源发展。对于仍然需要国家补贴的可再生能源项目实行竞争性招标。在项目考评过程中，标准可以多样化，鼓励多元发展，但是上网电价应该被视为重要指标。虽然目前的可再生能源发电成本还不能与传统能源直接竞争，但是可以通过可再生能源之间的竞争实现技术进步。

2）建立新型能源评价体系

未来能源结构转型需要考虑各种发电方式的温室气体排放、常规污染物、放射性污染等评价参数，有必要建立能源全生命周期评价体系。目前，国外的研究偏重于所在国家或全球的情况，所在国家的情况可能与中国情况不完全一致；国内的分析有一部分基于较早期的数据，当时各种发电技术尚未成熟，另一部分是以方法学和有限案例的方式开展。已有的研究不能够显示我国在“十二五”“十三五”期间在非化石能源领域的发展，因此，有必要针对火电、核电、水电、风电、光伏发电等典型的能源技术采用较新的数据，进行全新的、全面的评价和分析，对不同发电方式的常规污染物、温室气体排放、放射性污染与健康影响等参数进行评价。能源评价体系可以推动我国建立电力能源行业归一排放标准、绿色清洁能源量化衡量标准，有利于清洁、低碳、环保能源相关国家标准的制定和修订。

3）积极探索核电机组参与联合调峰

从环境保护、经济和安全的角度来看，核电机组适合作为基荷电源。但从长期来看，核电机组应该顺应调度需要，积极参与到电网联合调峰中。法、美、日等国家的核电机组大都具有调峰功能，实际运行中根据国情采取不同的策略。法国的核电在整个国家电网中占有很高的装机比例，大部分核电机组是参与调峰工作的。国内的大亚湾核电站也有过短时间降功率运行的经验。我国核电参与调峰的优势如下：（1）有利于提高电力系统运行的安全裕度和调度柔性，更好地适应各种不确定性因素的影响；（2）有利于减少火电开停机，减少燃气和燃油发电的高额成本，降低系统运行费用；（3）对清洁能源如风电、光伏发电等接入规模和利用效率有很大的好处[13]。国内研究表明，我国核电机组具有较好的调峰功能，但其调峰深度和速度却受到了安全性、经济性的限制。当前技术下，单纯利用核电机组的固有调峰能力进行调峰具有一定局限性，会对机组的安全性与经济性带来一定影响。因此，核电单独调峰或带基荷运行都不满足高比例核电接入电网的调峰要求，需要充分利用系统中源与荷之间的联系，充分发挥储能等技术在调峰中的作用，通过机组组合、源荷互动等优化调度方式来解决，并给予核电参与调峰经济方面的补贴政策。

4）核电应抓住“一带一路”契机，积极走出去

从全球经济发展的角度看，能源问题对当前世界各国的经济平稳发展仍然存在着很大的限制。核电作为一种绿色清洁能源，能够有效地减少温室气体的大量排放和缓解能源紧缺问题，仍然具有很大的发展潜力。

我国的核电经过几十年的发展，拥有丰富的工程建设经验和强大的自主创新能力。对于目前主流的三代堆技术，我国基本实现关键设备国产化、重大示范项目开工的目标，具有全产业链输出核电技术的能力。因此，在巩固国内市场的同时，积极让核电“走出去”，在国际上获得良好的业绩和口碑，是我国核电发展的下一个目标。

目前我国正在大力推进“一带一路”建设，我国核电应抓住这一重大机遇，积极开拓海外市场。一方面，这将进一步锻炼我国核电人才队伍，有利于核电技术的发展；另一方面，核电项目作为大型工程项目，能有效带动当地经济发展，实现合作共赢，与“一带一路”的战略目标和意图高度符合。配合国家发展战略，实现核电“走出去”，是新时代我国核电的重大使命。

5）核电企业的策略转变

在电力制度改革的形势下，由于风电、光伏发电技术的发展将逐步实现全面平价，核电价格将不占优势。因此，在当前的环境下，核电企业可以抓住机会，积极地寻求降低成本、提高效益的可能性。考虑在安全经营的前提下，解决好成本和效益的关系[14]。

（1）加快技术创新，降低维修成本。核电厂的预防性维修成本占据发电成本比较大的比重，可以参考国际上的做法，转变核电厂维修策略，比如减少关键设备数量、减少非关键设备的高成本预防性维修、进行成本收益分析等。同时，加强核电行业的技术创新，使得设备高效可靠地工作，降低维修成本；或者优化系统设计，提高发电的效率。加快核电行业的技术创新可以增强核电在未来电力市场的竞争力。

（2）加快数字电厂建设。数字电厂能够有效地处理核电厂在运行过程中产生的大量信息和数据，会对核电厂管理模式的变化产生深刻的影响。核电企业可以通过参考这些数据，调整自己的运营方式，实现更好的效益；其他核电厂可以通过数字电厂的共享数据，学习操作经验；监管部门可以通过实时查看运行数据，对核电站的安全性能进行评估和监督。数字电厂通过数据实现核电厂各系统设备和人员的有机结合，有效地提高数据的处理能力，降低不同部门人员的沟通障碍，对于核电厂的高效运行和安全保障具有重大意义。

4 总结

目前，我国正在大力推动能源绿色低碳转型工作，电力结构将得到进一步优化，水电、核电、光伏发电、风电建设保持平稳发展。2020-2050年，全社会的发电量将持续上升，清洁能源的比重也在不断增加，到2050 年，可再生能源将占据一次能源消费的60%。未来，核电和高比例可再生能源共存于一个电力系统将是必然的趋势，而风电、光伏发电、核电与各类电源的优化配置与协调发展是电力系统面临的关键问题。

本文针对核电与可再生能源的协调发展，提出实现可再生能源激励政策转型、建立新型能源评价体系、核电机组参与电网联合调峰、核电要积极走出去以及核电企业的策略转变等相关建议。只有处理好核电与可再生能源的协调发展问题，中国才能达成能源结构性改革，最终实现可持续发展战略。