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編者按：
未來能源系統(tǒng)什么樣？在系統(tǒng)中，各種能源品類如何平衡？未來已經(jīng)顯示出一些端倪，現(xiàn)在的可再生能源、核電、儲能都在迭代，這里暢想下四代核電、光伏系統(tǒng)在未來能源中的角色，以及各自可以預(yù)期的優(yōu)勢。
美歐學(xué)者預(yù)言，一種建立在信息技術(shù)和清潔能源相結(jié)合基礎(chǔ)上的新一輪革命即將到來。科技革命有兩種驅(qū)動：一種是社會需求驅(qū)動，一種是知識與技術(shù)體系內(nèi)在的驅(qū)動。
今天作者和大家討論下未來到2050年的幾種主要的基荷能源策略組合，既然是基荷，那也就不外乎化石，可再生，先進(jìn)核能等。
什么，你說踩腳踏車也可以發(fā)電點(diǎn)亮燈泡，黑鏡里面跑跑步機(jī)也可以生物能轉(zhuǎn)電能？額，這是一篇嚴(yán)肅的能源策略科普文……
首先看5條關(guān)于未來能源的信息和2個(gè)重要概念：
未來到2050年，隨著AI技術(shù)帶來的社會革命，能源系統(tǒng)的復(fù)雜性和智能化會進(jìn)一步提升；
能源效率對于處理供不應(yīng)求狀態(tài)至關(guān)重要；
未來幾十年的能源策略主要還是以化石能源為基荷；
現(xiàn)行的區(qū)域優(yōu)先策略會有所改變，不會繼續(xù)現(xiàn)在這樣“一刀切”；
低碳模式將不會僅僅只聯(lián)想到可再生綠色能源，我們更多的會開始考慮碳捕捉、能源利用和先進(jìn)儲能(CC(U)S)等技術(shù)落地發(fā)展
接下來是世界能源理事會（WEC）提出的兩個(gè)能源策略概念：
第一，JAZZ，這個(gè)策略相對比較注重能源供給要滿足經(jīng)濟(jì)和個(gè)體的發(fā)展；
第二，SYMPHONY，這個(gè)策略則考慮因素更為復(fù)雜，會更兼顧環(huán)境、資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的平衡。下圖很清晰的描繪了兩種能源策略的傾向性。
下面具體看看幾種基荷能源發(fā)展趨勢。
1. 傳統(tǒng)化石能源
毋庸置疑，化石能源在可預(yù)見的將來依舊是主要能源。
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來自能源系統(tǒng)。鑒于人們認(rèn)為甲烷和其他短期氣候污染物排放都被嚴(yán)重低估，能源生產(chǎn)和使用的排放量占比可能更大。圖二給出兩種策略對于本世紀(jì)中葉化石能源占比情況。
在低碳發(fā)展的大趨勢下，在全球化石燃料消費(fèi)總量大量減少的趨勢下，電力生產(chǎn)和工業(yè)加工的效率將會大幅度提高，同時(shí)化石燃料的發(fā)展在很大程度上也會依賴于碳捕捉（CCS）技術(shù)。
碳捕捉目前被廣泛接受的定義是“一個(gè)從工業(yè)和能源相關(guān)的生產(chǎn)活動中分離二氧化碳，運(yùn)輸?shù)絻Υ娴攸c(diǎn)，長期與大氣隔絕的過程”。CCS產(chǎn)業(yè)鏈由四部分組成（圖三），通俗而言，CCS就是在二氧化碳排放之前就對其捕捉，然后通過管線或船舶運(yùn)到封存地，最后壓縮注入地下，達(dá)到徹底減排的目的。
圖三 CCS價(jià)值鏈各個(gè)階段的技術(shù)總結(jié)
2. 先進(jìn)核能系統(tǒng)
既然考慮的既然是五十年后，就不談目前火熱的華龍一號，AP1000，EPR等等三代堆系統(tǒng)。主要談一下小型堆系統(tǒng)，四代堆系統(tǒng)中的鉛冷快堆系統(tǒng)。
模塊化小型壓水反應(yīng)堆系統(tǒng)（SMR）
興起
近二十年，核電站輸出功率的優(yōu)化一直是全球核工業(yè)的討論話題。分為擴(kuò)容派與縮容派，前者以AREVA的EPR系列為代表，主張?zhí)岣叨研救剂辖M件數(shù)量達(dá)到規(guī)模效應(yīng)，而安全性能以增加冗余作為手段。后者以西屋的AP600為代表，主張系統(tǒng)簡化，降低堆芯功率以提高核電站的經(jīng)濟(jì)性與靈活性。
美國能源部對先進(jìn)商用小型輕水堆項(xiàng)目有嚴(yán)格的時(shí)間規(guī)定，為2020年左右大規(guī)模推廣小型輕水堆鋪平道路。
與此同時(shí)，國內(nèi)核工業(yè)大佬，中廣核，中核也相繼確立了SMR在接下來十年的研發(fā)商運(yùn)地位，也都有項(xiàng)目在推進(jìn)。
安全性
SMR大量采用了安全設(shè)計(jì)的思路，比如在失水事故的應(yīng)對上，從原來的“失水－注水”的被動策略向“減小失水”的主動原則。先進(jìn)小型輕水堆普遍采用一體化主回路壓力容器結(jié)構(gòu)，取消了主回路各主管道，從根本上消除了由于一回路主管道斷裂造成的大破口失水事故；其次大量采用非能動安全設(shè)計(jì)，通過多種自然循環(huán)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)移堆芯余熱，有效地降低了失水事故后堆芯溫升程度和堆芯裸露的可能性。
在長期冷卻策略上，先進(jìn)小型壓水堆全面采用非能動安全系統(tǒng)，而且系統(tǒng)熱阱余量很大，可以在全廠斷電的情況下獨(dú)立工作一個(gè)星期以上。因此，先進(jìn)小型輕水堆的安全性比第三代輕水堆（AP1000、EPR等）有了指數(shù)級的提高（見表1）。
表1 先進(jìn)小型輕水堆安全性能的改進(jìn)
發(fā)展設(shè)想：
SMR&分布式能源系統(tǒng)，漸行漸近。
分布式能源系統(tǒng)是直接面向用戶，按用戶的需求就地生產(chǎn)并供應(yīng)能量，具有多種功能，可滿足多重目標(biāo)的中、小型能量轉(zhuǎn)換利用系統(tǒng)。在分布式能源即將迎來大發(fā)展背景下，SMR供電系統(tǒng)必然會在50年后的偏遠(yuǎn)地區(qū)，海上工作平臺等大電網(wǎng)觸角無法企及的孤島小電網(wǎng)架構(gòu)之上找到自己存在的合理性。
第四代反應(yīng)堆系統(tǒng)
在可預(yù)見的將來，第四代反應(yīng)堆系統(tǒng)（Gen IV），也包括鉛冷快堆系統(tǒng)，是會一統(tǒng)核能天下的。表二介紹GIF力推的六種GENIV。其特點(diǎn)無非是固有安全性、經(jīng)濟(jì)性和燃料利用可持續(xù)性。
鉛冷快堆系統(tǒng)（LFR）采用液態(tài)鉛作為主冷卻劑以期提高核島安全性和增殖鈾轉(zhuǎn)換其快中子譜，考慮燃料閉式循環(huán)，采用長壽期堆芯以提升電廠經(jīng)濟(jì)性能；設(shè)計(jì)堆內(nèi)自然循環(huán)以提高其余熱排出能力；反應(yīng)堆本體采用池式結(jié)構(gòu)以提高其抗震能力。
主要特點(diǎn)
使用緊湊的、容器內(nèi)的蒸汽發(fā)生器（SG）和所有堆內(nèi)構(gòu)件都可拆出的簡單主回路，從而降低施工難度，提高施工速度。同時(shí)，采用池式反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以提高堆本體抗震能力。
在惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行堆芯燃料操作，提高操作安全性；
堆內(nèi)SG拋棄傳統(tǒng)U型管設(shè)計(jì)采用新型螺旋式設(shè)計(jì)，以提高換熱能力和達(dá)到堆內(nèi)自然循環(huán)目的。
鉛作為一種高沸點(diǎn)冷卻劑所帶來的協(xié)調(diào)作用，不可低估：中子經(jīng)濟(jì)、低壓系 統(tǒng)，安全、簡化、經(jīng)濟(jì)、防擴(kuò)散能力等。在ADS研究中發(fā)現(xiàn)鉛具有吸附和抑制裂變產(chǎn)物、特別是某些易揮發(fā)裂變產(chǎn)物的能力，可將核電廠對外環(huán)境的影響降到最小，從基本上消除核電廠場外應(yīng)急的需要。
鉛的對外部環(huán)境、工業(yè)基礎(chǔ)條件和技術(shù)要求有更廣泛的適應(yīng)性。目前核電選址在考慮地址的時(shí)候，第一步就是調(diào)出此地所有記錄，比如縣志之類的老古董來看，是不是在某年某月的某一天發(fā)生過重大自然災(zāi)害之類的，為何？因?yàn)楝F(xiàn)在核電廠很脆弱！做核電的常常說核電廠址是稀缺資源，怕地震、怕海嘯、怕冰凍，50年后的將來，鉛冷系統(tǒng)能讓核電廠更剛強(qiáng)。
3.光伏系統(tǒng)
可再生能源還有風(fēng)能，這里只介紹光伏系統(tǒng)。
這里說的是光伏系統(tǒng)，是五十年后的光伏。五十年后的光伏應(yīng)該是一個(gè)系統(tǒng)，是光伏發(fā)電系統(tǒng)+儲能系統(tǒng)+孤島電網(wǎng)組成的分布式能源系統(tǒng)。
前幾年不敢講這個(gè)思路。當(dāng)時(shí)太陽能薄膜電池材料就3萬1克，現(xiàn)在已經(jīng)降到四位數(shù)。分布式能源、微電網(wǎng)也已經(jīng)逐漸規(guī)范，并大力推廣。
可能五十年后電池儲能不是目前的鋰電池鎳電池、鐵基電池，但是必定可以調(diào)和光伏系統(tǒng)晚上無法供電的尷尬，山區(qū)人民晚上也挖個(gè)礦什么的。
作者未來，光伏發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)性提高，尋常山區(qū)百姓家組一個(gè)光伏孤島系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)壓力就跟安一個(gè)電視天線相當(dāng)；儲能系統(tǒng)（看好電池儲能）能做到一晚上通宵挖礦，洗一晚上熱水澡或者Whatever，總之晚上想用電只要電池沒壞就可以盡情用；萬一儲能電池壞了，孤島電網(wǎng)也可以接入大電網(wǎng)系統(tǒng)（你要是問怎么接入，說不定無線傳輸實(shí)現(xiàn)了呢），就是貴一點(diǎn)，但是可以保證基本用電需求，不至于黑燈瞎火洗涼水澡或者感冒了沒有開水喝即可。
最后貼一張19世紀(jì)初人類尋求利用太陽能的古樸圖片，現(xiàn)今人類正站在技術(shù)革命的漆黑黎明守望浩瀚的星空，堅(jiān)持一下，就是艷陽。
未來能源系統(tǒng)什么樣？在系統(tǒng)中，各種能源品類如何平衡？未來已經(jīng)顯示出一些端倪，現(xiàn)在的可再生能源、核電、儲能都在迭代，這里暢想下四代核電、光伏系統(tǒng)在未來能源中的角色，以及各自可以預(yù)期的優(yōu)勢。
美歐學(xué)者預(yù)言，一種建立在信息技術(shù)和清潔能源相結(jié)合基礎(chǔ)上的新一輪革命即將到來。科技革命有兩種驅(qū)動：一種是社會需求驅(qū)動，一種是知識與技術(shù)體系內(nèi)在的驅(qū)動。
今天作者和大家討論下未來到2050年的幾種主要的基荷能源策略組合，既然是基荷，那也就不外乎化石，可再生，先進(jìn)核能等。
什么，你說踩腳踏車也可以發(fā)電點(diǎn)亮燈泡，黑鏡里面跑跑步機(jī)也可以生物能轉(zhuǎn)電能？額，這是一篇嚴(yán)肅的能源策略科普文……
首先看5條關(guān)于未來能源的信息和2個(gè)重要概念：
未來到2050年，隨著AI技術(shù)帶來的社會革命，能源系統(tǒng)的復(fù)雜性和智能化會進(jìn)一步提升；
能源效率對于處理供不應(yīng)求狀態(tài)至關(guān)重要；
未來幾十年的能源策略主要還是以化石能源為基荷；
現(xiàn)行的區(qū)域優(yōu)先策略會有所改變，不會繼續(xù)現(xiàn)在這樣“一刀切”；
低碳模式將不會僅僅只聯(lián)想到可再生綠色能源，我們更多的會開始考慮碳捕捉、能源利用和先進(jìn)儲能(CC(U)S)等技術(shù)落地發(fā)展
接下來是世界能源理事會（WEC）提出的兩個(gè)能源策略概念：
第一，JAZZ，這個(gè)策略相對比較注重能源供給要滿足經(jīng)濟(jì)和個(gè)體的發(fā)展；
第二，SYMPHONY，這個(gè)策略則考慮因素更為復(fù)雜，會更兼顧環(huán)境、資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的平衡。下圖很清晰的描繪了兩種能源策略的傾向性。
圖一 兩種能源策略
下面具體看看幾種基荷能源發(fā)展趨勢。
1. 傳統(tǒng)化石能源
毋庸置疑，化石能源在可預(yù)見的將來依舊是主要能源。
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來自能源系統(tǒng)。鑒于人們認(rèn)為甲烷和其他短期氣候污染物排放都被嚴(yán)重低估，能源生產(chǎn)和使用的排放量占比可能更大。圖二給出兩種策略對于本世紀(jì)中葉化石能源占比情況。
圖二 本世紀(jì)中葉化石能源占比情況
在低碳發(fā)展的大趨勢下，在全球化石燃料消費(fèi)總量大量減少的趨勢下，電力生產(chǎn)和工業(yè)加工的效率將會大幅度提高，同時(shí)化石燃料的發(fā)展在很大程度上也會依賴于碳捕捉（CCS）技術(shù)。
碳捕捉目前被廣泛接受的定義是“一個(gè)從工業(yè)和能源相關(guān)的生產(chǎn)活動中分離二氧化碳，運(yùn)輸?shù)絻Υ娴攸c(diǎn)，長期與大氣隔絕的過程”。CCS產(chǎn)業(yè)鏈由四部分組成（圖三），通俗而言，CCS就是在二氧化碳排放之前就對其捕捉，然后通過管線或船舶運(yùn)到封存地，最后壓縮注入地下，達(dá)到徹底減排的目的。
圖三 CCS價(jià)值鏈各個(gè)階段的技術(shù)總結(jié)
2. 先進(jìn)核能系統(tǒng)
既然考慮的既然是五十年后，就不談目前火熱的華龍一號，AP1000，EPR等等三代堆系統(tǒng)。主要談一下小型堆系統(tǒng)，四代堆系統(tǒng)中的鉛冷快堆系統(tǒng)。
圖4 核能進(jìn)化年代預(yù)估
模塊化小型壓水反應(yīng)堆系統(tǒng)（SMR）
興起
近二十年，核電站輸出功率的優(yōu)化一直是全球核工業(yè)的討論話題。分為擴(kuò)容派與縮容派，前者以AREVA的EPR系列為代表，主張?zhí)岣叨研救剂辖M件數(shù)量達(dá)到規(guī)模效應(yīng)，而安全性能以增加冗余作為手段。后者以西屋的AP600為代表，主張系統(tǒng)簡化，降低堆芯功率以提高核電站的經(jīng)濟(jì)性與靈活性。
美國能源部對先進(jìn)商用小型輕水堆項(xiàng)目有嚴(yán)格的時(shí)間規(guī)定，為2020年左右大規(guī)模推廣小型輕水堆鋪平道路。
與此同時(shí)，國內(nèi)核工業(yè)大佬，中廣核，中核也相繼確立了SMR在接下來十年的研發(fā)商運(yùn)地位，也都有項(xiàng)目在推進(jìn)。
安全性
SMR大量采用了安全設(shè)計(jì)的思路，比如在失水事故的應(yīng)對上，從原來的“失水－注水”的被動策略向“減小失水”的主動原則。先進(jìn)小型輕水堆普遍采用一體化主回路壓力容器結(jié)構(gòu)，取消了主回路各主管道，從根本上消除了由于一回路主管道斷裂造成的大破口失水事故；其次大量采用非能動安全設(shè)計(jì)，通過多種自然循環(huán)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)移堆芯余熱，有效地降低了失水事故后堆芯溫升程度和堆芯裸露的可能性。
在長期冷卻策略上，先進(jìn)小型壓水堆全面采用非能動安全系統(tǒng)，而且系統(tǒng)熱阱余量很大，可以在全廠斷電的情況下獨(dú)立工作一個(gè)星期以上。因此，先進(jìn)小型輕水堆的安全性比第三代輕水堆（AP1000、EPR等）有了指數(shù)級的提高（見表1）。
表1 先進(jìn)小型輕水堆安全性能的改進(jìn)
發(fā)展設(shè)想：
SMR&分布式能源系統(tǒng)，漸行漸近。
分布式能源系統(tǒng)是直接面向用戶，按用戶的需求就地生產(chǎn)并供應(yīng)能量，具有多種功能，可滿足多重目標(biāo)的中、小型能量轉(zhuǎn)換利用系統(tǒng)。在分布式能源即將迎來大發(fā)展背景下，SMR供電系統(tǒng)必然會在50年后的偏遠(yuǎn)地區(qū)，海上工作平臺等大電網(wǎng)觸角無法企及的孤島小電網(wǎng)架構(gòu)之上找到自己存在的合理性。
第四代反應(yīng)堆系統(tǒng)
在可預(yù)見的將來，第四代反應(yīng)堆系統(tǒng)（Gen IV），也包括鉛冷快堆系統(tǒng)，是會一統(tǒng)核能天下的。表二介紹GIF力推的六種GENIV。其特點(diǎn)無非是固有安全性、經(jīng)濟(jì)性和燃料利用可持續(xù)性。
表2 GIF六種GEN IV
鉛冷快堆系統(tǒng)（LFR）采用液態(tài)鉛作為主冷卻劑以期提高核島安全性和增殖鈾轉(zhuǎn)換其快中子譜，考慮燃料閉式循環(huán)，采用長壽期堆芯以提升電廠經(jīng)濟(jì)性能；設(shè)計(jì)堆內(nèi)自然循環(huán)以提高其余熱排出能力；反應(yīng)堆本體采用池式結(jié)構(gòu)以提高其抗震能力。
主要特點(diǎn)
使用緊湊的、容器內(nèi)的蒸汽發(fā)生器（SG）和所有堆內(nèi)構(gòu)件都可拆出的簡單主回路，從而降低施工難度，提高施工速度。同時(shí)，采用池式反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以提高堆本體抗震能力。
圖5 鉛冷快堆系統(tǒng)ELSY的堆本體設(shè)計(jì)示意圖
在惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行堆芯燃料操作，提高操作安全性；
堆內(nèi)SG拋棄傳統(tǒng)U型管設(shè)計(jì)采用新型螺旋式設(shè)計(jì)，以提高換熱能力和達(dá)到堆內(nèi)自然循環(huán)目的。
鉛作為一種高沸點(diǎn)冷卻劑所帶來的協(xié)調(diào)作用，不可低估：中子經(jīng)濟(jì)、低壓系 統(tǒng)，安全、簡化、經(jīng)濟(jì)、防擴(kuò)散能力等。在ADS研究中發(fā)現(xiàn)鉛具有吸附和抑制裂變產(chǎn)物、特別是某些易揮發(fā)裂變產(chǎn)物的能力，可將核電廠對外環(huán)境的影響降到最小，從基本上消除核電廠場外應(yīng)急的需要。
鉛的對外部環(huán)境、工業(yè)基礎(chǔ)條件和技術(shù)要求有更廣泛的適應(yīng)性。目前核電選址在考慮地址的時(shí)候，第一步就是調(diào)出此地所有記錄，比如縣志之類的老古董來看，是不是在某年某月的某一天發(fā)生過重大自然災(zāi)害之類的，為何？因?yàn)楝F(xiàn)在核電廠很脆弱！做核電的常常說核電廠址是稀缺資源，怕地震、怕海嘯、怕冰凍，50年后的將來，鉛冷系統(tǒng)能讓核電廠更剛強(qiáng)。
3.光伏系統(tǒng)
可再生能源還有風(fēng)能，這里只介紹光伏系統(tǒng)。
這里說的是光伏系統(tǒng)，是五十年后的光伏。五十年后的光伏應(yīng)該是一個(gè)系統(tǒng)，是光伏發(fā)電系統(tǒng)+儲能系統(tǒng)+孤島電網(wǎng)組成的分布式能源系統(tǒng)。
前幾年不敢講這個(gè)思路。當(dāng)時(shí)太陽能薄膜電池材料就3萬1克，現(xiàn)在已經(jīng)降到四位數(shù)。分布式能源、微電網(wǎng)也已經(jīng)逐漸規(guī)范，并大力推廣。
可能五十年后電池儲能不是目前的鋰電池鎳電池、鐵基電池，但是必定可以調(diào)和光伏系統(tǒng)晚上無法供電的尷尬，山區(qū)人民晚上也挖個(gè)礦什么的。
作者未來，光伏發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)性提高，尋常山區(qū)百姓家組一個(gè)光伏孤島系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)壓力就跟安一個(gè)電視天線相當(dāng)；儲能系統(tǒng)（看好電池儲能）能做到一晚上通宵挖礦，洗一晚上熱水澡或者Whatever，總之晚上想用電只要電池沒壞就可以盡情用；萬一儲能電池壞了，孤島電網(wǎng)也可以接入大電網(wǎng)系統(tǒng)（你要是問怎么接入，說不定無線傳輸實(shí)現(xiàn)了呢），就是貴一點(diǎn)，但是可以保證基本用電需求，不至于黑燈瞎火洗涼水澡或者感冒了沒有開水喝即可。
最后貼一張19世紀(jì)初人類尋求利用太陽能的古樸圖片，現(xiàn)今人類正站在技術(shù)革命的漆黑黎明守望浩瀚的星空，堅(jiān)持一下，就是艷陽。
這是一個(gè)最好的時(shí)代。
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