經合組織核能機構(OECD/NEA)2022年7月22日發布報告《超越電力：核能熱電聯產的經濟性》，指出利用現有核電廠或未來的新建核電廠進行熱電聯產具有廣闊的市場前景。這份報告基于經合組織核能機構“核能熱電聯產在低碳能源未來中的作用及其經濟性的特設專家組”的研究成果。

核能在推進全球碳減排方面發揮了重要作用。在發達經濟體，核電是發電量最大的低碳電力來源，占所有低碳能源發電量的約40%。國際能源署(IEA)估計，1971—2018年，核電的利用總計減少了630億噸二氧化碳排放。許多國際權威機構對旨在實現能源領域脫碳的未來發展情景進行了預測，大部分情景預計核能將會大規模發展。例如，國際能源署(IEA)2021年發布的凈零排放情景預計，全球核電裝機容量到2050年將達8.12億千瓦，主要由百萬千萬級水冷堆組成。除了發電，核反應堆還能以熱電聯產的方式幫助能源行業實現碳減排。這種方式能夠滿足區域供暖、氫與合成燃料的生產、海水淡化等領域的能源需求。這些領域的能源需求目前主要由化石燃料或生物質能滿足。

1、發展前景

核能是一種技術成熟的低碳基荷能源，能夠以熱電聯產方式取代化石燃料滿足工業部門能源需求，進而為全球碳減排作出更大貢獻。供熱設施目前是全球空氣污染物和二氧化碳的重要排放源。與電廠不同的是，供熱設施通常靠近終端用戶。這意味著這些設施釋放的污染物易在工業區或居民區擴散，進而導致工作人員或居民出現健康問題。核反應堆能夠供熱，并且不會排放空氣污染物。

核能的另一項優勢是生產成本穩定。鈾的采購費用通常僅占核電廠發電成本的5%，這意味著核電廠的發電成本不會像化石燃料一樣易受燃料價格波動的影響，能夠以穩定的成本滿足客戶能源需求。此外，核能熱電聯產還能顯著提高能源利用率。如果僅用于發電，僅有約1/3的堆芯熱量能得到有效利用，另外2/3則作為廢熱排放。國際原子能機構(IAEA)的研究表明，核能熱電聯產能夠將能源利用率提高至90%，而傳統核電廠能源利用率的全球平均值為37%。實施核能熱電聯產，核反應堆在根據電網需求調整輸出電量的同時還能夠持續保持滿負荷運行狀態，因為它還能生產其他能源產品，進而增加運營收入。已有研究機構提議建立“核-可再生能源混合能源系統”(下文簡稱“混合能源系統”)。該系統由核反應堆、可再生能源、電力和熱能儲存設施以及副產品生產設施(例如制氫設施)組成。核能熱電聯產還有助于增強電網對太陽能、風能等間歇性可再生能源的消納能力。

根據國際原子能機構公布的數據，截至2020年底,全球至少有70臺在運核電機組已開展非電力應用，總計累積了約750堆年的運營經驗，然而這些機組僅有小部分熱能用于供熱。迄今為止，核能的非電力應用僅限于低溫供熱，例如海水淡化和區域供暖。現有反應堆能夠提供200℃以下的低溫熱能，僅能滿足極少工業部門的需求。目前正在研發的一些先進反應堆擁有更高的堆芯出口溫度，更適于滿足工業部門的熱能需求。歐盟研究計劃“旨在實現可持續能源供應的創新型反應堆工藝熱應用終端用戶需求”(EUROPAIRS)研究了歐洲供熱市場以及核能熱電聯產的前景。結果發現，短期內核能可以在部分細分市場(現有的傳統核能熱電聯產市場、特定工業流程中的預熱)中具有競爭力。

許多技術開發商正在開展模塊化小堆研發，其中許多小堆基于第四代反應堆概念，目標用途包括海水淡化、制氫、工藝熱供應等核能熱電聯產應用。相對于現有壓水堆，帶有先進非能動安全特性的小型一體化壓水堆更適于建在居民區或工業區附近，也更容易獲得接受。因此這種反應堆是一種前景廣闊的低溫熱能供應方案。類似高溫氣冷堆的能夠提供高溫熱能的反應堆在替代化石燃料為工業部門提供高溫工藝熱方面也有廣闊應用前景。

2、商業和經濟性考慮

相對于現有核電廠，核能熱電聯產廠的建設融資將面臨更大的挑戰，因為其要面對更多的干系人。核能熱電聯產廠需要面對兩個市場：電力和熱能(或工業產品)。在大多數國家，電網的分布比供熱網絡更為廣闊。相對于需要建設專門的基礎設施以將熱能輸送給新用戶，將電力輸送給用戶的成本可以忽略不計。確定核能熱電聯產廠細分目標市場的一個最重要參數的溫度。其他重要參數包括所需的熱量、特定安全要求、適應負載瞬變的能力、運行可靠性、傳熱技術限制，以及(非常重要的)核反應堆與熱電聯產設施的取證程序。從技術上講，核能熱電聯產廠可以采用兩種系統集成技術：一是電力或連續耦合系統，即核反應堆堆芯能量僅用于發電，然后將電力用于其他用途;二是熱耦合系統，即核反應堆堆芯能量用于發電和供熱，并滿足非電力應用需求。

核能熱電聯產廠可以采用一體化或非一體化商業模式運營。在非一體化模式中，核能熱電聯產廠和供熱網絡由兩家獨立的企業擁有。在一體化模式中，包括核反應堆運營商、熱能終端用戶、能源管理和配送者以及管網運營商在內的干系人整合程度將取決于技術和安全方面的考慮。融資和所有權模式將取決于經濟一體化程度。蘇聯曾采用一體化模式，即核電廠及配套的供熱管線同時建設，且由一家企業擁有。瑞士貝茲瑙核電廠及其配套區域供熱網絡采用的是非一體化模式，分別由兩家獨立企業擁有。在大多數情況下，海水淡化廠與核電廠通常隸屬于同一家企業。未來，隨著淡水需求的不斷增加，可能會出現淡水淡化廠和核電廠由不同企業擁有的情況。目前沒有核能高溫(即超過250℃)工藝熱應用的經驗可供參考。有必要在融資、商業模式、現場集成等領域為核能高溫工藝熱應用設計創新方案。

如果核能熱電聯產的經濟性超過了其他技術，尤其是利用燃燒天然氣提供高溫蒸汽和電力的技術，那么核能熱電聯產極有可能得到大規模發展。由于前期投資巨大和規模經濟效益，大型輕水堆或先進反應堆可能適于滿足大規模的熱電聯產需求。如果模塊化小堆技術的競爭力能夠獲得證明和認可，則可用于滿足其他細分市場的能源需求。

3、案例研究

報告介紹了多個核能熱電聯產的案例，涉及區域供暖、海水淡化、制氫、混合能源系統及其他工業應用。

區域供暖案例包括瑞士和匈牙利已利用核能進行供暖的實例，以及芬蘭、法國、斯洛文尼亞等國計劃開展的核能供暖實例。瑞士貝茲瑙核電廠已為附近約1.5萬居民提供了30多年的供暖服務。即使在化石燃料價格低迷時期，核能供暖相對于化石燃料供暖也具有競爭力。經濟性評估表示，在電力價格持續走低的情況下，從核電廠提取蒸汽用于供暖是一種有益的替代方案。其他案例探討了將現有的和/或新的供熱網絡與現有核電廠連接的情況。這些研究明確了核能區域供暖在取代傳統能源方面的潛力，但也注意到了一些挑戰，包括現有核電廠的剩余運行壽期。與此同時，核能區域供暖的經濟競爭力還取決于核電廠與終端熱力用戶之間的距離、供熱網絡改造費用以及現有核電廠改造費用或新核電廠建設費用。鑒于核電廠和供熱網絡的改造投資大，且相關設施將長期運行，需要政府在融資及其他方面給予政策支持，從而使這一低碳能源技術得到推廣應用。

雖然迄今的核能海水淡化廠均是使用水冷堆提供能量，但報告的相關案例均假設使用先進反應堆提供能量。經過專門配置和優化的多級閃蒸(MSF)海水淡化工藝能夠有效利用日本高溫氣冷堆GTHTR300C功率轉換流程中的廢熱，其產水量與傳統多級閃蒸工藝高45%。在中東市場條件下，GTHTR300C的淡水生產成本遠低于燃油和燃氣。另一個案例研究表明，將反滲透和多效蒸餾(MED)技術與熱功率為33萬千瓦的韓國一體化壓水堆SMART相結合，能夠經濟地進行海水淡化。

關于制氫的案例均基于下述技術假設：利用先進反應堆產生的高溫熱量和電力在高溫工況下進行水的分解。韓國和日本的研究表明，利用堆芯出口溫度高達950℃的超高溫反應堆(VHTR)進行硫碘熱化學循環水分解制氫，在經濟上是可行的。研究還發現，相對于現有的水電解制氫，硫碘熱化學循環水分解制氫具有經濟競爭力。一個案例研究涉及使用堆芯出口溫度650℃的超臨界水冷堆(SCWR)進行高溫蒸汽電解制氫。這一研究表明，這一技術的平準化成本顯著高于使用北美低價天然氣的傳統制氫技術。研究還發現，核能制氫在部分地區可能具有競爭力，具體取決于天然氣價格和碳稅。高溫水分解制氫技術仍處于開發階段，尚未進行工業規模的示范。但是，預計這一技術將在超高溫反應堆實現商業化時發展成熟。

混合能源系統可能包括核反應堆、發電機、風車、太陽能光伏、熱能和電能儲存設備以及相關的工藝設備(例如制氫設備)，其造價將遠遠超過其任何子系統。因此，需要為混合能源系統設計創新的商業模式，以便能吸引投資，并建立商業架構，確保內部的能源調度決策能使整個系統而不是單個子系統的利潤最大化。

4、建議

報告為推進核能熱電聯產的商業應用提出了五條建議。

第一，政府應考慮制定國家/地區供熱行業脫碳路線圖，并考慮使用核能取代化石燃料供熱的潛力。目前各國通常僅制定電力行業脫碳路線圖。

第二，政府應認識到核能熱電聯供是未來低碳能源系統不可或缺的組成部分。政府應通過碳稅及其他措施，減少化石燃料的使用，并支持核能的熱應用。

第三，政府應當協調能源政策和水資源政策，以推進核能海水淡化項目。涉及能源和水資源規劃的機構應當共同努力，為核能海水淡化項目提供創新的融資和商業模式。

第四，推進核能熱電聯產的商業化應用需要實施示范項目。示范項目應當采用公私合資的方式推進，并且有工業部門的大力參與。

第五，應進一步加深對核能熱電聯產潛力的認識，開展利用核能熱電聯產推進核能與可再生能源整合的研究，包括開展全生命周期評價。