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    2019年 4月 15日，美國核能研究所（NEI）發布了一篇題為“微堆在偏遠市場的成本競爭力”的報告。本報告旨在為微堆的潛在客戶和利益相關者（包括偏遠社區、礦山和國防設施）提供相關信息。報告介紹了微堆的優點、市場機遇、成本以及競爭力四個方面的內容。

    1 背景介紹

    微堆是一種新興的核能技術，非常適合用于解決許多市場對于能源的需求，感興趣的客戶群體也在迅速擴大。微堆通常指電功率范圍在 1～10 MWe 的反應堆，有些微堆設計的功率會更小或稍大一些。微堆可以脫離電網獨立運行以提供較大彈性的電力，以解決正常和應急情況下的緊急電力需求。

    本報告討論的堆僅限于固定式微堆，不包括移動式微堆。報告評估了在美國部署固定式微堆的成本和競爭力。微堆是未來的一項重要核能技術，是對其他兩類反應堆技術（大于 1 000MWe的大型核反應堆以及小于 300 MWe的小型模塊堆）的一項補充。目前，核能為美國提供了約 20％的電力，占零碳排放電力的近 60％。

    本報告旨在為微堆的潛在客戶和利益相關者（包括偏遠社區、礦山和國防設施）提供相關信息。美國國防部（DOD）正在調研在長期固定地點部署微堆，以便為關鍵任務防御設施提供高彈性電力，使設施能夠獨立于電網運行，本報告所提供的信息也可供該調研使用。根據 2019年國防授權法案（NDAA）第 327
章的要求，能源部（DOE）部長需要編寫一份報告，描述使用微堆為 DOD 設施中關鍵國家安全基礎設施提供彈性電力的試點計劃，并明確該計劃的要求和組成部分。試點計劃將與商業實體簽訂有關微堆選址、建造和運行的合同，目標是在 2027 年 12月 31日之前開始運行電功率小于 50 MWe的微堆，為 DoD和 DOE設施中的國家安全基礎設施提供彈性電力。核能研究所（NEI）于 2018 年 10 月發布了一份“在美國國防設施中部署微堆的路線圖”報告，報告建議在 21世紀 20年代中期開始部署微堆。

    2 微堆的優點

    與其他核能技術一樣，微堆能夠提供其他能源所不能提供的綜合效益，主要體現在以下五個方面：

    （1）高彈性和高可靠性。微堆可以一年 365 天、每天 24小時運行，且大多數微堆都無需場外供料就能運行 10年或更長時間。微堆設計的宗旨是為了防范嚴重的自然災害以及人為的實體和網絡安全威脅，許多設計都具有孤網運行能力，其中包括可以在停電時恢復啟動的黑啟動功能。此外，微堆的容量因子預計可以達到 95％或更高。

    （2）清潔和環保。微堆作為一種核能技術，不會排放溫室氣體或“標準”污染物。核能是所有能源中碳足跡最低的能源之一，與水電和風電大致相同。據 DOD 估計，柴油發電與太陽能光伏發電和儲存每提供 1 MWe 電力負荷所需占用土地面積分別為 53 平方米和 10 000平方米。微堆每提供 1 MWe電力負荷預計僅需占用約 20平方米的土地。

    （3）靈活性和按需運行。微堆可按需發電，并可獨立于各種天氣條件運行。微堆可以改變其功率輸出以匹配變化的需求，這使得微堆可適用于提供變化的負荷，并且與可再生能源等間歇性能源兼容。微堆也可交替進行發電和供熱，或利用電池存儲來優化容量因子和經濟性。

    （4）發電和供熱。反應堆出口溫度高的微堆可以用于發電和供熱，也可以專門用于供熱。熱量可用于工業應用，例如煉油和化學處理。在較冷的氣候條件下，熱量也可用于家庭和企業的區域供熱。微堆生產的電力或高溫熱也可用于海水脫鹽和凈化以及制氫。工業過程熱或區域供熱可以提高微堆在電力需求多樣化地區的利用率，從而改善市場對微堆的需求。

    （5）簡單和安全。微堆的設計特點包括：體積小、操作簡單；具有固有安全性和安保性；使用了改進材料和高保真計算機建模等先進技術；采用了許多自動化運行設計，人為操作程度低；規模和風險與研究堆相似，并在人口集中的大學校園中有著安全運行的悠久歷史。

    3 微堆的市場機遇

    微堆非常適用于滿足目前一些市場對清潔、可靠、有彈性和價格合理能源的需求。其中許多市場位于偏遠地區，如北極社區和采礦作業區。另外，微堆還是為關鍵基礎設施（如國防設施和應急響應設施）提供微電網安全供電的一項選擇。

    3.1 偏遠社區

    在阿拉斯加州，柴油發電和煤炭發電分別約占總發電量的15％和 6％。阿拉斯加州有大約 300個偏遠社區，這些社區擁有小型電網，但沒有接通大型互聯電網。這些社區高度依賴柴油發電，而柴油發電不僅成本高而且柴油燃料供應容易中斷。2014年，這些偏遠社區的電價是 0.41～1.02 美元/千瓦時，這是美國其他社區電價的 16倍。這些社區一些家庭的電力花費高達總收入的 47%。其中近 200 個社區是依靠國家電力成本平攤計劃（PCE）提供的經濟援助來補貼其電力成本。對于島嶼地區來說，通常其電價水平遠高于大陸地區，而電網又較小且可靠性較低。另外，部分島嶼上的太陽能和風能發電廠也因颶風等自然災害受損，一些島嶼主要依靠柴油發電或石油發電。對于這些偏遠社區來說，無法獲得清潔、負擔得起且可靠的電力將對生活產生負面影響。微堆供電可以消除對 PCE 補貼的需求并降低這些社區的能源成本，還可以消除對燃料供應的依賴性，從而提高能源的安全性。

    3.2 采礦作業

    采礦作業往往位于偏遠地區，無法從電網獲得可靠的電力。采礦作業中的電力成本占運營成本的很大一部分，通常在0.20～0.50美元/千瓦時之間。礦山的壽命是由目標礦石的類型、質量和豐度決定的，一些礦山的壽命只有幾年，金礦的平均壽命為 10～20 年，一些銅礦可以運行 70 年。利用微堆為采礦作業提供低成本電力，可能會有助于提高低品位礦石的利潤，從而延長礦山的壽命。

    3.3 國防設施

    DOD管理著 500多個固定設施，并在這些設施中開展了包括美國空軍、陸軍、海軍、海軍陸戰隊和眾多 DOD 相關的活動。DOD 是美國最大的能源消費機構，占聯邦總能耗的 21％。2016財年，DOD設施的能源消耗量為 201萬億英熱（Btu），其中電力消耗占 53％、天然氣占 32％、燃料油與煤炭占 15％，共耗資約37億美元。

    微堆能夠為各種 DOD 設施提供能量，特別適合為偏遠的國內軍事基地供電和供熱。這些軍事基地是美國國家安全基礎設施的關鍵組成部分，其能源需求尤為顯著，且目前的電力成本高昂、碳排放量大。40 MWe或更低的核電裝機容量就能滿足 90%軍事設施的年均能耗。預計大多數 DOD 設施將使用一個或多個2～10 MWe功率的微堆。DOD可能在執行關鍵任務的偏遠設施上首先使用微堆。2018年 NEI發布的“在美國國防設施中部署微堆的路線圖”中，就將阿拉斯加費爾班克斯附近的艾爾森空軍基地作為偏遠國防設施部署微堆的例子進行了探討。

    3.4 國際市場

    微堆能夠服務于世界各地的偏遠地區。加拿大正在其偏遠的北極社區以及采礦作業中使用微堆。加拿大偏遠地區的市場需求和條件與美國的阿拉斯加州非常相似。2014年的一份報告估計澳大利亞的離網電力市場至少有 200 MWe，潛在市場可能超過 1 000 MWe。欠發達國家的許多社區均無法獲得可靠的電力，微堆將有可能明顯改善這些社區的生活質量。值得注意的是，美國公司要想在國際微堆市場上具備競爭力，還將需要得到美國政府對微堆出口的更多支持。

    4 微堆的成本

    本報告中微堆的成本是基于兩臺裝機容量為 5 MWe的機組、總裝機容量為 10 MWe的微堆核電站進行估算的。NEI開發了一款專用經濟學模型，通過計算平準化電力成本（LCOE）來估算微堆的發電成本。

    4.1 首座微堆的成本

    首座微堆的成本是基于 40 年運行壽期以及每 10 年更換一次燃料或反應堆堆芯進行估算的。早期的微堆可能會與現存發電站共同為大負荷需求供電，這使得微堆能夠保持 95％的容量因子。場址的工程和許可成本包含在微堆的資本成本中。同類別首個（FOAK）反應堆的設計和許可成本被認為平攤到了大批微堆的生產中。表 1 是首座微堆成本估算的參照條件，表 2 是首座微堆的成本明細。

    與部署條件相關的許多因素可能會顯著影響成本，包括交通、天氣或氣候以及作業條件。同樣，許多與微堆有關的因素也會大大影響成本，例如核電站技術和設計均衡。資本成本的融資也很重要，并取決于微堆所有者的機構性質和貸款擔保的可用性。成本中不包括輸電和配電基礎設施，因為無論是使用
微堆還是其他技術發電都需要這些基礎設施。

    綜合考慮各種因素后，首座微堆的 LCOE估算范圍為 0.14～0.41美元/千瓦時，如圖 1所示。

    生產稅收抵免（PTC）在過去幾十年中一直有效地促進了可再生能源技術的部署。預計首批微堆將在 2020 年代中期部署，并將有資格獲得 PTC。假設將 PTC考慮進去，微堆的 LCOE將進一步降低 0.008美元/千瓦時。鑒于 PTC對微堆電價的影響很小，預計 PTC對促進微堆發展所起的作用有限。

    大多數微堆計劃使用高純度低濃鈾（HALEU）燃料，該燃料中的鈾-235豐度高達 20％。目前還沒有 HALEU供應，且在市場形成之前都不可能實現商業供應。因此，DOE需要為初期的微堆提供 HALEU。微堆的示范可以更加確定微堆的各項成本，并發現降低這些成本的機會。HALEU 和示范微堆在參議員 Murkowski等人于 2019年 3月提出的“核能領導法案”中得到了解決。

    4.2 成本敏感度

    在評估出首座微堆的 LCOE 范圍后，了解關鍵成本對 LCOE的相對影響非常重要。與預期估計的一樣，反應堆規模和資本成本是微堆 LCOE的最大影響因素，核電站的反應堆數量和固定運行與維護（O＆M）也對 LCOE 有著重大影響。盡管沒有顯示，但堆芯壽命、燃料成本和退役成本對 LCOE的影響相對較小，分別占不到5％的比例。圖2是關鍵成本對首座微堆LCOE的相對影響。

    4.3 未來微堆的成本

    同類別首個（FOAK）技術的部署永遠比下一次部署更昂貴，因為成本的降低主要歸功于吸取了先前的部署經驗。核電站的部署也不例外，部署機組的數量每增加一倍，成本通常會降低10％～20％。韓國水電與核電公司（KHNP）以及美國海軍的經驗表明，部署機組的數量每增加一倍，成本就會降低 15％。

    預計未來微堆的其他成本也會降低。隨著更多機組的生產，燃料成本也有可能降低，因為未來將采用一些可大批量生產的新型燃料設計。預計 O＆M 成本也會因運行經驗的學習而降低。圖 3 是未來微堆的隔夜資本成本與部署機組數量之間的關系。圖中 3 條曲線分別是假設初始隔夜資本成本為每千瓦裝機容量20 000、15 000和 10 000美元，對應每增加一倍機組數量的成本降低率分別為 5%、10%和 15%，再估算出部署第 50 座微堆的資本成本分別為每千瓦裝機容量 14 973、8 276和 3 996美元。

    5 微堆的競爭力

    在大多數情況下，偏遠地區的現有能源是來自柴油發電，且要依靠非現場供應且現場儲存的大量柴油燃料來發電。柴油發電機不僅運行昂貴，還會排放二氧化碳和其他空氣污染物，以及存在不可靠性。偏遠北極社區柴油發電機的發電成本估計為0.30～0.60美元/千瓦時。島嶼社區和偏遠采礦的電價相似，發電成本為 0.15～0.35 美元/千瓦時，均低于北極社區，主要原因是燃料運輸成本較低。

    對于北極社區和島嶼社區的偏遠國防設施來說，其發電成本可能與附近社區和采礦作業的成本相似，目前的成本高于0.40美元/千瓦時，這種情況下微堆顯然更具競爭力。對于發電成本低于 0.25 美元/千瓦時的國防設施來說，如果不重視微堆可提供高彈性、可靠和清潔電力的優勢，那么首批微堆就不確定是否具有經濟競爭力。在評估微堆是否在高彈性電力需求市場中具有競爭力時，報告參考了當前偏遠國防設施的發電成本0.28～0.32美元/千瓦時。

    報告還將未來微堆的較低發電成本與較大電網的發電成本進行了比較。阿拉斯加鐵路帶的電價是 0.14～0.23 美元/千瓦時，扣除包括電力供應在內的其他成本 0.08 美元/千瓦時后，該地區發電成本估計為 0.06～0.15 美元/千瓦時。美國大陸地區的電價是 0.05～0.17 美元/千瓦時，扣除大約 0.03 美元/千瓦時的電力運輸成本后，發電成本估計為 0.03～0.08 美元/千瓦時。圖 4通過比較未來首批微堆的預期成本與各類目標市場的 LCOE，來顯示微堆的成本競爭力。其中，微堆的預期成本還考慮了部署經驗帶來的成本降低，圖中 3 條曲線分別對應每增加一倍部署機組數量的成本降低率 5%、10%和 15%。

    綜上分析表明，微堆對于北極社區、島嶼、礦山和國防設施而言具有成本競爭力。微堆的部署可以顯著降低阿拉斯加州依靠國家電力成本平攤計劃（PCE）社區的電力成本和國家補貼成本。另外，微堆在阿拉斯加鐵路帶中也具有競爭力，并且對于具有高彈性功率要求的安全微電網也同樣如此。微堆提供了其他可用能源無法提供的綜合效益，即可提供高彈性、無碳、靈活以及可按需生產的電力。預計微堆將在2020年代中期部署。微堆的尺寸小，且具有大批量部署的潛力，這將有助于迅速降低部署成本，并加速未來微堆的部署。

來源：www.nei.org（宋敏娜編譯）