成人抖音

熱點關注(zhu):  

先進核反應堆的市場分析

2022-06-09 11:40  來源:嘿嘿能源heypower    先進核反應堆  電力調峰  核能制氫

歷史上(shang),核反應(ying)堆主要用于(yu)基(ji)荷(he)電(dian)力(li)(li),這是由化(hua)石燃料的(de)特點造成(cheng)(cheng)的(de)。核電(dian)站具(ju)(ju)有高投資(zi)成(cheng)(cheng)本(ben)和低(di)運(yun)營(ying)成(cheng)(cheng)本(ben),而(er)化(hua)石燃料電(dian)廠具(ju)(ju)有低(di)投資(zi)成(cheng)(cheng)本(ben)和高運(yun)營(ying)成(cheng)(cheng)本(ben)。今(jin)天,這些化(hua)石燃料電(dian)廠采用燃氣輪機。風能和太陽(yang)能根據天氣情(qing)況向電(dian)網(wang)提供電(dian)力(li)(li),與(yu)電(dian)力(li)(li)需(xu)求無(wu)關,不可調度。


熱能溫度越高,其應用場景就越廣泛,有些工業部門所需的熱源溫度比LWRs(輕水堆)所能提供的溫度更高。僅化工行業就有大約10萬兆瓦的熱量需要。開發下一代高溫反應堆核電站的計劃就是基于這個市場。該計劃最終被取消,是因為壓裂法極大地降低了天然氣開采的成本,高溫反應堆顯然是生不逢時。然而,如果反應堆能夠提供高溫熱量,低碳經濟的目標將會使其重新煥發生機。高溫熱能還有兩個新興市場:調峰電力和氫氣生產

調峰電力

歷史上,核反應堆主要(yao)用于基荷電(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)(li),這是(shi)由化石(shi)燃料(liao)的特點造成(cheng)的。核電(dian)(dian)(dian)(dian)站具(ju)有高投資成(cheng)本(ben)和(he)低(di)運(yun)營(ying)成(cheng)本(ben),而化石(shi)燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)廠具(ju)有低(di)投資成(cheng)本(ben)和(he)高運(yun)營(ying)成(cheng)本(ben)。今天,這些化石(shi)燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)(dian)廠采(cai)用燃氣輪機。風能(neng)(neng)和(he)太陽(yang)能(neng)(neng)根據天氣情況向電(dian)(dian)(dian)(dian)網(wang)(wang)提供(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)(li),與電(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)(li)需求無關,不(bu)可(ke)調(diao)度。風力(li)(li)和(he)太陽(yang)能(neng)(neng)的效(xiao)果(guo)正在逐(zhu)步顯現,比如加州(zhou),那里的上網(wang)(wang)電(dian)(dian)(dian)(dian)價已經下降了。

在加州(zhou)等地,在太陽(yang)(yang)能(neng)和風能(neng)產(chan)量(liang)高的時候,上網電價會(hui)快速下跌,而(er)在其他(ta)時候則會(hui)上漲。圖1顯示了加州(zhou)2012年(nian)(nian)和2017年(nian)(nian)春季一天的電價。2012年(nian)(nian)的價格是由化石燃料發(fa)電廠制定的。2017年(nian)(nian)電價則受到了太陽(yang)(yang)能(neng)發(fa)電的影響,太陽(yang)(yang)能(neng)發(fa)電獲(huo)得了大量(liang)補(bu)貼。今天,燃氣(qi)輪(lun)機提供可調(diao)度(du)的電力,以(yi)滿足調(diao)峰需(xu)求。

隨著碳減排,誰能取代燃氣輪機?

多個先(xian)進反應(ying)(ying)堆的(de)開發商(shang)提出增(zeng)加(jia)儲(chu)熱(re)的(de)方(fang)案(an),以(yi)使基荷反應(ying)(ying)堆能(neng)夠(gou)滿足調峰需求。這些反應(ying)(ying)堆包括TerraPower/GE日立核能(neng)公司聯合開發的(de)鈉(na)冷Natrium反應(ying)(ying)堆、Moltex MSR和(he)Kairos Power KP-FHR。在這三種情況下,儲(chu)熱(re)材料是硝酸鈉(na)鉀鹽,這與集中(zhong)式太(tai)陽(yang)能(neng)熱(re)發電(dian)(dian)廠中(zhong)使用的(de)熔融鹽相(xiang)同。反應(ying)(ying)器不直接(jie)(jie)連(lian)接(jie)(jie)到電(dian)(dian)源(yuan)塊上。相(xiang)反,反應(ying)(ying)器接(jie)(jie)收(shou)冷鹽,加(jia)熱(re)后將其送至熱(re)鹽儲(chu)罐。鹽循環(huan)(huan)是反應(ying)(ying)器和(he)動(dong)(dong)力(li)循環(huan)(huan)之間的(de)中(zhong)間循環(huan)(huan)。動(dong)(dong)力(li)循環(huan)(huan)接(jie)(jie)收(shou)熱(re)鹽并產生蒸汽,從而(er)產生電(dian)(dian)力(li)。

反(fan)應器(qi)的(de)(de)(de)大(da)小與(yu)平(ping)均(jun)電力(li)(li)(li)(li)需(xu)求相(xiang)匹配。帶有蒸汽(qi)鍋爐和渦輪機的(de)(de)(de)動力(li)(li)(li)(li)單元的(de)(de)(de)大(da)小與(yu)峰值電力(li)(li)(li)(li)需(xu)求相(xiang)匹配。峰值電力(li)(li)(li)(li)輸出(chu)與(yu)反(fan)應堆(dui)(dui)的(de)(de)(de)相(xiang)對規模取決于當地的(de)(de)(de)電力(li)(li)(li)(li)市場。例如,根據擁有大(da)量海上(shang)風電的(de)(de)(de)英國(guo)電網,Moltex反(fan)應堆(dui)(dui)的(de)(de)(de)峰值功(gong)(gong)率輸出(chu)比反(fan)應堆(dui)(dui)輸出(chu)高三倍(bei)左右。該(gai)動力(li)(li)(li)(li)模塊可以(yi)比核反(fan)應堆(dui)(dui)更快地調整(zheng)出(chu)力(li)(li)(li)(li),因為輸入動力(li)(li)(li)(li)循環的(de)(de)(de)熱量是由熱鹽泵(beng)速(su)度控(kong)制的(de)(de)(de),而不是反(fan)應堆(dui)(dui)調整(zheng)輸出(chu)功(gong)(gong)率。

動(dong)(dong)力(li)循環可以比燃氣(qi)(qi)輪機(ji)更快地響應不斷(duan)變化的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)力(li)需求。實現在(zai)(zai)高電(dian)(dian)(dian)價的(de)(de)時(shi)候出售電(dian)(dian)(dian)力(li),達到收(shou)入(ru)最(zui)大化的(de)(de)目的(de)(de)。在(zai)(zai)這(zhe)些帶(dai)儲能(neng)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)廠中(zhong)有(you)很大動(dong)(dong)力(li)來降(jiang)低投(tou)(tou)資成(cheng)本(ben)(ben),使(shi)其(qi)低于燃氣(qi)(qi)輪機(ji)的(de)(de)成(cheng)本(ben)(ben)。動(dong)(dong)力(li)單元是(shi)按照核(he)電(dian)(dian)(dian)標準建造的(de)(de),它不與(yu)反應堆相連接(jie)。電(dian)(dian)(dian)力(li)循環的(de)(de)設計是(shi)為(wei)了(le)最(zui)大限度(du)地降(jiang)低投(tou)(tou)資成(cheng)本(ben)(ben),因為(wei)動(dong)(dong)力(li)裝置(zhi)的(de)(de)能(neng)力(li)系(xi)數可能(neng)是(shi)30%,而反應堆的(de)(de)能(neng)力(li)系(xi)數是(shi)90%。如果有(you)非常低價的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)力(li),發電(dian)(dian)(dian)廠就會買電(dian)(dian)(dian)來加熱更多的(de)(de)硝酸鹽。如果高峰需求延長(chang)(chang)了(le)很長(chang)(chang)一段時(shi)間,并且儲熱被(bei)耗盡(jin),那么燃燒天然氣(qi)(qi),或(huo)者(zhe)是(shi)未來的(de)(de)氫氣(qi)(qi)或(huo)生物燃料,就能(neng)提供(gong)額外的(de)(de)熱量用來發電(dian)(dian)(dian)。最(zui)近的(de)(de)一次(ci)研討(tao)會詳細研究了(le)核(he)能(neng)的(de)(de)這(zhe)種(zhong)新(xin)設計。

高(gao)溫(wen)反應堆的(de)(de)使用大型冷熱(re)(re)儲(chu)(chu)罐(guan)中(zhong)的(de)(de)熔融硝酸(suan)鹽進(jin)行儲(chu)(chu)熱(re)(re)。這種儲(chu)(chu)熱(re)(re)系統首先(xian)被用于聚(ju)光太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)熱(re)(re)電站,原因有二。首先(xian),陰天時,云層(ceng)遮住太(tai)(tai)陽(yang)(yang),電力輸(shu)出可能(neng)(neng)會波動十幾次,儲(chu)(chu)能(neng)(neng)提供了(le)恒定的(de)(de)熱(re)(re)量。第二,最近,熔融鹽儲(chu)(chu)熱(re)(re)使太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)發電廠(chang)在太(tai)(tai)陽(yang)(yang)下山(shan)后仍能(neng)(neng)發電。儲(chu)(chu)熱(re)(re)的(de)(de)投(tou)資成本(ben)是(shi)20-30美(mei)元/千(qian)瓦時,比(bi)電池(chi)或抽(chou)水(shui)蓄能(neng)(neng)低一個數量級。

同時(shi)(shi),儲(chu)(chu)熱比(bi)電(dian)(dian)池(chi)或抽水(shui)蓄能(neng)(neng)更有(you)效(xiao)。美國能(neng)(neng)源信息(xi)署(EIA)報(bao)告說,公(gong)(gong)用事業部(bu)門(men)的(de)電(dian)(dian)池(chi)系(xi)統(tong)的(de)平均電(dian)(dian)-電(dian)(dian)效(xiao)率(lv)(lv)為(wei)(wei)82%,抽水(shui)蓄能(neng)(neng)為(wei)(wei)79%。真正(zheng)的(de)公(gong)(gong)用事業儲(chu)(chu)電(dian)(dian)系(xi)統(tong)效(xiao)率(lv)(lv)明顯低于一般(ban)宣傳的(de)儲(chu)(chu)能(neng)(neng)系(xi)統(tong)的(de)效(xiao)率(lv)(lv)。損失發生在多個能(neng)(neng)量(liang)轉換環(huan)節中。在電(dian)(dian)池(chi)中,交流電(dian)(dian)被(bei)轉換為(wei)(wei)直流電(dian)(dian),然后(hou)給電(dian)(dian)池(chi)充電(dian)(dian),電(dian)(dian)池(chi)向(xiang)電(dian)(dian)網輸電(dian)(dian)時(shi)(shi)正(zheng)好相反。

所有這些能量(liang)轉換過(guo)程都有效(xiao)率(lv)(lv)損(sun)耗,在(zai)(zai)(zai)一個先進高(gao)溫核反應(ying)堆中(zhong)(zhong),硝酸(suan)鹽始(shi)終存(cun)在(zai)(zai)(zai)于中(zhong)(zhong)間(jian)環節。熱流(liu)不(bu)(bu)像(xiang)電流(liu)那樣從反應(ying)堆流(liu)向電力循環,在(zai)(zai)(zai)中(zhong)(zhong)間(jian)環路中(zhong)(zhong)增(zeng)加(jia)儲熱并(bing)不(bu)(bu)涉及能量(liang)轉換及效(xiao)率(lv)(lv)損(sun)失(shi)。

氫氣生產

第(di)二個(ge)市(shi)場是(shi)制氫(qing)。現在每年消耗約(yue)1000萬噸(dun)工(gong)業氫(qing)氣(qi)(qi)。隨著碳減排的(de)(de)(de)推進,未(wei)(wei)來氫(qing)氣(qi)(qi)可(ke)能(neng)(neng)會占消耗的(de)(de)(de)總能(neng)(neng)源的(de)(de)(de)20%以上(shang)。這個(ge)市(shi)場有三(san)個(ge)部分(fen),一是(shi)氫(qing)氣(qi)(qi)作(zuo)為化工(gong)原(yuan)料,沒有替代(dai)品,包括化肥生產和(he)將原(yuan)油(you)(you)煉(lian)化。未(wei)(wei)來,氫(qing)氣(qi)(qi)將可(ke)能(neng)(neng)取代(dai)煉(lian)鐵(tie)中(zhong)的(de)(de)(de)焦炭(tan),替代(dai)將生物(wu)燃(ran)料轉化為汽油(you)(you)、柴油(you)(you)的(de)(de)(de)轉化媒介(jie)。這些(xie)替代(dai)燃(ran)料不需要對(dui)發(fa)動機進行任何改裝就可(ke)是(shi)使用(yong)(yong)。二是(shi)取代(dai)天(tian)然氣(qi)(qi),特別是(shi)對(dui)于小(xiao)型用(yong)(yong)戶來說,帶有碳捕獲功(gong)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)化石(shi)燃(ran)料的(de)(de)(de)價格(ge)過于昂貴,而電(dian)加熱的(de)(de)(de)價格(ge)是(shi)天(tian)然氣(qi)(qi)的(de)(de)(de)六倍左右。三(san)是(shi)作(zuo)為未(wei)(wei)來的(de)(de)(de)運輸燃(ran)料,但問題是(shi)如何生產氫(qing)氣(qi)(qi)。在這個(ge)問題上(shang),氫(qing)氣(qi)(qi)與電(dian)力不同。氫(qing)氣(qi)(qi)的(de)(de)(de)存儲(chu)(chu)成本很低(di),可(ke)以使用(yong)(yong)天(tian)然氣(qi)(qi)存儲(chu)(chu)設施。我們將天(tian)然氣(qi)(qi)產量(liang)的(de)(de)(de)20%儲(chu)(chu)存起(qi)來,以滿足(zu)冬季(ji)的(de)(de)(de)高峰(feng)需求。沒有必要使氫(qing)氣(qi)(qi)的(de)(de)(de)生產與需求在每秒甚至每月的(de)(de)(de)基(ji)礎上(shang)相匹配,因為氫(qing)氣(qi)(qi)可(ke)以儲(chu)(chu)存。

一條(tiao)管(guan)道可以運(yun)輸(shu)能量約幾十億(yi)瓦的氫(qing)氣(qi),而輸(shu)電線路則僅限于幾千(qian)億(yi)瓦。然而,跨洲運(yun)輸(shu)氫(qing)氣(qi)比天(tian)然氣(qi)更昂貴,因(yin)為氫(qing)氣(qi)的體積能量密度比天(tian)然氣(qi)的小(xiao)幾倍。這推動(dong)了區域氫(qing)氣(qi)生產系統的發(fa)展。今天(tian),我(wo)們正(zheng)在逐(zhu)步建立氫(qing)氣(qi)儲存設施和(he)管(guan)線,連(lian)接(jie)煉(lian)油廠(chang)、化(hua)工廠(chang)和(he)水(shui)力發(fa)電設施。

核能在(zai)這個市場上有(you)(you)潛(qian)在(zai)的競爭(zheng)力。氫氣可以(yi)通(tong)過電(dian)解水或蒸(zheng)汽(qi)制(zhi)取,高(gao)溫電(dian)解(HTE)是最有(you)(you)效的技術,核電(dian)站(zhan)可以(yi)提(ti)供電(dian)力和蒸(zheng)汽(qi),這是核能提(ti)供氫氣與(yu)電(dian)解液態水的內在(zai)優勢。然而,氫氣工(gong)廠的電(dian)解池和壓縮機(ji)投資成本不菲。

如圖3所示,水力(li)發(fa)電站的(de)(de)(de)容(rong)(rong)量(liang)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)必須(xu)很(hen)高(gao)(gao),以生產(chan)廉價(jia)的(de)(de)(de)氫氣。HTE較(jiao)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)效(xiao)率和對(dui)高(gao)(gao)容(rong)(rong)量(liang)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)要求為核(he)反應堆(dui)與制氫廠的(de)(de)(de)耦合提(ti)供了經濟優勢(shi),相比(bi)之(zhi)下,風能或太(tai)(tai)陽能的(de)(de)(de)容(rong)(rong)量(liang)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)較(jiao)低(di)。核(he)電站的(de)(de)(de)容(rong)(rong)量(liang)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)約為90%,而風能接近40%,太(tai)(tai)陽能則接近25%。雖然這樣的(de)(de)(de)系(xi)(xi)(xi)統可以使(shi)用LWRs,但更(geng)高(gao)(gao)溫度(du)的(de)(de)(de)先進(jin)反應堆(dui)有很(hen)大的(de)(de)(de)經濟優勢(shi)。HTE系(xi)(xi)(xi)統的(de)(de)(de)效(xiao)率隨著(zhu)高(gao)(gao)溫蒸(zheng)汽(qi)的(de)(de)(de)增加而增加。更(geng)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)發(fa)電效(xiao)率意味著(zhu)每單(dan)位的(de)(de)(de)氫氣必須(xu)產(chan)生更(geng)少(shao)的(de)(de)(de)熱(re)量(liang)。

低(di)碳(tan)氫(qing)(qing)(qing)(qing)氣(qi)(qi)(qi)(qi)生產(chan)的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要競爭者是帶有(you)碳(tan)捕獲和封存(cun)(CCS)的(de)(de)(de)(de)天(tian)然氣(qi)(qi)(qi)(qi)蒸(zheng)(zheng)汽-甲烷(wan)重整,對于化石電廠來說,這是一(yi)(yi)個昂(ang)貴的(de)(de)(de)(de)工(gong)藝,因為(wei)從煙氣(qi)(qi)(qi)(qi)中分離二氧(yang)化碳(tan)的(de)(de)(de)(de)成本高昂(ang)。然而,有(you)一(yi)(yi)些蒸(zheng)(zheng)汽-甲烷(wan)重整工(gong)藝可(ke)以產(chan)生相對純凈(jing)的(de)(de)(de)(de)二氧(yang)化碳(tan)廢氣(qi)(qi)(qi)(qi)。如果這些工(gong)廠有(you)良好封存(cun)地(di)(di),從天(tian)然氣(qi)(qi)(qi)(qi)中提取(qu)氫(qing)(qing)(qing)(qing)氣(qi)(qi)(qi)(qi)可(ke)能是經濟的(de)(de)(de)(de)。然而,橫貫大陸的(de)(de)(de)(de)氫(qing)(qing)(qing)(qing)氣(qi)(qi)(qi)(qi)運輸(shu)(shu)成本很高,這意味著這種(zhong)氫(qing)(qing)(qing)(qing)氣(qi)(qi)(qi)(qi)可(ke)能會(hui)被限制在德(de)克(ke)薩(sa)斯州等地(di)(di),在那里成為(wei)像水電一(yi)(yi)樣(yang)的(de)(de)(de)(de)本地(di)(di)資源(yuan)。氫(qing)(qing)(qing)(qing)氣(qi)(qi)(qi)(qi)另一(yi)(yi)個特征是,通過管道(dao)運輸(shu)(shu)20或30千兆瓦(wa)的(de)(de)(de)(de)氫(qing)(qing)(qing)(qing)氣(qi)(qi)(qi)(qi)在經濟上是可(ke)行的(de)(de)(de)(de),這與天(tian)然氣(qi)(qi)(qi)(qi)管道(dao)的(de)(de)(de)(de)能源(yuan)運輸(shu)(shu)規模(mo)相同(tong)。

一(yi)條大(da)型輸(shu)電線路可(ke)以(yi)運(yun)輸(shu)1或2千兆(zhao)瓦(wa),我(wo)們可(ke)以(yi)選擇建造與(yu)煉油廠(chang)(chang)相同規模(mo)(mo)的(de)核(he)氫氣(qi)(qi)生產(chan)綜(zong)合體,這(zhe)是一(yi)個新的(de)核(he)工(gong)(gong)廠(chang)(chang)模(mo)(mo)式。將(jiang)一(yi)個模(mo)(mo)塊化的(de)核(he)反應堆建在(zai)氫氣(qi)(qi)工(gong)(gong)廠(chang)(chang)旁。使(shi)用(yong)船廠(chang)(chang)的(de)起(qi)重機將(jiang)反應堆移動(dong)到制(zhi)氫廠(chang)(chang)。這(zhe)個方案將(jiang)把核(he)電廠(chang)(chang)變為工(gong)(gong)廠(chang)(chang)化運(yun)作,該(gai)模(mo)(mo)式使(shi)得氫氣(qi)(qi)生產(chan)能(neng)力可(ke)以(yi)在(zai)20年內不斷增長,核(he)能(neng)工(gong)(gong)廠(chang)(chang)替代了反應堆。




閱讀推薦

正在加載

閱讀排行