碳达峰、碳中和背景下的清洁能源对比分析

碳达峰、碳中和背景下的清洁能源对比分析

闫国栋1，叶杉2，郑建锋3

1．国核（福建）核电有限公司，福州，350001

2．2．国核（福建）核电有限公司，福州，350001

3．3．国核（福建）核电有限公司，福州，350001

关键词：双碳目标；清洁能源；风电；光伏；核电

摘  要：随着碳达峰、碳中和目标的提出，清洁能源发展将进一步提速。权威机构预测到2060年碳中和情景下，风电和光伏等新能源发电量占比将超过一半，成为电量供应的主体。但由于风电和光伏具有随机性和波动性等特点，对电力系统安全稳定运行提出巨大挑战。因此需要在大力发展新能源的同时，因地制宜开发大型核电基地作为基荷电源，确保未来新型电力系统安全、可靠、稳定运行，助力双碳目标顺利实现。

1我国能源发展概况

长期以来，我国经济社会快速发展与能源消费、生态环境矛盾日益突出。在碳达峰、碳中和目标提出后，清洁能源势必迎来井喷式发展，我国能源结构将从以煤炭为主向以清洁能源为主实现跨越式发展。在推动能源清洁高效利用的同时，需要兼顾能源和电力系统安全。核电、风电、光伏等清洁能源未来将同台竞技，但由于其各具特点，有必要通过对比分析不同能源品种的优劣势，探索最佳组合方式，构建以新能源为主体的新型电力系统，确保碳达峰、碳中和目标如期实现。

2清洁能源对比分析

2.1发电原理的差异性

2.1.1风电

风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转速度提升，促使发电机发电。风电是最具商业潜力、最具活力的清洁能源之一，使用清洁，成本较低，取用不尽。在各类清洁能源开发中，风力发电是技术相对成熟并具有大规模开发和商业开发条件的发电方式。

但是风电属于间歇式能源，在储能技术没有大规模应用之前，风电大规模并网将给电网带来严峻的调峰问题。而且目前大规模风电场适于在我国西北地区布局。

2.1.2光伏

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。

光伏发电过程简单，没有机械转动部件，不消耗燃料，不排放包括温室气体在内的任何物质，无噪声、无污染；太阳能资源分布广泛且取用不尽。光伏与风电相似都是间歇式能源，而且光伏的可利用小时数更低，发电成本更高，同时占用土地面积更大，不适合大规模集中发展，尤其是多山多雨的南方地区。

2.1.3核电

核能发电的能量来自核反应堆中核燃料进行裂变反应所释放的裂变能。裂变反应指铀-235、钚-239等重元素在中子作用下裂变放出中子和大量能量的过程。核能发电与火力发电极其相似，只是以核反应堆及蒸汽发生器来代替火力发电的锅炉，以核裂变能代替矿物燃料的化学能。实现链式反应是核能发电的前提。

核燃料能量密度比化石燃料高数十万倍，故核电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便。一座百万千瓦级的煤电厂每年要消耗约300万吨原煤，而一座同样功率的核电站每年仅需补充约30吨核燃料，后者仅为前者的十万分之一。

核电是对环境影响极小的清洁能源之一，核电厂本身不排放二氧化碳、二氧化硫等大气污染物；核能属于低碳能源，一座百万千瓦级电功率的核电厂，每年可以减少二氧化碳排放600多万吨。因此核能是减排效应最大的能源之一。

2.2电源安全性分析

2.2.1核电安全性

我国政府从核工业发展之始就十分重视核安全，明确制定了“安全第一”的发展方针，保证公众和环境安全不受损害。国家核安全局对民用核设施的核安全进行独立监管，保证了我国核工业事业的蓬勃发展。国务院今年4月召开常务会议要求在严格监管、确保绝对安全的前提下有序发展核电。对经过多年准备和全面评估审查、已纳入国家规划的浙江三门、山东海阳、广东陆丰三个核电新建机组项目予以核准。该措辞可见国家对核安全重视程度。

核电站在设计建造和运行中采用了纵深防御原则，在核裂变产物和环境之间设置了四道非常保险的屏障，只有其中一道屏障完整有效，就不会发生放射性物质外泄事故。通过采取多层次重叠保护的纵深防御，确保反应堆功率能得到有效控制，燃料组件得到充分冷却，放射性物质能有效包容。此外，我国核应急工作实施国家、省市和核电站三级管理体制，实行“常备不懈，积极兼容，统一指挥，大力协同，保护公众，保护环境”的工作方针。随着核电站技术水平、运行水平和政府监管水平的日趋提高，我国未来的核电站将具有更高的安全水平。

2.2.2风电、光伏安全性

如前面所述，清洁能源未来将发展成为我国电力的主要支柱，但由于部分清洁能源存在波动性和随机性，可能对电力系统安全稳定运行带来挑战，具体分析如下。

(1)系统惯量降低，调频能力下降，频率越限风险增加

新能源大规模接入电网，挤占常规机组开机空间，系统转动惯量降低、调频能力下降。导致电网频率变化加快，波动幅度增大，稳态频率偏差增大，越限风险增加。而且新能源尖峰出力功率大、电量小，消纳尖峰出力需要调动巨大的灵活性资源，但对全年新能源发电量贡献却很小。未来电力系统中新能源占比过高，尖峰全额消纳代价较大，因此电网中最好搭配一定比例容量的转动惯量电源。

(2)新能源参与一次调频可改善频率响应特性

新能源发电参与一次调频，可降低稳态频率偏差和暂态最大频率偏差，但因未改善系统惯量，频率变化率未能改善，低惯量系统越限风险仍然存在。通过采用虚拟惯量控制可使新能源提供一定惯量支撑，但由于一次能源输入的可控性差，可能导致频率二次跌落等次生事故。新能源的控制方式、故障穿越策略、接入位置等都会影响系统功角稳定，耦合关系复杂，且可能引入新的稳定内涵，惯量下降导致稳定问题时间尺度缩短，暂态过程加快。新能源大规模接入使功角稳定性复杂，不确定性增加，“预案”式安控策略配置困难，失配风险增大，影响电网安全。

(3)无功支撑不足，电压稳定问题突出

新能源机组动态无功支撑能力较常规电源弱，且新能源发电逐级升压接入电网，与主网的电气距离是常规机组的二到三倍。随着新能源占比快速提高，系统动态无功储备及支撑能力急剧下降，系统电压稳定问题突出。新能源大规模接入导致系统短路容量下降，暂态无功变化量增加，使暂态过电压问题突出，可能超过设备耐受水平，造成新能源大规模脱网或设备损坏。随着新能源装机的增长，以及多种功率调节设备的共同作用，可能出现弱阻尼宽频振荡问题。宽频振荡问题严重危害设备安全和电网安全。并且影响新能源可信容量的确定，增大系统规划难度。

2.3资源占用情况

2.3.1核电

核电站厂址一般选择在地震背景值低、基岩条件好的地区，尽量考虑避开人口密集区域并与之保持一定距离，在5km范围内不应有1万人的人口中心，10km范围内不应有10万人的人口中心。因此，核电站所在区域通常都是未开发的荒山或滨海丘陵，可能会少量占用林地、农田。

据统计，1台百万千瓦级核电机组占地面积约40hm2。若采用直流循环冷却方式，温排水进入海域会造成局部海水温度升高，且4℃温升面积不超过40hm2，影响面积较小。如通过采用二次循环冷却，可进一步降低对海洋生态环境的影响。由于核电厂严格执行节约用地和集约用海政策，用地用海集中，对环境影响为点状分布，影响较小。

2.3.2风电、光伏

百万千瓦规模的光伏发电站用地面积约10000hm2，占用陆地面积巨大，对农业种植和农作物生长影响较大。同等规模风电场用地面积约467hm2，介于核电和光伏之间，陆上风电利用丘陵、山岗等风力集中区域，对局部环境产生一定影响，包括运输道路的植被破坏、风机运行过程中的噪声、电磁影响等，由于风机布置相对分散，对环境的影响呈线状分布，影响范围较大，尤其是对鸟类的迁徙和生境产生一定程度的影响。

3清洁能源发展建议

在碳达峰、碳中和背景下，我国未来将实现清洁低碳能源跨越式发展，同时要确保能源供给和电网运行安全稳定。建议全国各地充分考虑地域能源资源禀赋，因地制宜发展清洁能源。由于风电、光伏等新能源资源存在波动性和随机性，发电设备存在低抗扰性和弱支撑性，长时间、高出力给系统消纳、安全和储能技术带来巨大挑战，因此未来高比例清洁能源电力系统中，必须耦合配套相当规模的核电基荷电源实现功率平衡，以保障能源安全，顺利实现双碳目标。

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