未來能源系統什麼樣？在系統中，各種能源品類如何平衡？未來已經顯示出一些端倪，現在的可再生能源、核電、儲能都在迭代，這裡暢想下四代核電、光伏系統在未來能源中的角色，以及各自可以預期的優勢。
【無所不能 文丨張恆】美歐學者預言，一種建立在信息技術和清潔能源相結合基礎上的新一輪革命即將到來。科技革命有兩種驅動：一種是社會需求驅動，一種是知識與技術體系內在的驅動。
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，先進核能等。
什麼，你說踩腳踏車也可以發電點亮燈泡，黑鏡裡面跑跑步機也可以生物能轉電能？額，這是一篇嚴肅的能源策略科普文……
首先看5條關於未來能源的信息和2個重要概念：
未來到2050年，隨著AI技術帶來的社會革命，能源系統的複雜性和智能化會進一步提升；
能源效率對於處理供不應求狀態至關重要；
未來幾十年的能源策略主要還是以化石能源為基荷；
現行的區域優先策略會有所改變，不會繼續現在這樣“一刀切”；
低碳模式將不會僅僅只聯想到可再生綠色能源，我們更多的會開始考慮碳捕捉、能源利用和先進儲能(CC(U)S)等技術落地發展
接下來是世界能源理事會（WEC）提出的兩個能源策略概念：
第一，JAZZ，這個策略相對比較注重能源供給要滿足經濟和個體的發展；
第二，SYMPHONY，這個策略則考慮因素更為複雜，會更兼顧環境、資源與經濟發展的平衡。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展趨勢。
1. 傳統化石能源
毋庸置疑，化石能源在可預見的將來依舊是主要能源。
化石燃料佔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。鑑於人們認為甲烷和其他短期氣候汙染物排放都被嚴重低估，能源生產和使用的排放量佔比可能更大。圖二給出兩種策略對於本世紀中葉化石能源佔比情況。
圖二 本世紀中葉化石能源佔比情況
在低碳發展的大趨勢下，在全球化石燃料消費總量大量減少的趨勢下，電力生產和工業加工的效率將會大幅度提高，同時化石燃料的發展在很大程度上也會依賴於碳捕捉（CCS）技術。
碳捕捉目前被廣泛接受的定義是“一個從工業和能源相關的生產活動中分離二氧化碳，運輸到儲存地點，長期與大氣隔絕的過程”。CCS產業鏈由四部分組成（圖三），通俗而言，CCS就是在二氧化碳排放之前就對其捕捉，然後通過管線或船舶運到封存地，最後壓縮注入地下，達到徹底減排的目的。
圖三 CCS價值鏈各個階段的技術總結
2. 先進核能系統
既然考慮的既然是五十年後，就不談目前火熱的華龍一號，AP1000，EPR等等三代堆系統。主要談一下小型堆系統，四代堆系統中的鉛冷快堆系統。
圖4 核能進化年代預估
模塊化小型壓水反應堆系統（SMR）
興起
近二十年，核電站輸出功率的優化一直是全球核工業的討論話題。分為擴容派與縮容派，前者以AREVA的EPR系列為代表，主張提高堆芯燃料組件數量達到規模效應，而安全性能以增加冗餘作為手段。後者以西屋的AP600為代表，主張系統簡化，降低堆芯功率以提高核電站的經濟性與靈活性。
美國能源部對先進商用小型輕水堆項目有嚴格的時間規定，為2020年左右大規模推廣小型輕水堆鋪平道路。
與此同時，國內核工業大佬，中廣核，中核也相繼確立了SMR在接下來十年的研發商運地位，也都有項目在推進。
安全性
SMR大量採用了安全設計的思路，比如在失水事故的應對上，從原來的“失水－注水”的被動策略向“減小失水”的主動原則。先進小型輕水堆普遍採用一體化主迴路壓力容器結構，取消了主迴路各主管道，從根本上消除了由於一回路主管道斷裂造成的大破口失水事故；其次大量採用非能動安全設計，通過多種自然循環系統，轉移堆芯餘熱，有效地降低了失水事故後堆芯溫升程度和堆芯裸露的可能性。
在長期冷卻策略上，先進小型壓水堆全面採用非能動安全系統，而且系統熱阱餘量很大，可以在全廠斷電的情況下獨立工作一個星期以上。因此，先進小型輕水堆的安全性比第三代輕水堆（AP1000、EPR等）有了指數級的提高（見表1）。
表1 先進小型輕水堆安全性能的改進
發展設想：
SMR&分佈式能源系統，漸行漸近。
分佈式能源系統是直接面向用戶，按用戶的需求就地生產並供應能量，具有多種功能，可滿足多重目標的中、小型能量轉換利用系統。在分佈式能源即將迎來大發展背景下，SMR供電系統必然會在50年後的偏遠地區，海上工作平臺等大電網觸角無法企及的孤島小電網架構之上找到自己存在的合理性。
第四代反應堆系統
在可預見的將來，第四代反應堆系統（Gen IV），也包括鉛冷快堆系統，是會一統核能天下的。表二介紹GIF力推的六種GENIV。其特點無非是固有安全性、經濟性和燃料利用可持續性。
表2 GIF六種GEN IV
鉛冷快堆系統（LFR）採用液態鉛作為主冷卻劑以期提高核島安全性和增殖鈾轉換其快中子譜，考慮燃料閉式循環，採用長壽期堆芯以提升電廠經濟性能；設計堆內自然循環以提高其餘熱排出能力；反應堆本體採用池式結構以提高其抗震能力。
主要特點
使用緊湊的、容器內的蒸汽發生器（SG）和所有堆內構件都可拆出的簡單主迴路，從而降低施工難度，提高施工速度。同時，採用池式反應堆結構設計，可以提高堆本體抗震能力。
圖5 鉛冷快堆系統ELSY的堆本體設計示意圖
在惰性氣體的保護下進行堆芯燃料操作，提高操作安全性；
堆內SG拋棄傳統U型管設計採用新型螺旋式設計，以提高換熱能力和達到堆內自然循環目的。
鉛作為一種高沸點冷卻劑所帶來的協調作用，不可低估：中子經濟、低壓系 統，安全、簡化、經濟、防擴散能力等。在ADS研究中發現鉛具有吸附和抑制裂變產物、特別是某些易揮發裂變產物的能力，可將核電廠對外環境的影響降到最小，從基本上消除核電廠場外應急的需要。
鉛的對外部環境、工業基礎條件和技術要求有更廣泛的適應性。目前核電選址在考慮地址的時候，第一步就是調出此地所有記錄，比如縣誌之類的老古董來看，是不是在某年某月的某一天發生過重大自然災害之類的，為何？因為現在核電廠很脆弱！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年後的將來，鉛冷系統能讓核電廠更剛強。
3.光伏系統
可再生能源還有風能，這裡只介紹光伏系統。
這裡說的是光伏系統，是五十年後的光伏。五十年後的光伏應該是一個系統，是光伏發電系統+儲能系統+孤島電網組成的分佈式能源系統。
前幾年不敢講這個思路。當時太陽能薄膜電池材料就3萬1克，現在已經降到四位數。分佈式能源、微電網也已經逐漸規範，並大力推廣。
可能五十年後電池儲能不是目前的鋰電池鎳電池、鐵基電池，但是必定可以調和光伏系統晚上無法供電的尷尬，山區人民晚上也挖個礦什麼的。
作者未來，光伏發電效率和經濟性提高，尋常山區百姓家組一個光伏孤島系統的經濟壓力就跟安一個電視天線相當；儲能系統（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，孤島電網也可以接入大電網系統（你要是問怎麼接入，說不定無線傳輸實現了呢），就是貴一點，但是可以保證基本用電需求，不至於黑燈瞎火洗涼水澡或者感冒了沒有開水喝即可。
最後貼一張19世紀初人類尋求利用太陽能的古樸圖片，現今人類正站在技術革命的漆黑黎明守望浩瀚的星空，堅持一下，就是豔陽。
這是一個最好的時代。
【無所不能特約作者，張恆，中國科學技術大學核科學與技術專業在讀博士】
文章僅代表作者觀點，不代表無所不能立場
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