16-大基建系统工程与数字孪生全攻略 | 碳中和与SMR的未来

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▲16-大基建系统工程与数字孪生全攻略 | 碳中和与SMR的未来

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本系列文章将致力于阐述系统工程与数字孪生在大型基础设施数字化转型中的应用与实践。笔者核电人出身，故文章逻辑与案例将以核工业作为牵引，用来阐述广义上大基建行业数字化转型与传统制造业的区别，以及其价值（Why）、工作内容（What）、解决方案（How）与实施方法（How to）。

关键词

WHY – 为什么做

如今全球各国已承认气候变化是“对人类最具系统性的威胁（The Most Systemic Threat to Humankind）”，中国于是宣布大国承诺：2030“碳达峰”、2060“碳中和”。

在随后轰轰烈烈“运动式”可再生能源抢装潮的同一时刻，我国自2020年入冬以来广东、广西、湖南等多个大省却发生了“拉闸限电”，工厂停工、居民用电受限（至截稿日“电荒”愈演愈烈，范围扩散至东三省、山东、江苏等），2021年又发生了煤炭消耗逆势大涨的魔幻场景（至截稿日电煤价格刷新历史新高、且供应极度紧缺）。

某些可再生能源在优势宣传和资本加持下迅猛扩张，同时也掩盖了其背后的风险和不足，如涡流噪音残害鸟类、报废材料处理（填埋或焚烧不可降解的玻璃钢叶片、含致癌物碲化镉的薄膜）、占地空间巨量、波动性和间歇性、电网改造成本、以及最避重就轻的：大规模储能技术的局限。离开储能的某些可再生能源就成了“随机型发电”，只能依靠“祭风伯”和“挂晴天娃娃”，但算上储能的话成本也就没什么优势了。

自1859年（清朝咸丰年间）人类发明铅酸电池，从90Wh/L提高到如今最先进的锂电池260Wh/L，150多年间其能量密度也就翻了2倍，并没有如芯片界摩尔定律般的革命性提升。当今的储能很适合消费端和通勤载具（长距离出行尚且不易），却很难“魔法般”地替代大电网。同时电池自身有着上游原材料稀有金属价格波动的风险、矿场开采的生态威胁、运行与续航时间太短、以及下游分布在大地上不计其数的待回收电池的重金属泄露风险（国家极谨慎对待梯次利用储能的主要原因）。

中国作为拥有近14亿人口的工业大国，其基荷能源的形态一定是稳定、高效、低碳、且可控的，能源供应绝不会随意受到天气、气候、乃至昼夜的影响。随着逐年扩大的超级城市群（大湾区、长三角、成渝等）和大型工业区，基于“底线思维”也不宜完全押注尚在探索、前景不明的储能技术上。最后，某些可再生能源会占用巨量的土地和空间资源，届时我们奋斗多年的“绿水青山”、“椰林树影”将会被密密麻麻的工业视觉污染所侵占。

数据来源：DECC-英国能源及气候变化部（BEIS-英国商业、能源及产业战略部）

WHAT – 做什么

SMR，即Small Modular Reactor - 小型模块化反应堆，单机容量通常小于300MW，其优势体现在初期投资少、选址更容易、工厂标准化预制和运输、模块化可拓展性（Scalability）、可并行批量建设、可热电联产、安全性提升、以及成本更低。

在碳中和的大背景下，虽然世界各国都在高呼发展可再生能源，但同时却“身体诚实”地平行大规模投资SMR。美国（NuScale）、俄罗斯（BREST）、阿根廷（CAREM）、韩国（SMART）、英国、加拿大、以及中国（玲珑一号）都已决定在未来五到十年间建设SMR新堆型。

图片来源：IAEA – ARIS国际先进堆型报告2020

尤其经历了德州大停电后，美国能源部（DOE）出资39亿美元给先进反应堆示范计划（ARDP）、以及14亿美元给纽斯凯尔电力公司（NuScale Power）分摊其SMR的建设成本，并会逐年增资。

比尔盖茨创立的泰拉能源（TerraPower）联合沃伦巴菲特的太平洋电力公司（PacifiCorp）将共同斥资10亿美元，在怀俄明州建造熔盐热储能型钠冷快中子小型堆（Natrium）。这两位“先知级”的科技巨头和投资大佬并没有选择如火如荼的可再生能源，而选择“偏冷门”又不那么受“热钱”青睐的核能，相信别有深意。

图片来源：Reuters路透社

核能作为典型的零排放清洁能源，材料消耗少、容量因子高，在未来必将填补化石发电退役所造成的电力空缺，成为我国电力安全的“压舱石”。然而在国际上由于目前上世纪六、七十年代第二代核电设计理念的不完善，在如今运行超过半寿期的时间点上状况频出。尤其是日本福岛核事故之后，全球都在通过技术升级来提高核电的安全系数，而安全系数每提高一点，核电的总成本就会随之增加。