[论文解读] Flexible nuclear power and fluctuating renewables? -- A techno-economic analysis for decarbonized energy systems

Leonard Göke, Alexander Wimmers+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2023

Integrated Energy Systems Optimization被引用 7

一句话总结

本文利用详细的能源系统模型，开展技术经济分析，评估核电在脱碳化欧洲电力系统中的作用。尽管其具有可调度性且能源潜力高，但研究发现，即使在乐观的成本假设下（建设成本为4,000欧元/千瓦，建设时间少于10年），核电在成本效率方面的占比也仅为约10%，而电网灵活性、储能和灵活需求则是整合波动性风电和光伏发电的更高效替代方案。

ABSTRACT

Many governments are considering constructing new nuclear power plants to support the decarbonization of the energy system. On the one hand, dispatchable nuclear plants can complement fluctuating generation from wind and PV. On the other hand, escalating construction costs and times raise economic concerns. In this paper, we extensively review construction costs and times. On this basis, we apply a detailed multi-vector energy model to analyze the cost-efficient share of nuclear power in fully decarbonized energy systems, i.e., energy systems that do not utilize any fossil fuels. Our analysis finds that even if, reversing the historical trend, overnight construction costs of nuclear half to 4,000 US-$2018 per kW and construction times remain below ten years, the cost-efficient share of nuclear power in European electricity generation is only around 10%. The analysis still omits the social costs of nuclear power, such as the risk of accidents or waste management. Nuclear plants must operate inflexibly and at capacity factors close to 90% to recover their investment costs, implying that operational flexibility-even if technically possible-is not economically viable. As a result, grid infrastructure, flexible demand in multi-energy systems, and storage are more efficient options for integrating fluctuating wind and photovoltaic generation.

研究动机与目标

• 在现实的成本和时间假设下，评估核电在脱碳化能源系统中的经济效率。
• 评估核电是否能高效地与欧洲波动性风电和光伏发电相辅相成。
• 将核电与跨区电力互换、储能和灵活需求等其他灵活性选项进行比较。
• 确定在成本最小化、脱碳化的能源系统中，核电的最佳占比。

提出的方法

• 使用综合能源系统模型，模拟欧洲高比例风电和光伏的脱碳化电力系统。
• 基于经合组织国家的预测和实际建设成本，计算核电的平准化电力成本（LCOE）。
• 模型涵盖所有主要灵活性选项：跨区输电、灵活需求（如电解槽、电动汽车）以及储能（包括通过合成燃料实现的季节性储能）。
• 对核电建设成本（2,000–4,000欧元/千瓦）和建设时间（少于10年）进行敏感性分析，以评估其成本效率。
• 模型在满足交通、供暖和工业部门最终能源需求的前提下，优化能源系统以实现最低系统成本。
• 分析中未包含核电的社会成本（如废物管理、事故风险），在成本评估中对核电有利。

Figure 2: Overview of model structure

实验结果

研究问题

• RQ1 在现实建设成本和时间假设下，核电在脱碳化欧洲电力系统中的成本效率占比是多少？
• RQ2 在整合波动性风电和光伏发电方面，核电与电网互联、储能和灵活需求等其他灵活性选项相比，其经济表现如何？
• RQ3 核电在满足脱碳化供暖、交通和工业部门不断增长的电力需求方面，能发挥多大程度的贡献？
• RQ4 高昂的资本成本和漫长的建设时间如何影响新建核电站相对于可再生能源和储能的经济可行性？

主要发现

• 即使在乐观假设下——即建设成本为4,000欧元/千瓦，建设时间少于10年——核电在欧洲电力生产中的成本效率占比也仅为约10%。
• 核电站必须以接近90%的利用率运行，才能回收投资成本，表明其必须以缺乏灵活性的方式运行，这限制了其提供灵活性的能力。
• 电网基础设施、灵活需求（如电解槽、电动汽车）以及储能技术，在管理风电和光伏发电的剩余负荷方面，比核电更具成本效率。
• 模型显示，高核电占比的系统（如52%）需要显著更多的热力发电来满足剩余负荷，而无核电的系统则依赖需求响应和储能来平衡供需。
• 灵活需求和跨区电力互换的引入可降低对热力备用的需求，从而降低整体系统成本，使其在灵活性方面优于核电。
• 分析表明，即使在有利的成本假设下，核电也并非脱碳化的最经济高效选择，尤其与储能和需求侧解决方案相比。

Figure 3: Technologies for electricity supply