核谬误:为什么小型模块化反应堆无法与可再生能源竞争

我最近与 Bent Flyvbjerg(Linkedin、Twitter)讨论的主题之一,可能是研究大型项目失败和成功的全球领先学者,曾为 100 多个耗资超过 10 亿美元的项目提供咨询,他讨论的主题之一是扩展模块化的优化.讨论点是关于小型模块化核反应堆与风能和太阳能的对比。

下图来自 Flyvbjerg 即将出版的书,与 Dan Gardner 合着, How Big Things Get Done: The Surprising Factors That Determine the Fate of Every Project,from Home Renovations to Space Exploration and Everything In Between (强烈推荐给能源开发商,机构投资者和政策制定者)。它由 Flyvbjerg 和他的团队收集到他们的大型项目数据集中的 16,000 个项目组成。黑色垂直线是通常按时和按预算交付的项目与通常不按时和按预算交付的项目之间的分界线,极端显示哪些项目最好(太阳能和风力发电建设)和最差(核能和奥运会) .

核谬误:为什么小型模块化反应堆无法与可再生能源竞争

符合时间、预算和收益预期的项目类别与不符合预期的项目类别的图片,来自 Bent Flyvbjerg 和 Dan Gardner 的How Big Things Get Done

这当然是小型模块化反应堆 (SMRS) 试图解决的问题:核项目超出预算和进度,尤其是近几十年来在西方。

正如我对 Flyvbjerg 所说,GW 级核电项目在某些条件下可以取得合理的结果,但很难实现。这些条件是一个主要管辖区必须致力于将核能发电作为一项国家战略,通常与核武器保持一致。该国必须承诺建造数十座反应堆。他们必须在 30 年或更短的时间内将它们建成。他们必须在每个反应堆中使用相同的技术,没有定制的工程或创新。

这种情况的结合在美国、法国和韩国短暂存在,然后逐渐消失。他们避免了与核能发电“创新”相关的肥尾风险,避免了定制工程,允许通过行贿基金等轻松进行预算管理,超越国家层面的地方关注和监管差异,在不同地点分享经验教训,以及创建非常熟练、经过认证且通过安全检查的建筑大师和施工团队,他们知道如何快速建造反应堆。以合理的成本合理快速地建造核能是可能的,只是可能性极小。 Flyvbjerg 的核项目数据(包括美国、法国和韩国的部署)表明,要取得好的结果仍然比仅仅建设风能和太阳能要困难得多。

在“2000 年代的核复兴”期间,该行业尝试使用 AP1000 系列进行标准化。它应该做大部分小型模块化反应堆应该做的事情。它应该是标准化的,具有可以运送到现场并组装的可制造组件,并且是被动安全的。使用 AP1000 的项目示例包括 Summers 和 Vogtle 电厂,这两个电厂都大大超出了预算和进度,其中一个被彻底摧毁,另一个在未来一两年内蹒跚而行,可能并网。 AP1000 的失败是导致东芝西屋公司破产并随后被布鲁克菲尔德收购以获得退役收入的促成因素之一。

当时,许多不了解模块化、并行化、可制造性和全球供应链的能源分析师并不清楚风能和太阳能价格会暴跌。更多的人并不清楚它们不会影响电网可靠性。好吧,这方面的数据就在其中。风能和太阳能的成本大幅下降,可再生能源渗透率更高的电网实际上比使用行业标准指标衡量每位客户每年停电的煤炭、天然气或核能重型电网更可靠。例如,德国和丹麦每年有一半或更多的电力来自可再生能源,每位客户每年平均停电约 13 分钟,而邻国、以核能为主的法国为一个多小时,美国和加拿大为两个小时,而煤炭重地波兰则需要四个小时。

顺便说一句,这并不是因为可再生能源有魔力,只是具有前瞻性思维的电网战略家和管理人员倾向于支持可再生能源,并建立可靠的电网和市场,使其运行良好。哦,而且德国的批发电价是欧洲最低的,所以不要以为这要花很多钱。

小型模块化反应堆是核工业的下一个大希望,因为任何政府都无法再获得建造数十个 GW 级反应堆的授权。他们一直在关注 Hinkley、Flamanville 和其他 EPR 站点等示例,福岛对日本经济造成近万亿美元的影响,以及不断攀升的价格标签和核退役持续时间,然后研究风能和太阳能的可靠可靠性和低价格和困难,即使在最拥护核武器的国家,也很难为有效的方法获得足够的政治支持。因此,偶尔亮起绿灯的反应堆不可避免地是一个失败和麻烦的项目,导致非常高的批发成本电力。

SMR 的承诺是它们将成为标准化的小型反应堆,可以在中心位置制造、运送到现场并在现场组装。没有定制工程。这有一些优点,但如前所述,这主要也是 AP1000 的承诺。唯一不同的想法是每个反应堆比 AP1000 小得多,从 50-300 兆瓦而不是 1000 兆瓦。

我公开了我对 SMR 的看法,而且我的评估得到了全球的惊人关注。 CleanTechnica中的原始文章已在 Illuminem 中更新,发表在(次要、低影响因子)同行评审期刊中,包含在德国清洁技术工程教科书系列中,并成为全球数百人辩论的基础机构投资者以及 SMR 倡导者和分析师 Kirsty Gogan Alexander。我对 SMR 得出了什么结论?

“小型模块化反应堆不会实现制造规模经济,不会更快建造,放弃垂直缩放的效率,不会更便宜,不适合偏远或棕地煤场,仍然面临非常大的安全成本,退役的成本仍然很高且速度很慢,并且仍然需要责任保险上限。他们并没有解决他们声称要解决的任何问题,同时故意选择比他们可能的效率低。它们从 1950 年代就存在了,现在并没有比以前好多少。”

我在本周讨论中与 Flyvbjerg 取笑的部分是他们“放弃了垂直缩放的效率”。那是什么意思?

好吧,像煤炭或核能这样的热力发电喜欢大锅炉。这与必须尽可能靠近球体并尽可能大的液态氢存储相反,大球体的热效率更好,因为它可以在最大化体积的同时最小化表面积。想要热效率?放大。

核工业了解到,在 1950 年代和 60 年代,美国从核动力潜艇和航空母舰上移植压水堆 (PWR) 成为商业发电设施。潜艇和航母的经济性与发电的经济性有很大不同,而具有军方喜欢的许多好处的非常昂贵的电力实在是太贵了。因此,他们从 1960 年代开始扩大规模,直到 1970 年代和 80 年代徘徊在 GW 左右,这主要是全球标准。顺便说一句,印度有点落后于这一曲线,因为他们在 2000 年左右之前一直在建造 300 兆瓦的 Candus,但他们的新工厂也是 GW 规模的。

所以热效率的物理学很重要。模块化和可制造性也是如此。 SMR 公司正试图找出一条优化曲线,其中一些变得很小,而其他公司,如 Gate 的 Terrapower 突然设计出 GW 级工厂,这意味着它根本不是 SMR。

正如我对 Flyvbjerg 所说,风力涡轮机和太阳能电池板的例子在这方面很有启发性。它们都很好地满足了物理学的要求。

从风能开始,随着时间的推移,风力涡轮机变得越来越大,越来越大。 Innwind 项目花了很长时间和大量的脑力来研究如何克服将风力涡轮机扩展到每个 2o MW 的工程困难。目前,陆上涡轮机比这小得多,铭牌容量平均约为 2.6 兆瓦,不是因为这是发电的最佳尺寸,而是因为我们无法将大型涡轮机的桅杆、机舱和叶片运送到现场。陆上限制纯粹是运输物流。

在海上,大部分限制都被取消了,因为他们可以在海边制造涡轮机,把它们放在大船上,然后直接把它们运到风电场所在地,而不用担心沿途的桥梁或尖角等小事。

因此,在这两种情况下,由于后勤或工程限制,风力涡轮机都已按比例放大到最大尺寸。叶片更长,离地更远,针对发电形式的物理和经济学进行了优化。正如 Flyvbjerg 所讨论的那样,由于安装了成百上千个相同的风力涡轮机,并在现场组装了四个主要部件,因此执行大规模自动化以加快该过程。

从物理角度来看,太阳能电池板的运行方式不同。太阳能电池板实际上是由一堆电池组成的。由于物理原因,这些电池在较小时实际上效率更高,但它们在工厂中组装成更大的面板,这些面板的尺寸方便地放入运输容器中,并由一两个非熟练工人处理。

这两个例子都很有启发性。风力发电遇到了工程和物流方面的限制,但太阳能显然没有。除其他事项外,自 1950 年代以来通过海运和地面运输传播的大规模集装箱化使太阳能电池板有了优势,而必须为风力涡轮机建造定制的海运和地面车辆。

但在这两种情况下,风能和太阳能都可以按发电形式的物理学非常有效的规模制造。 2.6 兆瓦的风力涡轮机已经以贝茨定律的 95% 运行。太阳能电池板是如此便宜的商品,它们不必比现在更高效,尽管很多钱都花在试图多挣一点钱上,因为当你交付数十亿的东西时,1% 的效率增益会变成很多电。

SMR 有意回到 1950 年代和 1960 年代的较小规模,这些规模被尝试并被放弃,因为即使使用来自潜艇和航母的标准化反应堆,它们在那个规模上也不经济,没有任何安全法规可言,没有福岛核电站或后视镜中的切尔诺贝利核事故,以及以核能为重点的国家战略,与美国的核武器计划保持一致。

请注意,SMR 对 Flyvbjerg 数据集中绝对最坏的项目案例——核废料储存设施——没有任何作用。

SMR 社区或任何公司能否找到物理与模块化曲线上的优化点?我不这么认为。与此同时,风能和太阳能在建设中几乎没有肥尾风险,每年在全球范围内生产数十万或数千万件,拥有完整的全球供应链,拥有建筑大师和技术工人,非常便宜,并且在可靠的基础上完全可靠大规模渗透的管理良好的网格。我认为核工业没有赶上的希望。

来源:CleanTechnic

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