欧洲即将到来的低碳能源之源：融合 | 法国

欧洲下一个低碳能源来源：融合？ 利用核聚变技术大量提供清洁能源一直被视为科学家的梦想。然而，在科技进步和建立低碳、灵活电网的必要性推动下，其发展如今正经历加速，这可能会在中期内彻底改变欧洲能源领域。对于像法国这样的国家，已经选择保留和现代化其核能产业的，现在就必须开始为核聚变在二十年后所能提供的某些承诺做准备。 2023年11月 du monde. 近几个月来，能源市场的波动加剧和地缘政治挑战使得使欧洲在短期内实现向碳中和的过渡更加复杂然而，从长远来看，可再生能源的经济方程式应该能够吸引必要的投资，以实现其部署和加速。 融合是否可能成为促进欧洲电力市场更快实现脱碳、从而预防气候变化影响的一种在技术上是现实且在经济上可行的替代方案？ 欧洲融合的承诺是什么？与替代能源相比，其优势是什么？这项技术的成熟度如何？核能发电如何满足欧盟获得低碳、竞争性、丰富且无污染能源的愿望？在扩展到全球范围内需要哪些投资？在采用《通胀削减法案》的美国背景下，如何确保这些投资的实施？为了使融合技术达到商业规模，还有哪些道路需要探索？ 此外，其他行业能源结构中化石燃料的逐步减少应会推动零碳或低碳电力的需求增加。例如，随着电动车的普及，电力需求应会随着传统燃油车被替代而增长。因此，到2050年，欧洲的电力需求可能会翻倍，以实现净零排放。4为了使每个国家都能实现其脱碳目标，因此这些目标不仅应适用于现有产能，而且还应适用于未来的生产能力。诸如RePowerEU等举措，即欧盟委员会提出的在2030年之前结束对俄罗斯化石燃料的依赖的提案，正在加快欧洲向清洁能源生产的转型。 这些问题是关于聚变技术的基本问题，我们将致力于在报告中回答这些问题。 目前，电力生产代表环境 30%关于CO排放2全球范围内以及欧洲约20%1根据国家存在差异，因为她在德国约占35%2与法国略高10%3为了实现巴黎协定的目标，即到2050年实现全面脱碳，许多国家和公共服务部门致力于减少其电力混合能源中化石能源的比重。《气候一揽子计划》，也称为“适合55”，是欧洲委员会于2021年提出的立法文本集合，旨在到2030年将温室气体排放量比1990年减少55%，并在2050年实现碳中和，鼓励经济脱碳，同时确保碳排放不会转移到其他地区。 来自风力发电和太阳能的可再生能源目前是经济可行的零碳电力生产方式，而且甚至应该被视为即将到来的。到2030年，在大多数市场中，新的生产形式中成本最低的能源随着风力技术、太阳能技术及相关建筑技术的持续进步，短期内清洁能源组合中一个主要的份额很可能会来自于这两种资源。凭借由创新产生的新生产能力，它们将增加贡献，与此同时，水利能源当前占大的份额和生物质能较小的份额也将贡献其中。 然而，尽管它们提供了广阔的前景，这两种技术也有其局限性。由于无法控制，它们的产量受气候波动的影响，并且并不总能与市场能源需求相关联。因此，自2019年以来，甚至在乌克兰冲突开始之前，欧洲出现的能源短缺部分原因可以归因于风速达到历史低点。 必要的融合不会引起CO排放或产生长期废物生产。5最后， 与裂变不同，通过聚变产生的电能不会产生长期放射性废物，也不存在反应堆核心熔毁的风险。此外，由于聚变过程是可控的，这意味着与风能或太阳能不同，它不依赖于环境或外部变量来发电。 在扩大后的欧洲范围内，为了满足短期和中期的基本能源需求和可控能源需求，选择了多种技术。其中包括裂变，这种技术在法国或英国等国家被广泛使用，还有天然气燃烧结合二氧化碳的捕集。 即使聚变反应堆尚未证明其技术可行性——维持反应所需的能量仍高于产生的能量——，过去五年中其发展已经迎来了转折。例如，劳伦斯利弗莫尔国家实验室在2022年12月成功实现了净能量生产。因此，聚变可能在实现2050年碳减排目标中发挥重要作用，并且在欧洲计划设计和相关的过渡投资策略中考虑这一点是相关的。 除了这些来源之外，来自聚变能源可能是一个为电网正常运行提供必要灵活性的替代方案。与通过分裂原子产生能量的裂变不同，聚变是在结合两个原子，通常是氢的同位素时产生能量。释放能量的过程 包围框 哪些措施支持向低碳能源转型？ 最近，美国和欧洲的政府考虑了多种杠杆，旨在支持工业活动的同时促进其去碳化。其中，包括在Covid-19大流行之后的几个复苏计划，例如欧洲“下一代欧盟”复苏计划，该计划专门划拨了一百亿欧元。 在工业脱碳投资方向，通过补贴和贷款的混合方式，或者是美国实施的《通胀削减法案》（IRA），动员的总金额是四倍于之前。关于这一点，将有400亿美元用于支持制造业，2800亿美元用于能源产业。除此之外 大量资金，确保这些资金流向能够大规模生产低碳、无废弃物和价格合理的能源的创新，以保障其发展和部署，将是决定性的。鉴于最近技术取得的进展，聚变无疑会在这些创新中占有一席之地。 以灵活性为核心构建零碳能源网络 尽管如此，假设欧洲通过这些创新能够达到网络的灵活性要求，基本依赖风能或太阳能等可再生能源（其容量因子不超过40%），则需要分配相当于比利时和荷兰面积的陆地用于能源生产，这由于大陆上存在的土地限制而不现实。例如，在法国，由于工业用地稀缺，越来越多地阻碍了新能源项目的开发：到2025年，41%的可用地将饱和，到2030年这一比例将达到93%，目前已有28%的土地饱和。 一个基于间歇性能源的电网需要可调控的灵活生产源来保证在各种气象条件下的供应。事实上，精确匹配风能和太阳能发电供应以适应需求，不能像传统核能或热能那样进行。因此，风能和太阳能被视为可变可再生能源（ERV）来源。 目前有几种方法可以加强灵活性从网络，即管理不可控能源间歇性的能力。实际上，可以通过不同的方式确保供需的实时匹配。首先，核电站和热电站能够提供上下调整，以平滑风能和太阳能生产的波动（然而，热电站必须与CO捕获技术相结合，以保持其长期可行性）。 该赤字主要影响大型项目：不到10%的跨区域组织能够容纳需要超过100公顷土地的项目，而仅需超过50公顷土地的项目也仅有27%。6无清洁能源替代方案可供调节传统可再生能源的间歇性，因此实现脱碳目标受到很大影响。 术语）。输电线路可以在一定程度上实现生产平衡，而在需求管理中实施激励机制也有可能鼓励用户改变消费习惯。电池储能也可以作为一种替代方案，既可以作为发电机（在电池放电时），也可以作为消费点（在充电时）。因此，在这些领域，尤其是储能技术和基于数字解决方案的需求聚合器领域，观察到一波创新浪潮。 欧洲因此必须保留可调控的能源生产，作为可再生能源（ERV）的补充。与传统的解决方案相比，如核裂变——尽管公众讨论仍在继续，但仍然是某些国家的能源政策支柱——或配备CO捕获技术的热电厂，核聚变可能会变得特别有趣。事实上，核聚变确实提供... 许多优势惠及欧洲：在碳排放能源生产之外，根据我们的模型，采用核聚变技术将有助于节约产能（至少400吉瓦），陆地面积（大约相当于比利时面积的一半或法兰西岛面积的一倍半），以及专门用于海洋的区域（大约为英吉利海峡的两倍），同时还能实现巨额节约（超过255,000亿欧元）。 包围框 关于合并的现状？ 关于核聚变能源的研究，也被称为“受控核聚变”，最早可以追溯到20世纪50年代，最初是在一个被列为秘密国防项目的框架内进行的，后来发展成一个国际合作的正式倡议。1958年，在日内瓦举行的第二次联合国国际原子能和平利用会议上，正式提出了这一倡议。核聚变是通过将轻原子，如氢，结合成更重的原子，如氦，来实现的。随之而来的反应释放出大量能量，这些能量随后被反应堆捕获并转化为有用的电能（图1）。 几乎比石油和煤炭燃烧多出近四百万倍的能量7此外，与核裂变不同，核聚变过程不会产生长寿命的废物，也不会引起连锁反应风险，因此不会导致反应堆核心熔化。 27个欧洲联盟成员国，美国，日本。 其他技术，如惰性约束技术，较为新颖，可能会集成到更小型和模块化的装置中。 存在不同类型的融合技术，例如磁约束融合（托卡马克和仿星器）、惯性约束融合以及磁化靶融合。托卡马克，作为研究多年的反应器，如今已成为正在进行的巨型项目如ITER的不可或缺部分。然而，法国承担了在卡达拉什CEA内的这一全球项目的首个示范器的建设，该项目涉及35个国家，其中包括 尽管在过去的几年里取得了重大的科学技术进步，但在反应堆中汇聚触发聚变反应所需温度和压力的条件仍然是一项巨大的挑战。即便这项技术前景看好，到目前为止，还没有任何可商业化的解决方案被考虑。 核融合产生的能量比核裂变高四倍，每千克核燃料。 实验室中最常研究的融合反应是两种氢同位素（H）之间的反应，氘（D）和氚（T）结合形成氦。随后，释放的能量被转换为电能。 氢的同位素，以气体燃料的形式注入到聚变反应堆的内核1 融合，加速发展的趋势 尽管科学已经取得进步，但满足启动反应所需温度和压力的条件仍然是一个规模宏大的科学和技术挑战。因此，经过超过60年的实验，至今尚未设计出可商业化的解决方案。问题的核心在于防止能量逃逸的难度，这涉及到能耗高于产出的情况。此外，这些反应堆特别复杂。它们需要世界上最强大的磁铁，设计特别困难的组件必须能够承受极端温度，以及精度低于毫米级的零件加工，这些零件的直径可达数米。再加上执行大型工业项目时通常遇到的困难，例如示范反应堆的建设既困难又昂贵。 作为零碳电力来源，核聚变能源提供了一系列决定性优势。它完全可控，因此产生的电力是可调度的，具有足够的快速响应能力，能够在实时内缓解可再生能源在电网中的间歇性问题，特别是在可再生能源占比重大甚至占主导地位的电网中。此外，这种燃料对所有国家都是可获取的（核聚变反应所需的氢同位素可以从海水中提取）。8)慢慢注入到反应器中，使反应器核心的爆燃基本上成为不可能。9此外，该合并不会产生CO排放，并且仅产生极少的废物——仅限于 罐体本身水平10与目前的裂变反应堆不同，它不会产生长期放射性废料。 尽管存在这些限制，但有以下几点原因让我们相信，聚变技术的发展正处于一个转折点： 这些优势使得融合成为能源技术的圣杯。因此，在过去五十年中，公共机构对其投入了积极的研发，包括已经实现的项目试点，这些试点项目已经定义了融合所需的必要技术，并取得了技术突破，例如之前提到的劳伦斯利弗莫尔国家实验室的试验。在欧洲，英国的联合欧洲托卡马克（JET）是性能最卓越的托卡马克之一，保持着有功功率的记录，达到了59兆焦耳。德国的文德尔斯坦7-X，于2015年完成，测试了一种创新的新型星体反应堆。最后，在法国卡达拉什正在建设的国际热核聚变实验反应堆（ITER），预计将成为世界上最大的托卡马克，拥有500兆瓦的生产能力，并计划于2030年进行首次测试。 1. 技术的发展使融合能够克服新的障碍。传统计算机计算能力的爆发使融合反应的模拟更加细致，性能预测不再需要依赖大规模实验。实际上，量子计算机的即将到来可能会进一步加快模拟能力。新型的数字控制系统可以降低导致反应堆外能量泄漏的振动。3D打印技术为以低成本生产构成反应器壁的复杂几何形状的部件提供了机会。 期望到2030年代中期能够利用商业核聚变反应堆。同时，大型公共实验室也在努力开发经济可行的核聚变反应堆。例如，英国的STEP计划（由库拉姆核聚变研究中心产生）旨在在2040年前建设一个新的核聚变反应堆。 关于反应堆，并加快设计方面的迭代过程。这些技术进步，以及其他许多，为加速聚变进展创造了条件。 2. 研究融合计划的指导方向已发生显著变化。长期以来，大多数关于核聚变的研究工作都源自于科学性质的实验室，并由公共资金资助。如今，这些研究得到了由私营部门资助的新一波项目的补充。这种演变部分归因于技术进步，这使得私人投资者能够以前所未有的较低风险进行投资。因此，许多初创公司 3. 私人融资显著加速。私人对聚变能源的投资在过去20年急剧增长，2021年其价值几乎翻了两番（见图2）。这种投资增长是由于传统资本基金提供的资金以及其它资金的结合所致。 私人对核聚变能源的投资在过去20年中显著增加，其价值在2021年