项目 - 百万立方

能源2 细节（合理性）

一、能源生成

核电站的设计参考中国建设小型核电站“玲龙一号”的“核电宝”理念、日本东芝公司设计的MoveluX的运行模式。

由于本世界规模很小，所以使用小型核电站。反应堆设两个，以保证在其中一个核反应堆出现故障时另一个反应堆能够正常运作。反应堆类型采用水冷堆or 钠冷堆。100年所需要使用的燃料将会携带过去，因为确实不多。

为保证合理性，海底小纵队所采用的核电站功率数据是国际原子能机构上有记录的功率最小的核电站数据，功率更小的核反应堆基本都是实验堆，不能保证商业化运行。但是，即使是功率最小的核电站，如果令其全天候发电，也会使能源指标超标；间断地进行满功率运行是不合理的，因为核电站的启动往往需要一周甚至更长时间，非常麻烦；不能只用低功率模式提供能量，核电站不能过长时间以低功率运作，否则可能会导致安全问题。大亚湾核电站的长时间低功率运行模式（ELPO）仅能持续12h以下，也可以说明这一点。因此，海底小纵队设计了集中发电、氢能存储的核能发电模式。具体运算结果显示发出一年所需要的电量所需要的发电天数略小于两个月。考虑到农业区的温室需求和居民区的供暖需求，核电站在冬季最寒冷的两个月时间进入全功率全天工作状态，在生产全年所需核电的同时给农业区和居民区保证供暖。（当然并不是说核电站结束全天工作状态之后就没法供暖了，只是在需求量最大的时候可以实现热电联供，使得运作效率更高）。在该全功率运行期间，发出的多余电量用氢能的形式存储。

达到使用寿命之后，核电站由工业区负责回收和重新建造。预计需要重新建造一次。

接下来是海水淡化部分。由于一年所需要的淡水的体积在400,000m³左右，不可能全部在热电联供期间生产，因为没有这么大的存储空间。蓄水空间建设在能源区下方，体积约为35,000m³；在热电联供期间，将蓄水池充满之后不再制造淡水。由于35,000m³的淡水大约够用一个月，所以在非热电联供期间，每隔一个月左右，核电站将以低功率纯供热的形式运行一次，保证淡水的供应。

接下来是核燃料的处理部分。先来看看核废料处理得到的结果，这可以用法国的数据来说明。根据法国的核废料数据，法国每人每年制造的核废料为2kg，这个数据不仅包括核电站，还包括非核工业、医疗、科学研究等。而在海底小纵队，可以认为只有核电站才制造核废料，故将该数据估计为1kg。其中，96%的废料可以被回收，剩余的4%不能。回收的废料发电可以占到总电量的10%左右，这部分姑且不计算。剩余的4%经过乏燃料后处理进行填埋，沉入海底。

再来看看处理的可行性。预计使用闭式燃料循环的策略处理乏燃料，以达到减少核废料和重新回收部分核燃料的结果。乏燃料分离-嬗变采用加速器驱动次临界系统（Accelerator driven sub-critical system (ADS)），可以将高放废料的半衰期从几十万年减少至几百年。而关于这一技术的可实现性，已经有实验做出验证：2016年12月23日10点17分，我国首座铅基核反应堆零功率装置启明星Ⅱ号首次实现临界，该装置属于ADS系统。基于这一实验，有理由认为在海底小纵队的小规模核电中可以实现该种回收手段。但是，该部分占用的空间无法进行验证与计算。由于每人每年生产出的核废料约为1kg，所以一年的总处理量不会超过400kg，处理量应该不算大；因此，占用的体积应该也不大。所以，该部分体积不另行计算，归入能源区空余的体积中。

再下来是核能供暖的部分。利用核电站冷却用水降温至合适的温度之后，把热水通过管道输往农业区和居住区。在热水输送到相应地点后，再进行热交换，完成输热的功能。由于秦山核电已经有核电输热的先例，而且输送距离比海底小纵队来的长，所以输热具有可行性。

相关数据与计算：

总功功率：10MW

电功率：3.5MW

寿命：40a（估计）

热量蒸馏的效率：50%（估计）

产生1立方淡水所需要的热量：10kWh

占用空间：～150,000m³+30,000m³（蓄水池）

在热电联供期间，核电的总需求量为365.73wkWh。以电功率计，所需的运行时间为36,573/35=1,044.92h=43.5天。这是在满功率条件下计算得出的数据，而核电站在启动和关停阶段功率低于满功率，所以总计时间还会更长一些，估计为50天左右。

根据国家统计局网站数据，人均用水量为430.8m³/年，总需水量为430.8*734=316,207.2m³/年。

体积的计算参考中国建设“玲龙一号”的数据。由于“玲龙一号”的输出电功率为12.5MW，远比这里设计要高，所以所设计的核电站的体积肯定不会超过“玲龙一号”的体积。而清华大学核研院早期就已经设计过比这更小的反应堆，并且被认为是海水淡化的良好堆型，所以该规模的核电站是有建设可行性的。

根据“华龙一号”纪录片的介绍和图片，“华龙一号”的穹顶直径为46.8m，根据图片估测柱体的高度约为60m。所以“华龙一号”一个堆的体积为

3.14*23.4²*60+1/2*1/6*3.14*46.8³m³=129,982m³。

算上其他附加设施（包括海水淡化设施），将这个体积扩大五倍，为129,982*5m³=649,910m³.

根据中国能源局数据，“玲龙一号”占地面积为“华龙一号”的1/3，按照数学原理，“玲龙一号”的体积应该是“华龙一号”的1.732/9=0.192倍。所以该核电站的体积为649,910*0.192m³=124,782.72m³.

留下充足的空间以及为了计算方便，将能源区用地保留为150,000m³左右。

②太阳能

烟台地区太阳能相对充沛，全年太阳辐射量排列山东省第二位。考虑到太阳能发电总量并不高，本世界将光伏发电作为辅助能源。

光伏电站采用GaAs（6结）材料，其转化效率高，可以达到42.4%。光伏电站的输出电与AEM Electrolysers（见下文）对接，使其转化为氢。氢通过小型氢气压缩机压缩成70MPa的高压氢，储存到每个光伏区域附近的模块化储氢设备（见下文）中。这些较少量的氢气可以供附近随时取用。

光伏电站一个月维护一次，每隔半年至一年将有较大规模的检修（详见参考资料）。

光伏电池板的预期寿命为20年左右，但在超过预期寿命后，光伏电池板仍然可以工作，只是效率有所衰减，且在30年之后发电效率的衰减率最多不超过20%，这对于辅助性的能源而言不会有很大的问题。在光伏电池板达到使用年限（预计30年）后，光伏电池板将被回收，其中95%的成分将被有效回收利用。回收所得到的玻璃和废金属等将流入作为工业原料进行再生产。由于光伏电池板的寿命不足100年，将采用携带2～3批电池板or就地进行制造的方式进行延续（待定）。

GHI的数据从solargis上获取。由于预定的铺设面积是3000m²，折合成边长不到60m的正方形区域，所以面积并不大，通过在建筑物的顶部铺设完全可以做到水平覆盖，因此数据不会因为太阳能板倾斜而偏小。相反，由于可以根据纬度铺设太阳能板，所获得的太阳辐射可能还会更多。

相关数据与计算：

材料：GaAs（6结）光伏电池

转化效率：42.4%；

GHI（水平总辐射）：4.057kWh/（m²·天）

使用预计寿命：20～25a

预计发电面积：3000m²

每年产出能量：4.057*365*3000*0.424=1,883,583.96kWh=188.36wkWh.

③海流能

烟台近海有海流经过，虽然流速不大，但是达到了可以利用的程度。根据查找论文（王军,于华明,蔡德泉. 我国海流能量分布研究以及海流发电设计方案建议[J]. 科技风,2013(1).），

在老铁山水道、成山角附近为黄海西部强流区，分布有黄海暖流及其余脉；烟台位于这两个地点之间，推断在该地也分布有可利用的海流。根据论文中给出的数据，在黄海西部强流区能够的洋流速度至少可以达到1.5m/s，超过了1m/s的可利用标准。

海流发电采用海底风车的形式。海流发电机采用SEMIC Atlantis Energy生产的SeaGen-S。该发电机外形和水平轴风电机基本一致，依靠底座重量沉在海底区域，洋流经过时可以发电。由于转速很慢（4～11.5RPM），对海底生物基本没有影响。发电产生的电量依靠如图的海底电缆输送回能源区，再转化成氢能。

相关数据与计算：

更多数据请空降https://simecatlantis.com/services/turbines/，网页上有pdf，在文末也附有链接。这里仅截取需要计算的数据。

寿命：25a

额定功率：2000kW at 2.5m/s

在这里，洋流速度取1.5m/s计算。洋流不一定全年都很稳定，有时候可能相对偏小，有时候也偏大，但是黄海海域检测到的最大海流速度为4.8m/s，由此估计烟台附近的海流速度不会超过SeaGen-S的最大限制速度。在此基础上，估计流速的波动可以相互抵消，全天候都按这个数据计算。在网页提供的pdf上，有不同流速下对应的功率。取1.5m/s对应的坐标（1.5m/s，443.45kW）。所以可计算出全年的发电量。

每年产出能量：443.45*24*365=3,884,622kWh=388.46wkWh.

④风能

烟台临海，风能资源丰富，可以加以利用。本世界使用垂直轴风力发电机，用磁悬浮发电机设计减小阻力进行发电供电。垂直轴风力发电机噪音小，启动风速低（2.5m/s即可启动发电），可作为辅助性能源。另外，在烟台市附近曾经建有长岛发电站（现已拆除），也可以证明烟台地区可以建设风电项目。

风电机的供能、维护、回收和更换模式均与光伏电站相同。

垂直轴风电机的数据规格可以参考阿里某厂家（见参考资料）。由于采用的是小型风电机，并没有架得很高，所以认为高度在25m左右比较合适（拍脑袋）。用Global Wind Atlas查出烟台地区的风能数据，用第十八次课的课件里的公式将50m处的数据换算为25m处的数据。然后，烟台地理位置接近于辽东半岛，属于课件里风能利用的第三梯队；由于垂直轴风电机的启动速度低，3m/s以上的风肯定都能利用，所以估计利用时间为6000h。由此可以计算出相应的数据。

相关数据与计算：

50m处的功率密度：371W/m²

风叶直径：4m

风叶高度：5.6m

年利用时间：6000h

预计寿命：30a

利用效率：45%

预计安装总台数：50台

由于功率近似正比于速度的三次方，由速度的换算公式可以求得25m处的功率密度250.51W/m².单台风机的迎风面积5.6*4=22.4m².可以计算得全年的发电量为168.34wkWh。再计入利用效率，一年提供的能量为75.75wkWh。

二、能源运输与储存

由于海底小纵队根据核能高密度的特性采用了一年集中在两个时间段发电的策略，所以需要有相应的储存措施。具体的储存策略是：将集中发电所产生电能转化成氢能，进行模块化的集中存储，存储场所设在核电站旁边。这些储氢的模块借助工业区的运输系统运往城区，并根据不同区域组合成不同容量的模块，转化成电（或者直接燃烧，比如做饭烧氢）进行使用。其他新能源区域（如光伏电站、风电等）产生的小规模能量也将借由分散的制氢模块转化为氢能，并供给城区使用。这样，氢能储存装置不仅能解决核电问题，也能实现调峰的功能。

合理性论证涉及到两个方面：一是如何将电能转化成氢能，二是模块化的储氢如何实现。下文根据这两个方面进行展开。

（1）制氢

海底小纵队使用的制氢方式为Enapter公司设计生产的AEM Electrolysers（EL 2.1）与AEM Multicore，属于碱性阴离子交换膜制氢。具体数据见参考资料中的网址。从网站介绍中可知，AEM Electrolysers单个模块的规格只有一个手提箱大小，但是可以进行灵活组合以进行更大规模的制氢；许多EL 2.1的核心电解槽经过集成和改装可以形成AEM Multicore，其能够接受的电功率可以达到MW级，正好是海底小纵队所使用的核电站的满功率的数量级，因此只要数个AEM Multicore就可以将核电站输出的电全部转换成氢。而在集中发电时间过去之后，AEM Multicore又可以拆分成AEM Electrolysers，可以运送到新能源发电区进行制氢，并通过微型氢气压缩机压进钢瓶进行存储（储氢部分会有详细论述）。这样，就能够完成全部制氢过程。

具体计算：

①寿命：在Enapter给出的AEM Multicore工作寿命为>35,000h。而每年，核电站工作的实际天数折合为74天或者更少，所以AEM Multicore一年的工作时间为<74*24=1,776h，100年的总工作时间为17,760h，所以其工作寿命能够支持其度过100年。当然，在新能源转化成氢的过程中也会产生一定损耗。但是由于新能源的规模小，只需要AEM Electrolysers进行运作，并且总工作时间17,760h基本只有工作寿命的一半，故可以估计即使算上这一部分的损耗也是没有问题的。考虑到意外损坏情况，具体携带时预计会携带需求量110%的AEM Electrolysers。

②占用空间：单个AEM Multicore的尺寸为W: 2.438 m × L: 12.192 m × H: 2.591 m，体积为2.438 * 12.192 * 2.591 = 77.015m³；单个AEM Multicore能够接受的电功率为1,008kW = 1.008MW。由于满负载运行产生的电功率为3.5MW，所以至少需要4个AEM Multicore才能满足最大的负载需求。总共占用的体积为77.015 * 4 = 308.06m³，是一个很小的体积，在能源区的预算之内。

（2）储氢

储氢的主要模式借鉴德国德累斯顿工业大学的轻质工程和聚合物技术研究所研发的高压链式储氢系统。该系统设计了棍状的储氢瓶，两个瓶子的端部可以相连构成更大的储氢单位，从而适应不同形状和容量的需要。（见图）储氢瓶由织物增强的热塑性复合材料制成，具有较高的生产效率、较低的应用成本，且材料可回收。

具体计算：

①体积：由于没有找到关于该项目的具体数据，故对其储氢性能作合理估计。35MPa几乎是高压储氢所有种类中的最小值，所以估计该储氢系统的储氢压强为35MPa应该是合理的。下面计算所需的最大储氢体积：

在集中发电的50天左右的时间中，累计的富余能量为365.73-1,284.5*50/365=189.77wkWh.这就是在热电联供期间核电积累的最大量。考虑到同时有其他能源的储存需求，将这个量扩大为1.5倍，即284.66wkWh。

145天的消耗量为1284.5 * 145 / 365 = 510.28wkWh = 5.1028 * 10⁶kWh；此时的氢气总质量为2.8466 * 10⁶* 3.6 * 10⁶ / 1.43 * 10⁸= 7.17 * 10⁴ kg = 7.17 * 10⁷g；氢气的总体积为7.17 * 10⁷/ 0.089 = 8.06 * 10⁸L = 8.06 * 10⁵m³.从一个标准大气压压缩到35MPa，压强增大为原来的350倍，体积缩小为原来的1/350，为8.06 * 10⁵* 1 / 350 = 2302.9m³.算上非存储空间的设备体积，总的存储空间不会超过5000m³，这是一个可以接受的数值，同时也在能源区空间的预估范围内。