氫能是未來(lái)最有希望得到大規(guī)模利用的清潔能源；核能是高效、低耗、環(huán)保、清潔的代表。核能制氫將二者結(jié)合，進(jìn)行氫的大規(guī)模生產(chǎn)，是未來(lái)氫氣大規(guī)模供應(yīng)的重要解決方案，為可持續(xù)發(fā)展以及氫能經(jīng)濟(jì)開辟了新的道路。
目前美、日、韓、法等國(guó)都在開展核能制氫的研究，中國(guó)200MW高溫氣冷堆商業(yè)示范電站建設(shè)項(xiàng)目已被列入國(guó)家科技重大專項(xiàng)，被視為最有可能突破核能制氫反應(yīng)堆型。
01 核能制氫的基礎(chǔ)
核能是低碳、高效的一次能源，其使用的鈾資源可循環(huán)再利用。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，人們已經(jīng)掌握了日益先進(jìn)、不斷成熟的核能技術(shù)，成為當(dāng)前人類大規(guī)模工業(yè)制氫的最佳選擇。核能制氫是將核反應(yīng)堆與先進(jìn)制氫工藝耦合，進(jìn)行氫的大規(guī)模生產(chǎn)。核能制氫具有不產(chǎn)生溫室氣體、以水為原料、高效率、大規(guī)模等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)氫氣大規(guī)模供應(yīng)的重要解決方案。
目前核能制氫主要有電解水制氫和熱化學(xué)制氫兩種方式，核反應(yīng)堆分別為上述兩種方式制氫提供電能和熱能。
電解水制氫是利用核能發(fā)電，再通過(guò)電解水裝置將水分解成氫氣。電解水制氫是一種較為直接的氫氣制取方法，但該方法產(chǎn)氫效率（55%～60%）較低，即便采用最先進(jìn)的美國(guó)SPE電解水技術(shù)，將電解效率提升為90%。但由于目前大多數(shù)核電站的熱電轉(zhuǎn)換效率僅為35%左右，因此核能電解水制氫最終的總效率僅為30%。
熱化學(xué)制氫是基于熱化學(xué)循環(huán)，將核反應(yīng)堆與熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置耦合，以核反應(yīng)堆提供的高溫作為熱源，使水在800℃至1000℃下催化熱分解，從而制取氫和氧。與電解水制氫相比，熱化學(xué)制氫的效率較高，總效率預(yù)期可達(dá)50%以上，成本較低。
02 國(guó)內(nèi)核氫研究現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)布局
我國(guó)的核能制氫項(xiàng)目起步于“十一五”，研究了當(dāng)初的主流工藝熱化學(xué)循環(huán)和高溫蒸汽電解制氫，并進(jìn)行了初步運(yùn)行試驗(yàn)。在“十二五”期間，設(shè)立了國(guó)家科技重大專項(xiàng)“先進(jìn)壓水堆與高溫氣冷堆核電站”，目的是掌握碘硫循環(huán)和高溫蒸汽電解的工藝關(guān)鍵技術(shù)。
清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院（INET）在國(guó)家“863”計(jì)劃支持下，于2001年建成了10MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（HTR-10），2003年達(dá)到滿功率運(yùn)行。
而200MW高溫氣冷堆商業(yè)示范電站建設(shè)項(xiàng)目已被列入國(guó)家科技重大專項(xiàng)，預(yù)計(jì)將于2021年建成投產(chǎn)，將具備核能制氫條件，在高溫氣冷堆技術(shù)領(lǐng)域已居世界領(lǐng)先地位。對(duì)核能制氫技術(shù)的研究也列為專項(xiàng)的研發(fā)項(xiàng)目，目前正在開展第三階段的研究工作。
總體來(lái)看，當(dāng)前技術(shù)已完成了原理上的可行性研究和驗(yàn)證，總體上處于實(shí)驗(yàn)室或向中試前期過(guò)渡的階段。下一階段要針對(duì)工程材料、關(guān)鍵設(shè)備等涉及工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)研究。
當(dāng)前我國(guó)氫能發(fā)展處于初期，2019年《政府工作報(bào)告》首次寫入氫能源后，各大央企從氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品推廣應(yīng)用等場(chǎng)景積極布局。其中，我國(guó)兩個(gè)核能集團(tuán)：中核集團(tuán)和中廣核成為這次氫能行業(yè)布局的“國(guó)家先鋒隊(duì)”成員。
中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)有限公司：
核能制氫項(xiàng)目：中核集團(tuán)范圍內(nèi)的核電、風(fēng)電、水電都存在一定的棄電現(xiàn)象。僅2018年中核集團(tuán)棄電量約有100億度，若用于電解水制氫，可生產(chǎn)氫氣20億Nm3，約17.8萬(wàn)噸，利用棄電制氫已經(jīng)具備了產(chǎn)業(yè)化規(guī)模條件，從而解決中國(guó)核電能源消納問(wèn)題。
為拓展核能多用途運(yùn)用，在2018年中核集團(tuán)聯(lián)合清華大學(xué)、中國(guó)寶武開展核能制氫、核氫冶金項(xiàng)目合作研究。目前中核集團(tuán)已完成10NL/h制氫工藝的閉合運(yùn)行，建成了產(chǎn)氫能力100NL/h規(guī)模的臺(tái)架并實(shí)現(xiàn)86小時(shí)連續(xù)運(yùn)行連續(xù)運(yùn)行。中核集團(tuán)利用高溫氣冷堆蒸汽品質(zhì)好、固有安全性高的特點(diǎn)將高溫氣冷堆與熱化學(xué)循環(huán)制氫技術(shù)耦合，可以大量生產(chǎn)氫氣，目標(biāo)建成一座600MW超高溫氣冷堆，與一座產(chǎn)氫50000Nm3/h的熱化學(xué)制氫工廠匹配生產(chǎn)。
核氫冶金項(xiàng)目：2019年1月15日，中核集團(tuán)、清華大學(xué)、中國(guó)寶武三方簽訂《核能-制氫-冶金耦合技術(shù)戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，三方將資源共享，共同打造世界領(lǐng)先的核冶金產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。目前中核集團(tuán)的依托《框架協(xié)議》開展核能制氫冶金技術(shù)研發(fā)，對(duì)國(guó)內(nèi)外氫能產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)研，分析氫能產(chǎn)業(yè)宏觀布局、技術(shù)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)成本等因素后明確氫能產(chǎn)業(yè)鏈的主要切入點(diǎn)，完成產(chǎn)業(yè)布局頂層設(shè)計(jì)。中核集團(tuán)遠(yuǎn)期的目標(biāo)是在2030年后，利用已成熟的核能制氫和棄電制氫為產(chǎn)業(yè)源頭，開拓儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、氫燃料電池中下游產(chǎn)業(yè)。
中國(guó)廣核集團(tuán)有限公司：
中廣核是是中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用聯(lián)盟成員，國(guó)內(nèi)“五大四小”電力企業(yè)中唯一擁有燃料電池電站的運(yùn)營(yíng)商。在韓國(guó)擁有十幾兆瓦的燃料電池電站，采用美國(guó)的MCFC燃料電池發(fā)電技術(shù)。
2017年4月，中國(guó)廣核集團(tuán)聯(lián)合中金前海發(fā)展（深圳）基金管理有限公司、清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院在中國(guó)（廣東）自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)深圳前海蛇口片區(qū)發(fā)起成立氫能基金，該基金總規(guī)模30億元人民幣（一期規(guī)模10億元）。
2019年4月12日，中國(guó)廣核集團(tuán)下屬子公司中廣核資本、中廣核產(chǎn)業(yè)投資基金與南都電源簽署《氫能產(chǎn)業(yè)基金合作框架協(xié)議》，共同成立深圳白鷺氫能產(chǎn)業(yè)股權(quán)投資基金合伙企業(yè)，總規(guī)模擬定為5-10億元，主要投資于氫能及燃料電池領(lǐng)域。
03 國(guó)外核能制氫研究現(xiàn)狀
長(zhǎng)期受困于國(guó)內(nèi)資源短缺，日本是堅(jiān)持大力發(fā)展核氫技術(shù)的國(guó)家。自上個(gè)世紀(jì)80年代至今日本原子力機(jī)構(gòu)（JAEA）一直在進(jìn)行高溫氣冷堆和碘硫循環(huán)制氫的研究。1998年其開發(fā)的30MW高溫氣冷試驗(yàn)堆（HTTR）反應(yīng)堆首次實(shí)現(xiàn)臨界，2001年達(dá)成了滿功率運(yùn)行，2004年將出口溫度提高到了950℃。2014年4月日本制定《第四次能源基本計(jì)劃》，確定了加速建設(shè)和發(fā)展“氫能社會(huì)”的戰(zhàn)略方向。
法國(guó)原子能委員會(huì)（CEA）的核氫戰(zhàn)略是集中發(fā)展可以與核電或可再生能源耦合的、能夠可持續(xù)方式生產(chǎn)的制氫工藝。從2004年起，CEA就在執(zhí)行發(fā)展高溫蒸汽電解技術(shù)的重大項(xiàng)目，對(duì)電解器所有的問(wèn)題都進(jìn)行了研究。同時(shí)與Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（SNL）和GA公司進(jìn)行合作，進(jìn)行碘硫循環(huán)的試驗(yàn)。法國(guó)的《氫能計(jì)劃》提到，將從2019年起在工業(yè)、交通及能源領(lǐng)域部署氫能。
韓國(guó)政府在2005年提出了氫經(jīng)濟(jì)計(jì)劃，正在進(jìn)行核氫研發(fā)和示范項(xiàng)目，最終目標(biāo)是在2030年以后實(shí)現(xiàn)核氫技術(shù)商業(yè)化。自2004年起，韓國(guó)開始執(zhí)行核氫開發(fā)示范計(jì)劃（NHDD），采用高溫氣冷堆和碘硫循環(huán)技術(shù)進(jìn)行核能制氫項(xiàng)目，建立了產(chǎn)氫率50NL/h的回路，正在進(jìn)行閉合循環(huán)實(shí)驗(yàn)。
04 國(guó)外核能制氫研究現(xiàn)狀
美國(guó)能源部 2004 年以來(lái)一直在推進(jìn)核能制氫研究，已取得階段性成果，在 2019 年 11 月宣布啟動(dòng)一個(gè)核能制氫示范項(xiàng)目之后， 2020 年 10 月又宣布啟動(dòng)兩個(gè)示范項(xiàng)目，目標(biāo)是推進(jìn)與現(xiàn)有核電機(jī)組匹配的低溫電解制氫和高溫電解制氫技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。
美國(guó)核能制氫研究概況：
美國(guó)能源部下屬兩家機(jī)構(gòu)即核能辦公室以及能源效率與可再生能源辦公室正在積極推動(dòng)核能制氫技術(shù)研究。
核能辦公室聚焦長(zhǎng)期目標(biāo)，開展與高溫氣冷堆( 出口溫度 700 至 950℃ ) 和超高溫氣冷堆( 出口溫度 950℃ 以上) 配套的兩種制氫技術(shù)研究，即熱化學(xué)循環(huán)技術(shù)和高溫電解技術(shù)。
熱化學(xué)循環(huán)技術(shù)在 750 至 1000℃ 甚至更高溫度下利用化學(xué)催化劑使水發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，最終分解為氫氣和氧氣。通常認(rèn)為這一技術(shù)的效率很高: 熱能至氫能的轉(zhuǎn)換率可達(dá)60% 甚至更高。但技術(shù)成熟度較低，未來(lái)仍需開展大量研發(fā)工作。
高溫電解技術(shù)首先將水轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷卣羝? 高達(dá) 950℃ ) ，然后使蒸汽發(fā)生電解，生成氫氣和氧氣。高溫電解能夠?qū)崿F(xiàn)很高的效率: 熱能至氫能的轉(zhuǎn)換率超過(guò) 50% ，電能至氫能的轉(zhuǎn)換率可達(dá) 100% 。這一技術(shù)面臨許多挑戰(zhàn)，例如耐高溫材料的研發(fā)。高溫氣冷堆和超高溫氣冷堆能夠提供高溫工藝熱，是最理想的制氫反應(yīng)堆，但還需要一段時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。
能源效率與可再生能源辦公室重點(diǎn)關(guān)注能夠在近期實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用、可供“核電反應(yīng)堆-可再生能源混合能源系統(tǒng)”制氫的兩項(xiàng)技術(shù)。一項(xiàng)是需要使用熱能和電力的高溫電解技術(shù)。該辦公室近期發(fā)布報(bào)告指出，核能高溫電解制氫技術(shù)有望在當(dāng)前市場(chǎng)環(huán)境中具備經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。另一項(xiàng)是僅需要使用電力的低溫電解技術(shù)，但效率較低，熱能至氫能的轉(zhuǎn)換效率僅為 23% 至 28% 。
啟動(dòng)三個(gè)商業(yè)示范項(xiàng)目：
美國(guó)能源部迄今已宣布為由愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室牽頭的三個(gè)核能制氫商業(yè)示范項(xiàng)目提供資助: 2019 年 9 月宣布資助首個(gè)核能制氫示范項(xiàng)目，2020 年 10 月宣布資助兩個(gè)項(xiàng)目。
能源部 2019 年 9 月宣布將為首個(gè)核能制氫示范項(xiàng)目提供資助。該項(xiàng)目為期兩年，第一能源方案將利用愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)在戴維斯-貝瑟核電廠( 擁有一座 894 兆 瓦壓水堆) 建設(shè)一座 1 ～3 兆瓦低溫電解示范裝置。項(xiàng)目總投資 1050 萬(wàn)美元，能源部資助 920 萬(wàn)美元。
?？宋鳡柲茉垂?2020 年 10 月獲得能源部資助，將與愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作，在蒙蒂塞洛核電廠( 擁有一座 628 兆瓦沸水堆) 或普雷里島核電廠( 擁有兩座 520 兆瓦壓水堆)建設(shè)一座高溫電解中試設(shè)施。目前尚未決定在哪座電廠建設(shè)，計(jì)劃在 2021 年啟動(dòng)工程和規(guī)劃工作，2022 年啟動(dòng)設(shè)施建設(shè)，2023 年投運(yùn)。項(xiàng)目總投資 1377 萬(wàn)美元，能源部資助 1050 萬(wàn)美元。
燃料電池能源公司也在 2020 年 10 月獲得能源部資助，將為愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提供一個(gè) 250 千瓦的固體氧化物電解池( SOEC)系統(tǒng)。SOEC 是一種高效、低污染的能量轉(zhuǎn)化裝置，可以將電能和熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。如果利用核反應(yīng)堆作為能量來(lái)源，SOEC 有望實(shí)現(xiàn)氫氣的高效、清潔、大規(guī)模制備。在完成嚴(yán)格驗(yàn)證測(cè)試后，愛達(dá)荷將把這一系統(tǒng)用于核能制氫。項(xiàng)目總投資為 1250 萬(wàn)美元，能源部資助 800 萬(wàn)美元。應(yīng)當(dāng)指出，這一系統(tǒng)配備了電熱蒸汽發(fā)生器，不僅能夠示范低溫電解制氫，還能示范高溫電解制氫，因此可對(duì)這兩種制氫技術(shù)進(jìn)行比較。
推進(jìn)現(xiàn)有機(jī)組制氫的原因：
美國(guó)在高溫氣冷堆和超高溫氣冷堆尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的前提下積極推進(jìn)現(xiàn)有機(jī)組制氫示范，主要有三點(diǎn)理由：
第一，現(xiàn)有核電機(jī)組迫切需要新的收入來(lái)源。受市場(chǎng)天然氣價(jià)格長(zhǎng)期保持低位以及可再 生能源在政府支持下迅速發(fā)展等因素的影響，美國(guó)核電機(jī)組的持續(xù)運(yùn)行面臨著嚴(yán)峻的經(jīng)濟(jì)性挑戰(zhàn)。自 2013 年以來(lái)已有 10 臺(tái)機(jī)組在運(yùn)行壽期內(nèi)永久關(guān)閉，另有 10 多臺(tái)機(jī)組宣布將在未來(lái)幾年內(nèi)關(guān)閉。
第二，為實(shí)現(xiàn)核電廠與可再生能源電廠未來(lái)的和諧發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。隨著風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源的快速發(fā)展，如何在電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)與可再生能源的無(wú)縫整合，是未來(lái)核電發(fā)展面臨的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。核能制氫是一條可用于應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的重要途徑。
第三，為未來(lái)的高溫氣冷堆和超高溫氣冷堆制氫進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備。制氫技術(shù)具有一定的相 通性。高溫電解技術(shù)在與現(xiàn)有機(jī)組耦合并得到成功應(yīng)用后，未來(lái)將能更快地用于高溫氣冷堆和超高溫氣冷堆制氫。
05 核能制氫展望
國(guó)際上的能量供應(yīng)主要來(lái)源于煤炭、石油等化石能源，這也導(dǎo)致日益嚴(yán)重的能源枯竭和環(huán)境污染問(wèn)題。因此，尋求更加高效、清潔能源進(jìn)行替代成為了必然趨勢(shì)。氫能具有環(huán)保、高效、來(lái)源豐富、運(yùn)輸方便和應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)，起著保障國(guó)家能源安全和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)作用，是未來(lái)最有希望得到大規(guī)模利用的清潔能源。
以水為原料的核能制氫，不僅能實(shí)現(xiàn)制氫過(guò)程的無(wú)碳排放，還能拓展核能的利用方式，提高核電廠的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，并為核電廠與可再生能源的和諧發(fā)展創(chuàng)造條件，地球上可供開發(fā)的核燃料資源、可提供的能量是礦石燃料的十多萬(wàn)倍。核能制氫將二者結(jié)合，是為可持續(xù)發(fā)展以及氫能經(jīng)濟(jì)開辟道路，推動(dòng)形成綠色發(fā)展和生活方式，在當(dāng)前形勢(shì)下，具有廣闊的應(yīng)用前景。
目前國(guó)際上各大發(fā)達(dá)國(guó)家都在積極的進(jìn)行核能制氫項(xiàng)目的研究與開展，力圖早日邁入氫能經(jīng)濟(jì)社會(huì)。國(guó)正在積極推動(dòng)核能制氫技術(shù)的發(fā)展，并已進(jìn)入商業(yè)示范階段。我國(guó)在國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電站”支持下，高溫堆制氫關(guān)鍵技術(shù)研究已取得良好進(jìn)展，處于世界領(lǐng)先地位。在發(fā)展核氫戰(zhàn)略中，需要政府加大政策支持和投入保障力度，盡快落實(shí)建設(shè)60萬(wàn)千瓦高溫氣冷堆核能工程；大力發(fā)展和引進(jìn)核能制氫人才和研發(fā)企業(yè)，提高專業(yè)研發(fā)能力，擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)范圍。
來(lái)源：微信號(hào)“財(cái)經(jīng)十一人”首發(fā) 發(fā)布時(shí)間：2021-06-22
