核能制氫前景幾何？

氫能是清潔的二次能源，在清潔燃燒、氫燃料電池等方面有廣闊的應(yīng)用前景。更為重要的是，氫氣可以將電力的生產(chǎn)與消耗脫鉤，作為清潔能源載體，可以氣態(tài)、液態(tài)、固體氧化物等多種形式存儲和運輸，且能量密度大、儲能時間長，因此是一種可實現(xiàn)大規(guī)模、長周期的儲能手段。

實現(xiàn)氫氣的廣泛應(yīng)用，須開發(fā)出清潔、高效、可實現(xiàn)大規(guī)模制氫的技術(shù)。目前，全世界每年大約消耗5000萬噸氫氣，其中95%以上來源于化石能源的灰氫。中國是世界上最大的制氫國，目前氫氣產(chǎn)能約為4000萬噸/年，產(chǎn)量約為3300萬噸/年，主要由化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫構(gòu)成。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟2021年發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》，到2050年氫能在中國能源供應(yīng)中的占比將達到約10%，氫氣需求量接近6000萬噸，年經(jīng)濟產(chǎn)值超過10萬億元。

經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，核能已經(jīng)成為全球清潔能源的重要構(gòu)成。核能制氫將核反應(yīng)堆與制氫工藝耦合，既能實現(xiàn)制氫過程的無碳排放，還可有效拓展核能的利用方式，提高核電廠的經(jīng)濟競爭力。

在全球推動“碳中和”的進程中，美國、歐盟、英國以及日本等均在積極推進核能制氫相關(guān)研究，但是理想的核熱制氫方案必須依托高溫/超高溫反應(yīng)堆，而這一核能技術(shù)本身目前尚未成熟和規(guī)?；瘧?yīng)用，而在占絕對主流的現(xiàn)役水冷反應(yīng)堆核電機組上電解制氫成本較高，不具備競爭優(yōu)勢，很難規(guī)?；茝V。筆者認為，核能制氫的應(yīng)用前景取決于高溫/超高溫反應(yīng)堆能否批量化建設(shè)，目前來看，高溫堆自身的經(jīng)濟性問題是最大障礙。

兩種技術(shù)路線

核能制氫的技術(shù)路線可分為核電制氫(機組為制氫提供電能)、核熱制氫(機組為制氫提供熱能)和電熱混合制氫(機組為制氫提供熱能和電能)三種。能夠與制氫工藝耦合的反應(yīng)堆有多種選擇, 但從制氫的角度來看, 制氫效率與工作溫度密切相關(guān)，高溫 ( 出口溫度700-950℃ ) 和超高溫反應(yīng)堆( 出口溫度950 ℃以上) 是最優(yōu)選擇。

核電制氫即一般的電解水制氫，該工藝產(chǎn)氫效率(55%~60%)較低，美國開發(fā)的SPE先進電解水技術(shù)可將電解效率提升為90%，即便如此，由于核電站的熱電轉(zhuǎn)換效率僅為35%左右，因此核能電解水制氫最終的總效率只有30%甚至更低。在目前成熟的制氫工藝中，電解水制氫的成本最高，因此核電制氫目前基本不具備競爭優(yōu)勢，很難規(guī)模化推廣應(yīng)用。

核熱制氫即熱化學(xué)制氫，是將核反應(yīng)堆與熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置耦合，使水在800℃至1000℃下催化熱分解，從而制取氫和氧，熱能至氫能的轉(zhuǎn)換率可達60%甚至更高，目前的最優(yōu)方案是美國通用原子能公司開發(fā)的碘硫循環(huán)。

電熱混合制氫是利用先進核反應(yīng)堆提供的工藝熱(約30%)和電能(約70%)，在750℃至950℃的高溫下將水蒸氣高效電解為氫氣和氧氣，其制氫效率接近60%。

核熱制氫和電熱混合制氫目前技術(shù)成熟度仍較低，面臨的主要挑戰(zhàn)是耐高溫材料的研發(fā)。制氫工藝都需要核反應(yīng)堆提供高溫工藝熱，但這類反應(yīng)堆全部屬于第四代反應(yīng)堆，目前除了高溫氣冷堆建成示范項目之外，其它的堆型均處于研究設(shè)計階段，尚未進行工程驗證，距商業(yè)化推廣仍有較長時間，且面臨很大不確定性。因此，美、英、日以及中國等核大國目前都將高溫氣冷堆列為核能制氫的首選方案。

不同反應(yīng)堆技術(shù)的出口溫度

主要核大國的研究方向和進程

美國能源部(DOE)早在2004年就啟動了核能制氫研究工作，目前的主要進展仍是與現(xiàn)有核電機組匹配的低溫電解制氫示范，對基于高溫工藝熱的熱循環(huán)制氫和高溫蒸汽電解制氫，開展了大量研究工作和原理驗證，但其工業(yè)規(guī)模示范仍受制于高溫反應(yīng)堆的研發(fā)和商業(yè)化部署。

2019年以來，美國能源部先后支持了三個現(xiàn)役核電機組低溫電解制氫商業(yè)示范項目，并提供總計約3000萬美元的資金支持，這些項目全部由能源部下屬愛達荷國家實驗室牽頭，計劃最早于2023年投入運行，其制氫成本和對核電機組經(jīng)濟性的改善仍有待于驗證。

在高溫/超高溫氣冷堆尚未實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的情況下，積極推進現(xiàn)有核電機組示范和規(guī)?；茪錈o疑是更為務(wù)實的做法，事實上這也是改善美國現(xiàn)役核電機組經(jīng)濟性的重點舉措之一，美國核電機組的持續(xù)運行面臨著嚴峻的經(jīng)濟性挑戰(zhàn)，自2013年以來已有10臺機組在運行壽期內(nèi)永久關(guān)閉，另有10多臺機組宣布將在未來幾年內(nèi)關(guān)閉。

法國作為全球核電比例最高的國家，目前仍在開展高溫熱化學(xué)制氫和蒸汽電解制氫的試驗研究工作，尚未開展在役壓水堆核電機組制氫示范。2021年法國政府公布 的“法國2030計劃”中，提出未來5年在氫能領(lǐng)域投入20億歐元，并將核能列為生產(chǎn)綠氫的關(guān)鍵，但目前尚未提出明確的技術(shù)路線圖。

英國核能制氫的技術(shù)路線同樣是“兩條腿“走路。短期內(nèi)首先在在役核電機組上進行制氫示范和應(yīng)用，中長期則優(yōu)選高溫氣冷堆制氫，并將高溫氣冷堆作為其先進模塊化反應(yīng)堆的首選堆型，并提供資金支持示范項目建設(shè)，2021年英國政府頒布的“綠色工業(yè)革命10項計劃”(Ten Point Plan)中，規(guī)劃到2030年實現(xiàn)綠氫等效裝機容量達到500萬千瓦，核能被視為生產(chǎn)綠氫的主要來源之一。2021年5月，英國核工業(yè)協(xié)會(NIA)宣布其《氫能路線圖》已獲得英國核工業(yè)委員會(NIC)通過，提出到2050年英國1/3的氫需求由核能生產(chǎn)，但并未提出具體的實現(xiàn)路徑，目前也未實質(zhì)推進現(xiàn)役核電機組的示范制氫。

日本的首選方案是使用高溫氣冷堆制氫。日本原子力研究機構(gòu)(JAEA)自1998年建成運行熱功率30 MWe的高溫氣冷試驗堆(HTTR)，成功實現(xiàn)在850 ℃下穩(wěn)定運行，2004年冷卻劑出口溫度達到950 ℃，該試驗堆的主要目的是驗證高溫蒸汽制氫工藝，成功完成了連續(xù)一周的制氫試驗運行。在高溫試驗堆的基礎(chǔ)上，日本原子力研究機構(gòu)進行了大功率(600 MWt)高溫氣冷堆設(shè)計研發(fā)，但一直未進行工程驗證和項目建設(shè)。

國內(nèi)也在積極推進核能制氫研究工作，優(yōu)選方向同樣是利用高溫氣冷堆核熱制氫。清華大學(xué)從2004年開始論證核能制氫方法的可行性，隨后開展了對碘硫循環(huán)核熱制氫的基礎(chǔ)性實驗研究。“十二五”期間，國家設(shè)立高溫氣冷堆科技重大專項，主要目標之一是掌握碘硫循環(huán)和高溫蒸汽電解制氫的關(guān)鍵技術(shù)。

2016年國家能源局《能源技術(shù)創(chuàng)新“十三五”規(guī)劃》將高溫氣冷堆950℃高溫運行及核能制氫的可行性作為研究目標之一。華能石島灣高溫氣冷堆示范項目已建成運行，但利用其高溫工藝熱制氫仍須開展關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備與材料等一系列技術(shù)攻關(guān)。2021年9月，清華大學(xué)牽頭，華能和中核集團參與成立了高溫氣冷堆碳中和制氫產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟，提出將在2022-2023年期間研究形成工業(yè)示范工程建設(shè)方案，啟動示范工程項目相關(guān)工作。

挑戰(zhàn)大于優(yōu)勢

如前所述，當前以美國為主的在役核電機組低溫電解制氫商業(yè)化示范，其制氫效率較低，經(jīng)濟性尚待驗證，僅適用于負荷因子和區(qū)域電力價格較低的部分核電機組，很難進行規(guī)?；茝V。彭博新能源財經(jīng)(BNEF)2021年9月發(fā)布的《探索核電制氫經(jīng)濟性》報告指出，目前在役核電機組平準化度電成本(LCOE)高昂，利用其制氫比風電或光伏制氫更為昂貴。除非核電與制氫系統(tǒng)的成本顯著降低，核電制氫并不具備競爭力。

對于可顯著提高制氫效率的高溫堆核熱制氫，則面臨反應(yīng)堆技術(shù)本身尚未實現(xiàn)商業(yè)化的處境。國內(nèi)雖然率先建成了高溫氣冷堆示范項目，然而其千瓦比投資大幅高于三代壓水堆項目，與二代加機組相比更無競爭優(yōu)勢，因此，建設(shè)投資和經(jīng)濟競爭力將是擋在高溫氣冷堆及其制氫應(yīng)用發(fā)展面前的巨大難題。

此外，安全性也是制約核能制氫的一大因素之一。由于氫氣在常溫常壓下極易燃燒，考慮到核電站安全的高度敏感性，如何保證核能制氫過程中氫的安全運輸和儲存，也是需要考慮的關(guān)鍵問題。

筆者認為，核能制氫面臨的挑戰(zhàn)大于優(yōu)勢，其發(fā)展前景并不明朗，關(guān)鍵在于大幅改善高溫反應(yīng)堆的經(jīng)濟競爭力，實現(xiàn)規(guī)?；ㄔO(shè)，才能為核能制氫的大規(guī)模應(yīng)用奠定根基。