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        核能有望成為未來制氫首選

        發稿時間:2021-06-30  【    】

            氫能是未來最有希望得到大規模利用的清潔能源;核能是高效、低耗、環保、清潔的代表。核能制氫將二者結合,進行氫的大規模生產,是未來氫氣大規模供應的重要解決方案,為可持續發展以及氫能經濟開辟了新的道路。

            目前美、日、韓、法等國都在開展核能制氫的研究,中國200MW高溫氣冷堆商業示范電站建設項目已被列入國家科技重大專項,被視為最有可能突破核能制氫反應堆型。

            01 核能制氫的基礎

            核能是低碳、高效的一次能源,其使用的鈾資源可循環再利用。經過半個多世紀的發展,人們已經掌握了日益先進、不斷成熟的核能技術,成為當前人類大規模工業制氫的最佳選擇。核能制氫是將核反應堆與先進制氫工藝耦合,進行氫的大規模生產。核能制氫具有不產生溫室氣體、以水為原料、高效率、大規模等優點,是未來氫氣大規模供應的重要解決方案。

            目前核能制氫主要有電解水制氫和熱化學制氫兩種方式,核反應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電,再通過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,但該方法產氫效率(55%~60%)較低,即便采用最先進的美國SPE電解水技術,將電解效率提升為90%。但由于目前大多數核電站的熱電轉換效率僅為35%左右,因此核能電解水制氫最終的總效率僅為30%。

            熱化學制氫是基于熱化學循環,將核反應堆與熱化學循環制氫裝置耦合,以核反應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,熱化學制氫的效率較高,總效率預期可達50%以上,成本較低。

            02 國內核氫研究現狀與產業布局

            我國的核能制氫項目起步于“十一五”,研究了當初的主流工藝熱化學循環和高溫蒸汽電解制氫,并進行了初步運行試驗。在“十二五”期間,設立了國家科技重大專項“先進壓水堆與高溫氣冷堆核電站”,目的是掌握碘硫循環和高溫蒸汽電解的工藝關鍵技術。

            清華大學核能與新能源技術研究院(INET)在國家“863”計劃支持下,于2001年建成了10MW高溫氣冷實驗反應堆(HTR-10),2003年達到滿功率運行。

            而200MW高溫氣冷堆商業示范電站建設項目已被列入國家科技重大專項,預計將于2021年建成投產,將具備核能制氫條件,在高溫氣冷堆技術領域已居世界領先地位。對核能制氫技術的研究也列為專項的研發項目,目前正在開展第三階段的研究工作。

            總體來看,當前技術已完成了原理上的可行性研究和驗證,總體上處于實驗室或向中試前期過渡的階段。下一階段要針對工程材料、關鍵設備等涉及工程應用的關鍵技術進行攻關研究。

            當前我國氫能發展處于初期,2019年《政府工作報告》首次寫入氫能源后,各大央企從氫能基礎設施建設、關鍵技術研發、產品推廣應用等場景積極布局。其中,我國兩個核能集團:中核集團和中廣核成為這次氫能行業布局的“國家先鋒隊”成員。

            中國核工業集團有限公司:

            核能制氫項目:中核集團范圍內的核電、風電、水電都存在一定的棄電現象。僅2018年中核集團棄電量約有100億度,若用于電解水制氫,可生產氫氣20億Nm3,約17.8萬噸,利用棄電制氫已經具備了產業化規模條件,從而解決中國核電能源消納問題。

            為拓展核能多用途運用,在2018年中核集團聯合清華大學、中國寶武開展核能制氫、核氫冶金項目合作研究。目前中核集團已完成10NL/h制氫工藝的閉合運行,建成了產氫能力100NL/h規模的臺架并實現86小時連續運行連續運行。中核集團利用高溫氣冷堆蒸汽品質好、固有安全性高的特點將高溫氣冷堆與熱化學循環制氫技術耦合,可以大量生產氫氣,目標建成一座600MW超高溫氣冷堆,與一座產氫50000Nm3/h的熱化學制氫工廠匹配生產。

            核氫冶金項目:2019年1月15日,中核集團、清華大學、中國寶武三方簽訂《核能-制氫-冶金耦合技術戰略合作框架協議》,三方將資源共享,共同打造世界領先的核冶金產業聯盟。目前中核集團的依托《框架協議》開展核能制氫冶金技術研發,對國內外氫能產業鏈各環節進行調研,分析氫能產業宏觀布局、技術發展、經濟成本等因素后明確氫能產業鏈的主要切入點,完成產業布局頂層設計。中核集團遠期的目標是在2030年后,利用已成熟的核能制氫和棄電制氫為產業源頭,開拓儲氫、運氫、氫燃料電池中下游產業。

            中國廣核集團有限公司:

            中廣核是是中國氫能產業技術創新與應用聯盟成員,國內“五大四小”電力企業中唯一擁有燃料電池電站的運營商。在韓國擁有十幾兆瓦的燃料電池電站,采用美國的MCFC燃料電池發電技術。

            2017年4月,中國廣核集團聯合中金前海發展(深圳)基金管理有限公司、清華四川能源互聯網研究院在中國(廣東)自由貿易試驗區深圳前海蛇口片區發起成立氫能基金,該基金總規模30億元人民幣(一期規模10億元)。

            2019年4月12日,中國廣核集團下屬子公司中廣核資本、中廣核產業投資基金與南都電源簽署《氫能產業基金合作框架協議》,共同成立深圳白鷺氫能產業股權投資基金合伙企業,總規模擬定為5-10億元,主要投資于氫能及燃料電池領域。

            03 國外核能制氫研究現狀

            長期受困于國內資源短缺,日本是堅持大力發展核氫技術的國家。自上個世紀80年代至今日本原子力機構(JAEA)一直在進行高溫氣冷堆和碘硫循環制氫的研究。1998年其開發的30MW高溫氣冷試驗堆(HTTR)反應堆首次實現臨界,2001年達成了滿功率運行,2004年將出口溫度提高到了950℃。2014年4月日本制定《第四次能源基本計劃》,確定了加速建設和發展“氫能社會”的戰略方向。

            法國原子能委員會(CEA)的核氫戰略是集中發展可以與核電或可再生能源耦合的、能夠可持續方式生產的制氫工藝。從2004年起,CEA就在執行發展高溫蒸汽電解技術的重大項目,對電解器所有的問題都進行了研究。同時與Sandia國家實驗室(SNL)和GA公司進行合作,進行碘硫循環的試驗。法國的《氫能計劃》提到,將從2019年起在工業、交通及能源領域部署氫能。

            韓國政府在2005年提出了氫經濟計劃,正在進行核氫研發和示范項目,最終目標是在2030年以后實現核氫技術商業化。自2004年起,韓國開始執行核氫開發示范計劃(NHDD),采用高溫氣冷堆和碘硫循環技術進行核能制氫項目,建立了產氫率50NL/h的回路,正在進行閉合循環實驗。

            04 國外核能制氫研究現狀

            美國能源部 2004 年以來一直在推進核能制氫研究,已取得階段性成果,在 2019 年 11 月宣布啟動一個核能制氫示范項目之后, 2020 年 10 月又宣布啟動兩個示范項目,目標是推進與現有核電機組匹配的低溫電解制氫和高溫電解制氫技術的商業化進程。 

            美國核能制氫研究概況:

            美國能源部下屬兩家機構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核能制氫技術研究。

            核能辦公室聚焦長期目標,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研究,即熱化學循環技術和高溫電解技術。 

            熱化學循環技術在 750 至 1000℃ 甚至更高溫度下利用化學催化劑使水發生一系列化學反應,最終分解為氫氣和氧氣。通常認為這一技術的效率很高: 熱能至氫能的轉換率可達60% 甚至更高。但技術成熟度較低,未來仍需開展大量研發工作。

            高溫電解技術首先將水轉變為高溫蒸汽( 高達 950℃ ) ,然后使蒸汽發生電解,生成氫氣和氧氣。高溫電解能夠實現很高的效率: 熱能至氫能的轉換率超過 50% ,電能至氫能的轉換率可達 100% 。這一技術面臨許多挑戰,例如耐高溫材料的研發。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堆,但還需要一段時間才能實現商業應用。

            能源效率與可再生能源辦公室重點關注能夠在近期實現商業化應用、可供“核電反應堆-可再生能源混合能源系統”制氫的兩項技術。一項是需要使用熱能和電力的高溫電解技術。該辦公室近期發布報告指出,核能高溫電解制氫技術有望在當前市場環境中具備經濟競爭力。另一項是僅需要使用電力的低溫電解技術,但效率較低,熱能至氫能的轉換效率僅為 23% 至 28% 。

            啟動三個商業示范項目:

            美國能源部迄今已宣布為由愛達荷國家實驗室牽頭的三個核能制氫商業示范項目提供資助: 2019 年 9 月宣布資助首個核能制氫示范項目,2020 年 10 月宣布資助兩個項目。

            能源部 2019 年 9 月宣布將為首個核能制氫示范項目提供資助。該項目為期兩年,第一能源方案將利用愛達荷國家實驗室的技術在戴維斯-貝瑟核電廠( 擁有一座 894 兆 瓦壓水堆) 建設一座 1 ~3 兆瓦低溫電解示范裝置。項目總投資 1050 萬美元,能源部資助 920 萬美元。

            ??宋鳡柲茉垂?2020 年 10 月獲得能源部資助,將與愛達荷國家實驗室合作,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)建設一座高溫電解中試設施。目前尚未決定在哪座電廠建設,計劃在 2021 年啟動工程和規劃工作,2022 年啟動設施建設,2023 年投運。項目總投資 1377 萬美元,能源部資助 1050 萬美元。

            燃料電池能源公司也在 2020 年 10 月獲得能源部資助,將為愛達荷國家實驗室提供一個 250 千瓦的固體氧化物電解池( SOEC)系統。SOEC 是一種高效、低污染的能量轉化裝置,可以將電能和熱能轉化為化學能。如果利用核反應堆作為能量來源,SOEC 有望實現氫氣的高效、清潔、大規模制備。在完成嚴格驗證測試后,愛達荷將把這一系統用于核能制氫。項目總投資為 1250 萬美元,能源部資助 800 萬美元。應當指出,這一系統配備了電熱蒸汽發生器,不僅能夠示范低溫電解制氫,還能示范高溫電解制氫,因此可對這兩種制氫技術進行比較。

            推進現有機組制氫的原因:

            美國在高溫氣冷堆和超高溫氣冷堆尚未實現商業化應用的前提下積極推進現有機組制氫示范,主要有三點理由:

            第一,現有核電機組迫切需要新的收入來源。受市場天然氣價格長期保持低位以及可再 生能源在政府支持下迅速發展等因素的影響,美國核電機組的持續運行面臨著嚴峻的經濟性挑戰。自 2013 年以來已有 10 臺機組在運行壽期內永久關閉,另有 10 多臺機組宣布將在未來幾年內關閉。

            第二,為實現核電廠與可再生能源電廠未來的和諧發展奠定技術基礎。隨著風能和太陽能等可再生能源的快速發展,如何在電網中實現與可再生能源的無縫整合,是未來核電發展面臨的一項重要挑戰。核能制氫是一條可用于應對這一挑戰的重要途徑。

            第三,為未來的高溫氣冷堆和超高溫氣冷堆制氫進行技術儲備。制氫技術具有一定的相 通性。高溫電解技術在與現有機組耦合并得到成功應用后,未來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

            國際上的能量供應主要來源于煤炭、石油等化石能源,這也導致日益嚴重的能源枯竭和環境污染問題。因此,尋求更加高效、清潔能源進行替代成為了必然趨勢。氫能具有環保、高效、來源豐富、運輸方便和應用廣泛的特點,起著保障國家能源安全和優化能源結構作用,是未來最有希望得到大規模利用的清潔能源。

            以水為原料的核能制氫,不僅能實現制氫過程的無碳排放,還能拓展核能的利用方式,提高核電廠的經濟競爭力,并為核電廠與可再生能源的和諧發展創造條件,地球上可供開發的核燃料資源、可提供的能量是礦石燃料的十多萬倍。核能制氫將二者結合,是為可持續發展以及氫能經濟開辟道路,推動形成綠色發展和生活方式,在當前形勢下,具有廣闊的應用前景。

           目前國際上各大發達國家都在積極的進行核能制氫項目的研究與開展,力圖早日邁入氫能經濟社會。國正在積極推動核能制氫技術的發展,并已進入商業示范階段。我國在國家科技重大專項“大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電站”支持下,高溫堆制氫關鍵技術研究已取得良好進展,處于世界領先地位。在發展核氫戰略中,需要政府加大政策支持和投入保障力度,盡快落實建設60萬千瓦高溫氣冷堆核能工程;大力發展和引進核能制氫人才和研發企業,提高專業研發能力,擴大產業范圍。

           來源:微信號“財經十一人”首發                                                   發布時間:2021-06-22

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