有著“21世紀的終極能源”之稱的氫能，是一種公認的清潔能源，因具有重量輕、環(huán)境友好，儲量豐富，熱值極高等多重特性而備受青睞。氫能對推動能源轉(zhuǎn)型、促進全球經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展意義重大。

(相關(guān)資料圖)

隨著氣候危機日益嚴峻，各國都在不斷加速推進能源向低碳轉(zhuǎn)型。在實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的過程中，所有人都在談?wù)摼G氫這種潛在的氣體和燃料替代品，但另一種替代方案：利用核能制取的粉氫，卻在很大程度上被忽視了。

目前，由于生產(chǎn)綠色氫氣成本非常高，大多數(shù)氫氣生產(chǎn)仍然依賴于天然氣。根據(jù)國際能源署(IEA)的數(shù)據(jù)，2021年低排放氫氣產(chǎn)量占全球氫氣產(chǎn)量不足1%。謝菲爾德大學(xué)格蘭瑟姆可持續(xù)未來中心負責(zé)人雷切爾·羅斯曼（Rachael Rothman）認為，粉氫通過核能分解水獲得，整個運行系統(tǒng)十分低碳，粉氫可以成為綠氫的應(yīng)急替代品，以支持該行業(yè)的更快擴張。

事實上，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，因其清潔、高效、大規(guī)模等優(yōu)勢越來越受到主要核工業(yè)國家的青睞。

2022 年7 月26 日，包括國際原子能機構(gòu)（IAEA）、世界核協(xié)會（WNA）、美國愛達荷國家實驗室（INL）、美國亞利桑那公共服務(wù)公司（Arizona Public Services）、美國紐斯凱爾電力公司（NuScale Power）在內(nèi)的全球50 多家國際組織、研究機構(gòu)、核電運營商和先進反應(yīng)堆技術(shù)開發(fā)商等聯(lián)合成立“核能制氫倡議”聯(lián)盟，旨在合作推進核能制氫技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用，助力全球碳減排進程。

長期以來，歐盟多國對于是否要將核能制氫納入“低碳氫氣”分類的爭論不斷。核電占據(jù)電力結(jié)構(gòu)70%以上的法國，則一直是核能制氫的堅定推動者。今年2月初，法國聯(lián)合其他八個歐盟成員國向歐盟委員會致信，希望歐盟修改當前的可再生能源分類規(guī)則，將利用核能制得的氫氣納入低碳燃料的分類中。

隨后，在歐盟委員會2月13日公布的可再生能源指令（RED II）要求的兩項授權(quán)法案中，允許平均溫室氣體排放量低于 18 克 CO2當量每兆焦耳（64.8CO 2 e/kWh）的國家電網(wǎng)免除“額外性”的需要。有專家指出，按照法國電網(wǎng)前幾年55-56gCO 2 e/kWh的溫室氣體排放率，法國將有望通過核能生產(chǎn)可再生氫。不過，歐盟委員會承諾關(guān)于 “低碳”氫的單獨裁決將于明年年底前完成，屆時對于核能制氫是否能納入“低碳”氫的分類將會有最終定論。

什么是粉氫

目前世界上工業(yè)應(yīng)用的制氫方法以化石燃料重整為主，在生產(chǎn)過程中會有二氧化碳等排放，稱為灰氫。將天然氣通過蒸汽甲烷重整或自熱蒸汽重整制成的氫氣，并在生產(chǎn)過程中使用碳捕集、利用與封存（CCUS）等技術(shù)捕獲溫室氣體，則為藍氫。通過使用可再生能源（例如太陽能、風(fēng)能）電解水制成的氫氣則稱為綠氫。

粉氫是將核反應(yīng)堆與先進制氫工藝耦合生產(chǎn)得到的氫氣，在此過程中既能實現(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，是未來氫氣大規(guī)模供應(yīng)的重要解決方案。

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, 而高溫氣冷堆能夠提供高溫工藝熱，是目前最理想的高溫電解制氫的核反應(yīng)堆。在800℃下，高溫電解的理論效率高于50%，溫度升高會使效率進一步提高。在此種方案下，高溫氣冷堆（出口溫度700℃～950℃）和超高溫氣冷堆（出口溫度950℃以上）是目前最理想的高溫電解制氫的核反應(yīng)堆。

高溫氣冷堆提供了制氫需要的熱源，其匹配的技術(shù)路線主要有兩條：固體氧化物電解水制氫（SOEC）和碘硫循環(huán)制氫。高溫固體氧化物電解水制氫（SOEC）為全固態(tài)結(jié)構(gòu)，由陰極、陽極和電解質(zhì)組成，從技術(shù)原理可分為氧離子傳導(dǎo)型SOEC 和質(zhì)子傳導(dǎo)型SOEC，從結(jié)構(gòu)類型可分為平板式和管式。碘硫循環(huán)制氫則主要分為本生反應(yīng)、碘化氫分解和硫酸分解三個步驟，反應(yīng)的凈結(jié)果為水分解生成氫氣和氧氣。

兩者相比，SOEC 的商業(yè)化成熟度較高，技術(shù)路線明確，無需貴金屬材料，未來可以通過規(guī)模化實現(xiàn)降本，但瓶頸在于單堆功率較低，和核能的大規(guī)模工業(yè)制氫適配度較低。碘硫循環(huán)制氫尚未實現(xiàn)商業(yè)化，初期投資成本大，但具備規(guī)模經(jīng)濟性，與核能大規(guī)模工業(yè)制氫匹配度高。

核工業(yè)大國的核能制氫進程

美國2002 年4 月發(fā)布首份《國家氫能路線圖》，明確了未來氫能發(fā)展的基本方向；此后陸續(xù)出臺一系列政策措施大力推進制氫技術(shù)研發(fā)，并將核能制氫作為一條十分重要的技術(shù)路線。2022年9月，能源部發(fā)布《國家清潔氫戰(zhàn)略和路線圖》草案，開始向公眾征求意見。草案反復(fù)強調(diào)將利用核能清潔、高效制氫。

在能源部資助下，美國相關(guān)企業(yè)正在四座核電廠推進核能制氫示范設(shè)施建設(shè)。這些設(shè)施均將在2024 年底前投運，分別采用了四種技術(shù)，包括三種低溫電解技術(shù)和一種高溫電解技術(shù)。美國能源部通過與電力企業(yè)合作，對在九英里峰核電廠、戴維斯-貝瑟核電廠、普雷里島核電廠和帕洛弗迪核電廠生產(chǎn)清潔氫的示范項目提供支持。其中，紐約的九英里角核電站預(yù)計將在2023年年底前示范展示使用低溫電解技術(shù)的核能制氫；Energy Harbor公司正在戴維斯-貝瑟核電廠推進低溫電解（聚合物電解質(zhì)膜）制氫設(shè)施建設(shè)，預(yù)計該設(shè)施將于2023年投入運行；普雷里島核電廠則預(yù)計在2023年底開始施工，于2024年初通電并生產(chǎn)氫氣。

另一個核電大國俄羅斯于俄羅斯2020 年6 月發(fā)布《2035 年能源戰(zhàn)略》，提出將成為世界領(lǐng)先的氫生產(chǎn)國和出口國，并積極推進核能制氫應(yīng)用；同年10 月發(fā)布《2024年前氫能發(fā)展路線圖》，明確指出俄羅斯國家原子能集團公司將在制氫領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。隨后，俄羅斯在2021年8月發(fā)布了《俄羅斯氫能發(fā)展概念》，邁出了其漫長氫能行動計劃的第一步，并將核能制氫作為一項優(yōu)先發(fā)展技術(shù)。

在相關(guān)政策支持下，俄原集團準備近期在現(xiàn)有核電廠實現(xiàn)電解制氫，遠期利用高溫氣冷堆制氫，正在開展兩個項目：一是到2025 年在科拉核電廠建成一座能年產(chǎn)150 噸氫氣的電解制氫中試設(shè)施；二是于2021 年啟動高溫氣冷堆與蒸汽甲烷重整工藝耦合制氫技術(shù)的研發(fā)及前端工程和設(shè)計工作，預(yù)計于2032 年建成首座高溫氣冷堆，并于2036年啟動制氫。

歐洲核電大國法國在2020 年9 月發(fā)布國家氫能戰(zhàn)略，宣布將在2030 年前投資70 億歐元建成650 萬千瓦電解槽，以利用核能和可再生能源制氫。總統(tǒng)馬克龍在2021 年10 月公布的“法國2030 計劃”中指出，法國能夠大力發(fā)展低碳氫的關(guān)鍵在于其擁有核能這張“王牌”，核動力制氫在法國未來能源結(jié)構(gòu)中的重要作用。馬克龍將“核能、氫能和可再生能源”三者置于 300 億歐元（350 億美元）工業(yè)復(fù)興計劃的核心，并表示到 2030 年，法國必須成為全球氫能的領(lǐng)導(dǎo)者。因此法國將投資23億歐元推動電解制氫技術(shù)的發(fā)展，包括到2030年至少建成2座百萬千瓦級“超級制氫廠”。

法國麥克菲公司將建造一座超級制氫廠，目前已完成選址工作，并在2022年2 月從法國政府獲得1.14億歐元資助，隨后于7 月宣布獲得歐盟委員會“歐洲共同利益項目——氫技術(shù)”資金支持。法國電力公司于去年4 月中旬啟動一項氫計劃，將投資20 億～30 億歐元用于推進核電制氫，目標是到2030年建成300萬千瓦電解槽。

我國核能制氫的發(fā)展

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)核能與新能源技術(shù)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(yīng)堆（HTR-10），2003年達到滿功率運行。對核能制氫技術(shù)的研究也列為專項的研發(fā)項目，目前正在開展第三階段的研究工作。2012年我國已將高溫氣冷堆示范電站的建設(shè)列入國家重大專項。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。

2018年，中核集團聯(lián)合清華大學(xué)、中國寶武開展核能制氫、核氫冶金項目合作研究，建成了產(chǎn)氫能力100NL/h規(guī)模的臺架并實現(xiàn)86小時連續(xù)運行。

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。

2022 年9 月，東華能源公告與中國核電簽署《戰(zhàn)略合作協(xié)議》，雙方共同推進高溫氣冷堆項目，未來五年內(nèi)預(yù)計投資超千億元，共同打造零碳產(chǎn)業(yè)園。2022 年11 月，東華能源公告擬與中國核電共同出資設(shè)立茂名綠能，分別持股49%和51%，進一步推進高溫氣冷堆項目。高溫氣冷堆項目預(yù)計將于2023 年開工建設(shè)，建設(shè)期4 年，2027 年正式投入使用。項目建成后，高溫氣冷堆提供的熱源：一方面可用于丙烷脫氫工藝（PDH 需要在550-650℃的高溫下進行），降低脫氫成本；另一方面，可用于匹配SOEC或碘硫循環(huán)制氫路線，實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)制粉氫。

雖然核能制氫具有廣闊的發(fā)展前景，但要實現(xiàn)商業(yè)化還需克服諸多挑戰(zhàn)：一是核能制氫的經(jīng)濟性尚待驗證，成本是核能制氫能否實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)利用的關(guān)鍵因素。彭博新能源財經(jīng)（BNEF）在其2021 年9 月發(fā)布的《探索核電制氫經(jīng)濟性》報告中就指出，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(fēng)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。二是能高效率制氫的高溫氣冷堆技術(shù)還不成熟，其工藝系統(tǒng)、關(guān)鍵設(shè)備、核心材料等技術(shù)都還需要進一步試驗和改進。此外，安全性也是制約核能制氫的一大因素之一。中核工程咨詢有限公司劉佳鑫表示：“如何保證與核電偶聯(lián)的設(shè)備在氫運輸?shù)认嚓P(guān)過程中的安全，是需要突破的重點和難點?！?/p>

談及核能制氫的制約條件，清華大學(xué)工程物理系副研究員俞冀陽在接受中國環(huán)境報采訪時表示，“瓶頸其實就是經(jīng)濟性和市場化，以及相應(yīng)的配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)?！?/p>

未來，隨著核能制氫技術(shù)的進一步完善，核能在制氫方面的作用也會越來越大，有望成為將來氫氣大規(guī)模供應(yīng)的重要解決方案。

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[2]https://www.datacenterdynamics.com/en/news/eu-rules-that-france-can-use-nuclear-energy-to-make-green-hydrogen/

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[4]https://www.hydrogeninsight.com/policy/analysis-no-the-eus-new-delegated-act-does-not-allow-green-hydrogen-to-be-made-from-nuclear-power/2-1-1403726

[5]https://www.rechargenews.com/energy-transition/take-the-nuclear-option-for-low-cost-24-7-clean-hydrogen-production-says-new-global-coalition/2-1-1266966

[6]https://www.rechargenews.com/energy-transition/exclusive-interview-would-nuclear-hydrogen-cost-the-earth-not-if-west-learns-lessons-from-asia-says-new-global-coalition/2-1-1267042

[7]https://www.rechargenews.com/energy-transition/macron-hails-pink-hydrogen-from-nuclear-as-primary-asset-for-france/2-1-1086259

[8]https://www.world-nuclear.org/information-library/energy-and-the-environment/hydrogen-production-and-uses.aspx

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[14]20221214-國泰君安-產(chǎn)業(yè)深度04期：探索核能制氫星辰大海

[15]http://energy.people.com.cn/n1/2019/0311/c71661-30970316.html

[16]https://www.inet.tsinghua.edu.cn/zdxm/xnyyj/hnzq.htm

[17]https://www.acciona.com.au/updates/stories/what-are-the-colours-of-hydrogen-and-what-do-they-mean/?_adin=0745137403

[18]https://mp.weixin.qq.com/s/rTI876Hkxv0bpsGT-nMZRA

（圖片來源：veer圖庫）

關(guān)鍵詞： 高溫氣冷堆 可再生能源 清華大學(xué)