美國積極推進核能制氫技術(shù)的商業(yè)示范

美國能源部2004年以來一直在推進核能制氫研究，近期已取得階段性成果，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(biāo)是推進與現(xiàn)有核電機組匹配的低溫電解制氫和高溫電解制氫技術(shù)的商業(yè)化進程。

氫能是清潔的二次能源，有非常好的應(yīng)用前景，需要利用一次能源生產(chǎn)。目前，全球95%以上的氫能來源于化石能源，生產(chǎn)過程會排放溫室氣體并造成環(huán)境污染。核能是低碳、高效的一次能源。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，核電已經(jīng)成為清潔、安全、成熟的發(fā)電技術(shù)。核能制氫將核反應(yīng)堆與制氫工藝耦合，以水為原料進行大規(guī)模制氫，具有不產(chǎn)生溫室氣體、高效等優(yōu)點。

美國核能制氫研究概況

美國能源部下屬兩家機構(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核能制氫技術(shù)研究。

核能辦公室聚焦長期目標(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，但還需要一段時間才能實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。

能源效率與可再生能源辦公室重點關(guān)注能夠在近期實現(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)”制氫的兩項技術(shù)。一項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)布報告指出，核能高溫電解制氫技術(shù)有望在當(dāng)前市場環(huán)境中具備經(jīng)濟競爭力。另一項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%。

啟動三個商業(yè)示范項目

美國能源部迄今已宣布為由愛達(dá)荷國家實驗室牽頭的三個核能制氫商業(yè)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，第一能源方案公司將利用愛達(dá)荷國家實驗室的技術(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。項目總投資1050萬美元，能源部資助920萬美元。

埃克西爾能源公司2020年10月獲得能源部資助，將與愛達(dá)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(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)，計劃在2021年啟動工程和規(guī)劃工作，2022年啟動設(shè)施建設(shè)，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(dá)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(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)堆作為能量來源，SOEC有望實現(xiàn)氫氣的高效、清潔、大規(guī)模制備。在完成嚴(yán)格驗證測試后，愛達(dá)荷將把這一系統(tǒng)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(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，因此可對這兩種制氫技術(shù)進行比較。

推進現(xiàn)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(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的前提下積極推進現(xiàn)有機組制氫示范，主要有三點理由。

第一，現(xiàn)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(fā)展等因素的影響，美國核電機組的持續(xù)運行面臨著嚴(yán)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。

第二，為實現(xiàn)核電廠與可再生能源電廠未來的和諧發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。隨著風(fēng)能和太陽能等可再生能源的快速發(fā)展，如何在電網(wǎng)中實現(xiàn)與可再生能源的無縫整合，是未來核電發(fā)展面臨的一項重要挑戰(zhàn)。核能制氫是一條可用于應(yīng)對這一挑戰(zhàn)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(shù)儲備。制氫技術(shù)具有一定的相通性。高溫電解技術(shù)在與現(xiàn)有機組耦合并得到成功應(yīng)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。

結(jié)語

氫能是世界公認(rèn)的清潔能源，發(fā)展前景廣闊。我國目前是全球最大的制氫國，現(xiàn)有工業(yè)制氫產(chǎn)能為每年2500萬噸。預(yù)計到2050年氫能在中國能源體系中的占比將達(dá)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。

以水為原料的核能制氫，不僅能實現(xiàn)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(jīng)濟競爭力，并為核電廠與可再生能源的和諧發(fā)展創(chuàng)造條件。美國正在積極推動核能制氫技術(shù)的發(fā)展，并已進入商業(yè)示范階段。建議我國加大力度在核能制氫領(lǐng)域進行戰(zhàn)略性布局，以搶占未來氫能時代國際競爭的戰(zhàn)略制高點。