積極發(fā)展核能制氫助力雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)

劉 秀 李林蔚 王婉瑩/文

發(fā)展核能制氫的必要性

構(gòu)建清潔低碳能源體系的重要環(huán)節(jié)

當(dāng)前，全球能源進(jìn)入新的發(fā)展階段，世界能源加快向多元化、清潔化、低碳化轉(zhuǎn)型。核能與氫能是清潔、高效、安全能源的代表，核能與氫能的結(jié)合將使能源生產(chǎn)和利用的全過程實(shí)現(xiàn)潔凈化，是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展、實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)、保障能源供應(yīng)安全的重要支撐。當(dāng)前，民用核能主要是發(fā)電，隨著第四代核能系統(tǒng)等技術(shù)逐漸成熟應(yīng)用，以核能制氫為主的核能綜合利用將成為構(gòu)建清潔低碳能源體系的重要環(huán)節(jié)。

推進(jìn)高效低碳制氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要

目前，工業(yè)氫的生產(chǎn)過程并不低碳，全球超過95%的工業(yè)氫采用蒸汽甲烷重整工藝（SMR）制備，成本較低，但制氫生成的一氧化碳會(huì)進(jìn)行水煤氣反應(yīng)生成額外的二氧化碳。采用核能進(jìn)行甲烷熱分解（TDM）制氫，通過催化劑作用在500-700℃的范圍內(nèi)甲烷即可發(fā)生熱解，過程中產(chǎn)生的碳是純固體碳或炭黑，較易捕捉，熱解所需的高溫可由核電廠直接提供，不需要將熱能轉(zhuǎn)換為電能產(chǎn)生能量損失。這種方式制氫的能量需求極低，幾乎比水電解低8 倍，而產(chǎn)生的氫能比低溫電解水高出幾倍，成本可以與SMR 競(jìng)爭(zhēng)。隨著核能制氫技術(shù)的不斷成熟，核能制氫可能成為大規(guī)模且高效發(fā)展清潔氫經(jīng)濟(jì)的重要途徑。

提升核能行業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的有效途徑

核電站開啟后關(guān)停成本很高，一般開啟后都是需要連續(xù)工作1-1.5 年才關(guān)停做一次檢修。因此，當(dāng)用電站運(yùn)作時(shí)碰到用電低峰期時(shí)，核電站產(chǎn)生的電力就是屬于沒有辦法消納和存儲(chǔ)的電力。以中核集團(tuán)為例，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Nm，約為17.8 萬噸。利用棄電制氫能夠?yàn)楹穗姰a(chǎn)業(yè)提供額外的產(chǎn)出，有助于維持正在老化的反應(yīng)堆在市場(chǎng)上的服役狀態(tài)，避免在可以選擇成本更低的能源時(shí)削減核能的產(chǎn)量。

核能制氫發(fā)展現(xiàn)狀

核能制低碳?xì)渫緩?/h3>

核能制氫是指將核反應(yīng)堆技術(shù)與先進(jìn)制氫工藝耦合進(jìn)行制氫，不同的堆型可以在不同的溫度范圍內(nèi)提供制氫所需的熱能或電能（見表）。

不同堆型的參數(shù)及制氫工藝

目前核能制低碳?xì)渲饕幸韵聨追N途徑：

冷水電解制氫。通過核能為冷水電解提供電力，英國(guó)希舍姆核電站氫能項(xiàng)目對(duì)該工藝進(jìn)行了研究。該工藝可用且在現(xiàn)有技術(shù)中成本最低，并已在小規(guī)模上得到驗(yàn)證。

蒸汽電解制氫。高溫蒸汽電解溫度約在600-1000℃，其能耗比冷水電解少1/3，因此有望實(shí)現(xiàn)更高效率。低溫?zé)嵋部商岣唠娊庑?，如英?guó)的壓水堆（EPR）的低溫?zé)崮埽?50-200℃）支持蒸汽電解已證實(shí)是可行的，其效率也優(yōu)于冷水電解。

熱化學(xué)水解制氫。利用AMR產(chǎn)生的600-900℃熱量，在使用化學(xué)催化劑的情況下可使水分解為氫氣，且具備較高效率。現(xiàn)有反應(yīng)堆無法產(chǎn)生足夠高溫用于該過程，但政府正開發(fā)AMR 以支持該項(xiàng)應(yīng)用。

化石燃料重整制氫。通過核能廢熱為化石燃料蒸汽重整制氫提供高溫?zé)幔枰鋫涮疾都头獯嬖O(shè)施。

我國(guó)核能制氫發(fā)展現(xiàn)狀

制定頂層戰(zhàn)略規(guī)劃，引領(lǐng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

國(guó)家相繼出臺(tái)了一系列政策，推動(dòng)氫能的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。2015 年明確提出到2025 年，制氫、加氫等配套要完善。2016 年5 月，發(fā)改委和能源局發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016-2030 年）》和《能源技術(shù)革命重點(diǎn)創(chuàng)新行動(dòng)路線圖》，將氫能產(chǎn)業(yè)納入發(fā)展重點(diǎn)，表明氫能將在我國(guó)未來能源發(fā)展中發(fā)揮重要作用。國(guó)務(wù)院在2017 年制定的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，要求“集中攻關(guān)新型高效電池儲(chǔ)能、氫能和燃料電池”。2019 年發(fā)展氫能源首次被列入《政府工作報(bào)告》，各大企業(yè)從關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品推廣應(yīng)用等環(huán)節(jié)積極布局，引領(lǐng)核能制氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2020 年兩會(huì)批準(zhǔn)的“2020 年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展計(jì)劃的主要任務(wù)”中明確指出制定國(guó)家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。截至2020 年，我國(guó)省及直轄市級(jí)氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃超過10 個(gè)，地級(jí)市以下的氫能專項(xiàng)規(guī)劃超過30個(gè)。

推進(jìn)氫能項(xiàng)目研發(fā)，不斷取得技術(shù)突破。

我國(guó)在“十一五”期間就開展了核能制氫項(xiàng)目研發(fā)，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2001 年建成了10MW 高溫氣冷實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(HTR-10)，該項(xiàng)目由國(guó)家“863”計(jì)劃支持，2003 年達(dá)到滿功率運(yùn)行。核能制氫也已被列入專項(xiàng)，第三階段的研究工作已經(jīng)開展。我國(guó)200MW 高溫氣冷堆商業(yè)示范電站建設(shè)項(xiàng)目當(dāng)前已被列入國(guó)家科技重大專項(xiàng)，計(jì)劃于2021 年建成投產(chǎn)。

中核集團(tuán)在2018 年聯(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)將高溫氣冷堆與熱化學(xué)循環(huán)制氫技術(shù)耦合，可以大規(guī)模生產(chǎn)氫氣，目標(biāo)是建成一座600MW 超高溫氣冷堆，與一座產(chǎn)氫50000Nm/h 的熱化學(xué)制氫工廠匹配生產(chǎn)。

國(guó)電投開展“國(guó)和一號(hào)＋”智慧核能綜合利用示范項(xiàng)目研究，利用5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控電力供需狀態(tài)。增設(shè)智慧儲(chǔ)能、電解制氫等設(shè)施，通過智慧平臺(tái)智能調(diào)控，實(shí)現(xiàn)用電低谷期電力存儲(chǔ)、制氫，提高用能效率，達(dá)到多能源互補(bǔ)及供需平衡。項(xiàng)目建成投運(yùn)后，每年可增加發(fā)電量約600 萬千瓦時(shí)，替代煤炭消費(fèi)1800噸，減排二氧化碳4500 噸。

簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，打造氫能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。

國(guó)電投科學(xué)技術(shù)研究院與遼寧省朝陽市于2017 年10 月簽署朝陽氫能源產(chǎn)業(yè)基地戰(zhàn)略合作框架協(xié)議。根據(jù)協(xié)議，國(guó)電投科學(xué)技術(shù)研究院氫能源產(chǎn)業(yè)基地項(xiàng)目計(jì)劃一期總投資11.3 億元，著力建設(shè)風(fēng)電制氫-氫儲(chǔ)能科技示范項(xiàng)目、氫能源綜合利用科技示范項(xiàng)目。此前于2017 年9 月，國(guó)電投氫能科技發(fā)展有限公司與騰華氫能、博石資產(chǎn)簽訂協(xié)議，共同投資10 億元用于氫能產(chǎn)業(yè)投資基金。

中核集團(tuán)、清華大學(xué)、中國(guó)寶武三方于2019 年1 月簽訂《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。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)。同年4 月，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。

發(fā)展展望

氫能具有環(huán)保、高效、來源豐富、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，是未來最有希望得到大規(guī)模利用的清潔能源。面對(duì)未來的低碳化需求，核能制氫不僅能實(shí)現(xiàn)制氫過程的無碳排放，還能拓展核能的多元利用，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。隨著第四代核電技術(shù)的發(fā)展，核能制氫將為可持續(xù)發(fā)展以及氫能經(jīng)濟(jì)開辟新的道路，加速推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。未來核能制氫的發(fā)展應(yīng)重視以下能力建設(shè)，一是統(tǒng)籌規(guī)劃，制定合理的發(fā)展框架和路線圖；二是開放合作，打造更加堅(jiān)固的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟；三是加大投資力度，推進(jìn)先進(jìn)技術(shù)迭代；四是強(qiáng)化技術(shù)轉(zhuǎn)化與成果應(yīng)用，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化發(fā)展。