主要核工業(yè)國家大力推進(jìn)核能制氫

美國能源部2022 年11 月宣布，首座核能制氫示范設(shè)施即將在2022 年12 月開始制氫，另外三座核能制氫示范設(shè)施也將在2023—2024年投運(yùn)。這四座設(shè)施將示范總計(jì)四種以水為原料的電解制氫技術(shù)。

氫是一種綠色低碳、應(yīng)用廣泛的二次能源，對(duì)構(gòu)建清潔安全高效的能源體系、實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)具有重要意義。目前全球大部分制氫工藝需要使用煤、石油、天然氣等化石燃料，制取過程中會(huì)釋放大量二氧化碳，不利于碳減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。核能是一種低碳排放的一次能源。以水為原料的核能制氫已成為全球公認(rèn)的最具前景的大規(guī)模制氫方式之一。包括美國、俄羅斯、法國、英國在內(nèi)的世界主要核工業(yè)國家均在積極推進(jìn)核能制氫。

1 美國

美國政府十分重視氫能的發(fā)展，2001 年11月發(fā)布《美國向氫經(jīng)濟(jì)過渡的國家愿景——至2030年及以后》，概述了氫能在美國未來能源發(fā)展中可能發(fā)揮的作用以及實(shí)現(xiàn)氫能經(jīng)濟(jì)的共同愿景；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(tái)一系列政策措施大力推進(jìn)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(qiáng)調(diào)將利用核能清潔、高效制氫。

1.1 最新進(jìn)展

在能源部資助下，相關(guān)企業(yè)正在四座核電廠推進(jìn)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(yùn)，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)。

聯(lián)合能源公司正在九英里峰核電廠建設(shè)一座1250 千瓦的低溫電解設(shè)施（質(zhì)子交換膜電解槽），將于今年12 月啟動(dòng)清潔氫生產(chǎn)，成為美國首座投運(yùn)的核能制氫設(shè)施。聯(lián)合能源公司還計(jì)劃與NYSERDA公司合作，在這座核能制氫設(shè)施附近建設(shè)一座氫燃料電池設(shè)施，于2025 年開始向電網(wǎng)供電。

Energy Harbor 公司正在戴維斯-貝瑟核電廠推進(jìn)低溫電解（聚合物電解質(zhì)膜）制氫設(shè)施建設(shè)，預(yù)計(jì)該設(shè)施將于2023年投入運(yùn)行。

能源部正在與亞利桑那州公共服務(wù)公司和西北太平洋氫協(xié)會(huì)協(xié)商，目的是資助后兩者在帕洛弗迪核電廠建設(shè)使用第三種低溫電解技術(shù)的制氫設(shè)施，預(yù)計(jì)該設(shè)施將于2024 年開始制氫。

?？宋鳡柲茉垂竞筒剪斈纺茉垂菊谕七M(jìn)普雷里島核電廠240 千瓦高溫電解制氫設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目。目前正在開展設(shè)施的設(shè)計(jì)工作。預(yù)計(jì)設(shè)施將于2023 年啟動(dòng)建設(shè)，2024 年初開始制氫。

1.2 未來行動(dòng)

為繼續(xù)推動(dòng)核能制氫技術(shù)的發(fā)展，美國在近期發(fā)布的多份文件中均對(duì)核能制氫給予專項(xiàng)支持。

能源部2022年9月底發(fā)布《國家清潔氫戰(zhàn)略和路線圖》草案，內(nèi)容涉及清潔氫的生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)和使用。該草案中就清潔氫的發(fā)展提出三項(xiàng)關(guān)鍵戰(zhàn)略。一是實(shí)現(xiàn)清潔氫的戰(zhàn)略性、高價(jià)值應(yīng)用。一方面，美國將推進(jìn)清潔氫在工業(yè)、重型運(yùn)輸業(yè)和長期儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用。另一方面，美國將長期推進(jìn)清潔氫的出口，保障盟國的能源供應(yīng)安全。二是降低清潔氫的成本。能源部將推進(jìn)創(chuàng)新，激勵(lì)私營企業(yè)投資，并推動(dòng)氫供應(yīng)鏈的建設(shè)，目標(biāo)是大幅降低制氫成本。三是建設(shè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，如區(qū)域清潔氫中心等。草案將核能制氫視為一種有前景的清潔制氫技術(shù)。

美國2022年8月頒布《通脹削減法》，明確提出將以稅費(fèi)抵免（每千克低碳?xì)? 美元）方式支持包括核電廠在內(nèi)的清潔能源電廠開展和擴(kuò)大氫的生產(chǎn)。

2022 年9 月，能源部采取了兩項(xiàng)行動(dòng)：一是根據(jù)2011年《基礎(chǔ)設(shè)施投資和就業(yè)法》的要求宣布啟動(dòng)一項(xiàng)總投資70 億美元的清潔氫計(jì)劃，未來將在全國范圍內(nèi)建設(shè)六至十個(gè)區(qū)域清潔氫中心，其中至少一個(gè)中心必須使用核能；二是宣布開始接收“核能制氫及應(yīng)用”項(xiàng)目資助申請(qǐng)。兩類項(xiàng)目可以獲得資助：一類涉及為未來的核能與氫能工業(yè)園區(qū)設(shè)計(jì)、開發(fā)和建設(shè)熱量提取設(shè)施，另一類涉及核能的氫耦合終端應(yīng)用。預(yù)計(jì)第一類項(xiàng)目將支持以200萬～300萬千瓦熱功率水平進(jìn)行熱量的提取、分配和控制。同樣在9 月，聯(lián)合能源公司與阿貢國家實(shí)驗(yàn)室簽署長期合作協(xié)議，將對(duì)美國能源發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)估，并開發(fā)更高效的低碳發(fā)電技術(shù)。在這一協(xié)議下，雙方將在2028 年底前完成多個(gè)合作項(xiàng)目，包括一個(gè)核能制氫以及氫儲(chǔ)存和運(yùn)輸項(xiàng)目。

2 其他國家

當(dāng)前，包括俄羅斯、法國、英國、日本和加拿大在內(nèi)的全球10多個(gè)國家也明確提出將利用核能制氫，積極出臺(tái)相關(guān)政策，支持核能制氫技術(shù)研發(fā)，并已取得一系列進(jìn)展，多座核能制氫示范設(shè)施有望近期投運(yùn)。

2.1 俄羅斯

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(jìn)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(tuán)公司將在制氫領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用；2021年8月發(fā)布《氫能源發(fā)展構(gòu)想》，將核能制氫作為一項(xiàng)優(yōu)先發(fā)展技術(shù)。

在相關(guān)政策支持下，俄原集團(tuán)準(zhǔn)備近期在現(xiàn)有核電廠實(shí)現(xiàn)電解制氫，遠(yuǎn)期利用高溫氣冷堆制氫，正在開展兩個(gè)項(xiàng)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(dòng)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(jì)工作，預(yù)計(jì)于2032 年建成首座高溫氣冷堆，并于2036年啟動(dòng)制氫。

2.2 法國

法國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?？偨y(tǒng)馬克龍?jiān)?021年10月公布的“法國2030計(jì)劃”中指出，法國能夠大力發(fā)展低碳?xì)涞年P(guān)鍵在于其擁有核能這張“王牌”，即可以利用核電這一在法國總發(fā)電量中占比超過70%的低碳電力制氫，因此法國將投資23億歐元推動(dòng)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(jí)“超級(jí)制氫廠”。

法國麥克菲公司將建造一座超級(jí)制氫廠，目前已完成選址工作，并在今年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(huì)“歐洲共同利益項(xiàng)目——?dú)浼夹g(shù)”資金支持。法國電力公司于今年4 月中旬啟動(dòng)一項(xiàng)氫計(jì)劃，將投資20 億～30 億歐元用于推進(jìn)核電制氫，目標(biāo)是到2030年建成300萬千瓦電解槽。

2.3 英國

英國2021 年8 月發(fā)布的《氫戰(zhàn)略》將核能作為制氫的關(guān)鍵能源，強(qiáng)調(diào)：一是利用現(xiàn)有反應(yīng)堆低溫電解制氫；二是大力研發(fā)高溫氣冷堆，到本世紀(jì)三十年代實(shí)現(xiàn)高溫電解制氫；三是研發(fā)先進(jìn)反應(yīng)堆，在本世紀(jì)三十年代中后期使用這類反應(yīng)堆進(jìn)行熱化學(xué)分解水制氫。2022年4月，英國發(fā)布《能源安全戰(zhàn)略》，計(jì)劃通過發(fā)展核能和可再生能源，到2030 年將低碳電解制氫能力提升至1000萬千瓦。

法國電力公司正在英政府支持下推進(jìn)兩個(gè)核能制氫項(xiàng)目：一是為正在建設(shè)中的欣克利角C核電廠配備大型制氫電解槽；二是2022 年11 月初獲得英國商業(yè)、能源和工業(yè)戰(zhàn)略部40 萬英鎊的支持，將就在希舍姆核電廠利用高溫電解（固體氧化物電解池）技術(shù)制氫開展可行性研究。此外，超安全英國公司計(jì)劃以其現(xiàn)有微型高溫氣冷堆為基礎(chǔ)，開發(fā)改進(jìn)型微堆，并進(jìn)行制氫示范。該項(xiàng)目已獲得政府資助。

2.4 日本

日本2017 年12 月發(fā)布《氫基本戰(zhàn)略》，目標(biāo)是在降低碳排放的同時(shí)維護(hù)工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。隨后日本于2020 年10 月發(fā)布《綠色增長戰(zhàn)略》，并于2021 年6 月發(fā)布修訂版戰(zhàn)略。修訂版戰(zhàn)略提出將大力推進(jìn)核能制氫，尤其是利用高溫氣冷堆制氫。日本計(jì)劃在2030年完成高溫氣冷堆制氫技術(shù)研發(fā)，即將高溫氣冷堆與高溫電解、蒸汽甲烷重整和熱化學(xué)分解水工藝耦合。

應(yīng)日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省要求，日本原子能研究開發(fā)機(jī)構(gòu)和三菱重工2022 年4 月啟動(dòng)高溫工程試驗(yàn)堆（HTTR）制氫示范項(xiàng)目，目前正在開展相關(guān)研究，計(jì)劃從今年年底開始分階段開展許可申請(qǐng)、設(shè)備改造和測(cè)試工作。

2.5 加拿大

加拿大2020 年12 月發(fā)布《氫能戰(zhàn)略》，大力支持核能制氫，該戰(zhàn)略的短期目標(biāo)是利用現(xiàn)有核電機(jī)組在非電力需求高峰時(shí)段生產(chǎn)的電力制氫，長期目標(biāo)是利用先進(jìn)反應(yīng)堆的蒸汽和高溫?zé)崮芊謩e開展蒸汽甲烷重整工藝制氫和熱化學(xué)分解水制氫。

布魯斯電力公司正在研究利用布魯斯核電廠過剩電力制氫的可行性。安大略理工大學(xué)正在就核能和熱化學(xué)分解工藝耦合制氫開展研究，目前已在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行示范，屬全球首次。

3 核能制氫商業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)

核能制氫技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用目前主要面臨兩項(xiàng)挑戰(zhàn)。

一是技術(shù)方面。目前最為成熟的核能制氫方法是直接利用核電進(jìn)行常溫電解制氫，然而由于現(xiàn)有大多數(shù)核電廠熱電轉(zhuǎn)換效率僅為約35%，因此這一方法的熱能至氫能的轉(zhuǎn)換率最高僅為30%。而以熔鹽、液體金屬和氣體為冷卻劑的先進(jìn)反應(yīng)堆能夠作為500～900℃的高溫?zé)嵩础邷貧饫涠芽蛇_(dá)1000℃，與高溫電解、蒸汽甲烷重整或熱化學(xué)分解水工藝耦合制氫，這些技術(shù)熱能至氫能的轉(zhuǎn)換率可達(dá)60%甚至更高。然而，蒸汽甲烷重整技術(shù)在制氫過程中將會(huì)排放大量二氧化碳，因此需配備碳捕集、利用和封存設(shè)施，這會(huì)增加成本和工藝復(fù)雜性，因此加拿大等國將其視為過渡性制氫技術(shù)。相比之下，核能與高溫電解和熱化學(xué)分解水工藝耦合更具優(yōu)勢(shì)，但其技術(shù)成熟度目前相對(duì)較低。

二是經(jīng)濟(jì)性方面。成本是核能制氫能否實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)利用的關(guān)鍵因素。根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)開發(fā)的氫經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)程序，生產(chǎn)成本和外部投融資支持是影響核能制氫經(jīng)濟(jì)性的核心要素。生產(chǎn)成本主要受反應(yīng)堆造價(jià)和運(yùn)行成本、制氫設(shè)備成本以及制氫規(guī)模等因素的影響，其中先進(jìn)反應(yīng)堆與高溫電解和熱化學(xué)分解水工藝耦合可有效降低制氫的平準(zhǔn)化成本；核能制氫規(guī)模的擴(kuò)大能夠助推成本的進(jìn)一步降低。包括提供優(yōu)惠貸款、給予稅費(fèi)抵免和建立碳排放交易體系在內(nèi)的外部投融資支持，也有助于提升核能制氫經(jīng)濟(jì)性。

4 小結(jié)

全球能源結(jié)構(gòu)清潔低碳轉(zhuǎn)型將帶來氫需求的持續(xù)快速增長。核能制氫技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)制氫的低碳排放，還將推進(jìn)核能的多元化應(yīng)用，提高核電廠的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，具有廣闊的發(fā)展前景。為在保障能源供應(yīng)安全的同時(shí)推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)氣候目標(biāo)，全球主要核工業(yè)國家正在積極推進(jìn)核能制氫技術(shù)發(fā)展，并已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，首批示范設(shè)施即將投運(yùn)。為支持核能制氫技術(shù)發(fā)展，國際原子能機(jī)構(gòu)2022年5月啟動(dòng)核能制氫部署路線圖倡議，擬匯集決策者、技術(shù)開發(fā)商、項(xiàng)目管理者和運(yùn)營者等多方力量，共享各國核能制氫發(fā)展戰(zhàn)略和相關(guān)技術(shù)研發(fā)的最新進(jìn)展，明確相關(guān)技術(shù)的商業(yè)化路徑，并制訂一份路線圖指導(dǎo)文件，為各國提供用于評(píng)價(jià)、規(guī)劃和制訂核能制氫發(fā)展戰(zhàn)略的工具。迄今已有28 個(gè)國家和4 個(gè)國際組織參與這項(xiàng)倡議。