核能制氫可再生能源技術(shù)研究

朱雷杰，錢 彬，郭凱凱，張康鑫，高 陽，馬秦慧

（1.浙江省電力建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315800；2.中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計院有限公司，杭州 310012）

氫能是理想、高效的清潔能源，其具有成為優(yōu)質(zhì)燃料的潛力。氫能環(huán)境友好，儲量豐富，熱值極高。近年來，以氫能為主的新能源正逐漸成為全球關(guān)注的焦點。相比傳統(tǒng)能源，氫能的利用將大大提高能源利用效率，改善以化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)。氫能是一種二次能源，地球上幾乎沒有現(xiàn)成的氫氣，必須將含氫物質(zhì)（水、各種礦物燃料、各類生物質(zhì)）加工轉(zhuǎn)化為氫氣。目前，我國已經(jīng)是全球第一制氫大國。按照制氫原料分類，當(dāng)前世界氫氣的主要來源是化石能源制氫，約占96%；剩余4%來自電解水制氫。核能是清潔的一次能源，在我國呈現(xiàn)良好的發(fā)展態(tài)勢。根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，2030年、2035年我國核電裝機(jī)容量將分別達(dá)到1.31億kW、1.69億kW，發(fā)電量占比將分別達(dá)到10.0%、13.5%[1]。為實現(xiàn)核能的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)加強(qiáng)核反應(yīng)堆系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)一步拓展核能在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，如核能制氫、核能供暖等。與傳統(tǒng)制氫技術(shù)相比，核能制氫具有清潔、高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢[2]，未來我國應(yīng)不斷深化核能制氫的科學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

1 氫能的特點

1.1 資源豐富

每個水分子含有兩個氫原子和一個氧原子，以水為原料可以制取氫氣，而氫氣燃燒后僅生成水，因此，水是地球上無窮的氫礦。地球上，海水的氫含量約為l.51×1017t[3]。

1.2 熱值高

與常規(guī)能源相比，氫氣的熱值極高，約為汽油的2.7倍、甲醇的6倍、天然氣的2.4倍。同時，氫氣燃燒沒有CO2排放。常見能源的熱值和CO2排放量如表1所示[4]。

表1 常見燃料的熱值和CO2排放量

1.3 環(huán)境友好

與化石燃料相比，氫氣是一種清潔能源。氫氣燃燒不會生成NOx、SO2、粉塵、CO2等污染物，僅會生成水[5]。

2 主要制氫技術(shù)

氫氣可從多種途徑制備，制氫技術(shù)大多數(shù)比較成熟，每種制氫工藝的成本及環(huán)保程度均不相同。從氫氣來源分類，世界制取氫氣的主要方式是化石能源制氫，其主要以煤炭和天然氣為原料制取氫氣。除此之外，可再生能源制氫技術(shù)可利用水為原料制取氫氣，核能、太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、海洋能、潮汐能、地?zé)崮艿染芍苯踊蜷g接制取氫氣。

2.1 化石能源制氫技術(shù)

傳統(tǒng)的煤制氫技術(shù)主要分為煤的氣化和煤的焦化。煤的氣化是在高溫、常壓或加壓下，煤炭與氣化劑發(fā)生反應(yīng)，從而轉(zhuǎn)化為含H2的氣體產(chǎn)物。煤的焦化是在隔絕空氣條件下，利用900～1 000 ℃的高溫環(huán)境制取焦炭，從而獲得含氫55%～60%的副產(chǎn)品焦?fàn)t煤氣。傳統(tǒng)的天然氣制氫技術(shù)是天然氣重整制氫。天然氣的主要成分是甲烷（CH4），甲烷在高溫環(huán)境中經(jīng)催化劑活化，與水蒸氣、氧氣反應(yīng)生成H2。石油初步裂解后的產(chǎn)品（石腦油、重油、石油焦以及煉廠干氣）可用于制氫。石腦油制氫主要工藝過程包括石腦油脫硫轉(zhuǎn)化、CO變換、變壓吸附等。重油與水蒸氣、氧氣反應(yīng)制得含H2的氣體產(chǎn)物，同時重油燃燒為吸熱反應(yīng)提供熱量。石油焦制氫和煤的氣化過程類似，在高溫、常壓或加壓下，石油焦與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成含H2的氣體產(chǎn)物。煉廠干氣制氫通過輕烴蒸氣重整與變壓吸附分離制取氫氣。

2.2 可再生能源制氫技術(shù)

可再生能源中，太陽能、核能與生物質(zhì)能可直接制氫或間接制氫。生物質(zhì)能制氫能實現(xiàn)全生命周期零碳排放，生物質(zhì)生長過程吸收的CO2與其制氫過程排放的CO2是平衡的。生物質(zhì)能制氫是通過微生物代謝制取氫氣，該反應(yīng)溫和，對環(huán)境無影響，但制氫產(chǎn)率低、穩(wěn)定性低。風(fēng)能、海洋能、潮汐能、地?zé)崮?、水能只能間接制氫，即先發(fā)電，再使用電解水制取氫氣。電解水制取氫氣的原理是化合物的鍵能被電能破壞，使其重組為氫氣分子。電力是一種重要的能源，具有來源廣泛、容易獲取的特點，電解水制氫純度高，氫氣產(chǎn)物的凈化要求低。光催化分解水制氫是在催化劑（半導(dǎo)體材料）的參與下，利用光子能量將水分子轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣[6]。

3 核能與制氫耦合技術(shù)研究

核能制氫就是將核反應(yīng)堆與制氫相結(jié)合，核反應(yīng)堆有大量多余的熱能，制氫需要額外的能量。核能到氫能的轉(zhuǎn)化途徑較多。以水為原料時，整個制氫工藝過程都不產(chǎn)生CO2，基本可以消除溫室氣體排放；以其他原料制氫時，只能減少碳排放?，F(xiàn)階段，利用核能發(fā)電與電解水耦合制氫是一種具有規(guī)?；瘧?yīng)用潛力的核能制氫技術(shù)，而以水為原料與利用核反應(yīng)熱的甲烷蒸汽重整、高溫蒸汽電解和熱化學(xué)循環(huán)則是代表未來發(fā)展方向的核能制氫技術(shù)。

3.1 核能耦合甲烷蒸汽重整制氫

甲烷蒸汽重整是目前工業(yè)領(lǐng)域主要的制氫技術(shù)，該技術(shù)通常以天然氣為原料，成本低廉，規(guī)模大，但產(chǎn)生大量的溫室氣體。如式（1）所示，此反應(yīng)在催化劑條件下進(jìn)行，反應(yīng)溫度區(qū)間為500～950 ℃，天然氣與水蒸氣在高溫下反應(yīng)轉(zhuǎn)化為H2和CO2。制取的混合氣體中，氫氣體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)74%。甲烷蒸汽重整是一個吸熱反應(yīng)，需要輸入大量熱量。在甲烷蒸汽重整技術(shù)中，一部分甲烷作為原料生成H2，另一部分甲烷作為燃料燃燒為反應(yīng)提供能量。因此，反應(yīng)需要消耗大量天然氣并生成大量CO2。核能耦合甲烷蒸汽重整技術(shù)利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量為重整反應(yīng)提供熱源，可以顯著減少甲烷蒸汽重整所需要的天然氣和CO2排放。

3.2 核能耦合高溫蒸汽電解制氫

高溫蒸汽電解是基于固體氧化物電解過程實現(xiàn)，在800 ℃高溫下，產(chǎn)生單位體積氫氣的耗電量為3 kW·h/m3。當(dāng)反應(yīng)溫度進(jìn)一步升高時，耗電量會進(jìn)一步下降。高溫蒸汽電解過程為固體氧化物燃料電池的逆過程。由于核反應(yīng)堆提供大量反應(yīng)需要的熱量，高溫蒸汽電解的效率高于常規(guī)電解水[7]。核能耦合高溫蒸汽電解技術(shù)利用核反應(yīng)堆給電解系統(tǒng)提供熱源或蒸汽，電解的電能消耗可以顯著降低。此技術(shù)在熱力學(xué)上需要的電能減少，可以改善電解池的動力學(xué)，同時電解池中電極表面反應(yīng)的活化能能壘降低，可以提高反應(yīng)效率。

3.3 核能耦合熱化學(xué)循環(huán)制氫

熱化學(xué)循環(huán)將兩個或多個熱驅(qū)動的化學(xué)反應(yīng)互相耦合，組成一個閉合循環(huán)，所有試劑循環(huán)使用，單個化學(xué)反應(yīng)的所需溫度降低。熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)的所需溫度是800～900 ℃。核能耦合熱化學(xué)循環(huán)技術(shù)利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量作為反應(yīng)熱源，可以降低反應(yīng)的效率損失，實現(xiàn)核能耦合熱化學(xué)循環(huán)的高效轉(zhuǎn)化。

3.3.1 碘硫循環(huán)

硫碘循環(huán)以本生反應(yīng)為起點，與硫酸分解反應(yīng)、氫碘酸分解反應(yīng)相互耦合，不斷將水轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣[8]。一是本生反應(yīng)，如式（2）所示；二是硫酸分解反應(yīng)，如式（3）所示；三是氫碘酸分解反應(yīng)，如式（4）所示。

3.3.2 混合硫循環(huán)

混合硫循環(huán)由二氧化硫去極化電解和硫酸分解反應(yīng)組成。一是二氧化硫去極化電解，如式（5）所示；二是硫酸分解反應(yīng)，如式（6）所示。

3.4 常規(guī)電解水

電解水制氫的特點是需要大量的電能。在具有廉價電力或離網(wǎng)可再生能源電力供應(yīng)的前提下，電解水制氫具有優(yōu)勢，其化學(xué)反應(yīng)如式（7）所示。電解水制氫技術(shù)主要有堿水電解制氫、質(zhì)子交換膜電解制氫和固體氧化物電解制氫。堿水電解制氫系統(tǒng)由電解液（KOH溶液）、陽極、陰極和隔膜組成，技術(shù)簡單，設(shè)備運行負(fù)荷范圍較寬，介于10%～100%都可以穩(wěn)定運行。該技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟。質(zhì)子交換膜制氫技術(shù)使用質(zhì)子交換膜隔離陽極和陰極，克服了KOH溶液對系統(tǒng)的影響，但是質(zhì)子交換膜電解制氫設(shè)備昂貴，暫無大范圍使用。固體氧化物制氫技術(shù)的反應(yīng)溫度為600～1 000 ℃，推動電力-氫氣的轉(zhuǎn)換。該技術(shù)目前仍處于試驗階段?？傮w來說，在當(dāng)前堿水電解制氫技術(shù)已經(jīng)較為成熟的前提下，核能發(fā)電與堿水電解耦合制氫是一種可以規(guī)模化發(fā)展的核能制氫技術(shù)。

4 結(jié)論

開展以核能制氫為中心的各項技術(shù)研發(fā)與攻關(guān)，打造核能制氫、儲氫、用氫產(chǎn)業(yè)高地，有助于我國早日實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)。短期內(nèi)，我國可優(yōu)先發(fā)展核電+堿水電解制氫技術(shù)；在中長期，我國可擇機(jī)發(fā)展核能+甲烷蒸汽重整、核能+高溫蒸汽電解或核能+熱化學(xué)循環(huán)等技術(shù)。