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核能制氫競逐賽
日期:2022-11-23   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:sy_miaowanying 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
氫能是清潔的二次能源,在清潔燃燒、氫燃料電池等方面有廣闊的應(yīng)用前景。更為重要的是,氫氣可以將電力的生產(chǎn)與消耗脫鉤,作為清潔能源載體,可以氣態(tài)、液態(tài)、固體氧化物等多種形式存儲和運輸,且能量密度大、儲能時間長,因此是一種可實現(xiàn)大規(guī)模、長周期的儲能手段。

實現(xiàn)氫氣的廣泛應(yīng)用,須開發(fā)出清潔、高效、可實現(xiàn)大規(guī)模制氫的技術(shù)。目前,全世界每年大約消耗5000萬噸氫氣,其中95%以上來源于化石能源的灰氫。中國是世界上最大的制氫國,目前氫氣產(chǎn)能約為4000萬噸/年,產(chǎn)量約為3300萬噸/年,主要由化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫構(gòu)成。

根據(jù)中國氫能聯(lián)盟2021年發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》,到2050年氫能在中國能源供應(yīng)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。

經(jīng)過半個多世紀(jì)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,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。

在全球推動“碳中和”的進程中,美國、歐盟、英國以及日本等均在積極推進核能制氫相關(guān)研究,但是理想的核熱制氫方案必須依托高溫/超高溫反應(yīng)堆,而這一核能技術(shù)本身目前尚未成熟和規(guī)?;瘧?yīng)用,而在占絕對主流的現(xiàn)役水冷反應(yīng)堆核電機組上電解制氫成本較高,不具備競爭優(yōu)勢,很難規(guī)?;茝V。

筆者認(rèn)為,核能制氫的應(yīng)用前景取決于高溫/超高溫反應(yīng)堆能否批量化建設(shè),目前來看,高溫堆自身的經(jīng)濟性問題是最大障礙。

兩種技術(shù)路線

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, 但從制氫的角度來看, 制氫效率與工作溫度密切相關(guān),高溫 ( 出口溫度700-950℃ ) 和超高溫反應(yīng)堆( 出口溫度950 ℃以上)是最優(yōu)選擇。

核電制氫即一般的電解水制氫,該工藝產(chǎn)氫效率(55%~60%)較低,美國開發(fā)的SPE先進電解水技術(shù)可將電解效率提升為90%,即便如此,由于核電站的熱電轉(zhuǎn)換效率僅為35%左右,因此核能電解水制氫最終的總效率只有30%甚至更低。

在目前成熟的制氫工藝中,電解水制氫的成本最高,因此核電制氫目前基本不具備競爭優(yōu)勢,很難規(guī)模化推廣應(yīng)用。

核熱制氫即熱化學(xué)制氫,是將核反應(yīng)堆與熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置耦合,使水在800℃至1000℃下催化熱分解,從而制取氫和氧,熱能至氫能的轉(zhuǎn)換率可達(dá)60%甚至更高,目前的最優(yōu)方案是美國通用原子能公司開發(fā)的碘硫循環(huán)。

電熱混合制氫是利用先進核反應(yīng)堆提供的工藝熱(約30%)和電能(約70%),在750℃至950℃的高溫下將水蒸氣高效電解為氫氣和氧氣,其制氫效率接近60%。

核熱制氫和電熱混合制氫目前技術(shù)成熟度仍較低,面臨的主要挑戰(zhàn)是耐高溫材料的研發(fā)。制氫工藝都需要核反應(yīng)堆提供高溫工藝熱,但這類反應(yīng)堆全部屬于第四代反應(yīng)堆,目前除了高溫氣冷堆建成示范項目之外,其它的堆型均處于研究設(shè)計階段,尚未進行工程驗證,距商業(yè)化推廣仍有較長時間,且面臨很大不確定性。

因此,美、英、日以及中國等核大國目前都將高溫氣冷堆列為核能制氫的首選方案。

主要核大國的研究方向和進程

美國能源部(DOE)早在2004年就啟動了核能制氫研究工作,目前的主要進展仍是與現(xiàn)有核電機組匹配的低溫電解制氫示范,對基于高溫工藝熱的熱循環(huán)制氫和高溫蒸汽電解制氫,開展了大量研究工作和原理驗證,但其工業(yè)規(guī)模示范仍受制于高溫反應(yīng)堆的研發(fā)和商業(yè)化部署。

2019年以來,美國能源部先后支持了三個現(xiàn)役核電機組低溫電解制氫商業(yè)示范項目,并提供總計約3000萬美元的資金支持,這些項目全部由能源部下屬愛達(dá)荷國家實驗室牽頭,計劃最早于2023年投入運行,其制氫成本和對核電機組經(jīng)濟性的改善仍有待于驗證。

在高溫/超高溫氣冷堆尚未實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的情況下,積極推進現(xiàn)有核電機組示范和規(guī)?;茪錈o疑是更為務(wù)實的做法,事實上這也是改善美國現(xiàn)役核電機組經(jīng)濟性的重點舉措之一,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。

法國作為全球核電比例最高的國家,目前仍在開展高溫?zé)峄瘜W(xué)制氫和蒸汽電解制氫的試驗研究工作,尚未開展在役壓水堆核電機組制氫示范。2021年法國政府公布 的“法國2030計劃”中,提出未來5年在氫能領(lǐng)域投入20億歐元,并將核能列為生產(chǎn)綠氫的關(guān)鍵,但目前尚未提出明確的技術(shù)路線圖。

英國核能制氫的技術(shù)路線同樣是“兩條腿“走路。短期內(nèi)首先在在役核電機組上進行制氫示范和應(yīng)用,中長期則優(yōu)選高溫氣冷堆制氫,并將高溫氣冷堆作為其先進模塊化反應(yīng)堆的首選堆型,并提供資金支持示范項目建設(shè),2021年英國政府頒布的“綠色工業(yè)革命10項計劃”(Ten Point Plan)中,規(guī)劃到2030年實現(xiàn)綠氫等效裝機容量達(dá)到500萬千瓦,核能被視為生產(chǎn)綠氫的主要來源之一。

2021年5月,英國核工業(yè)協(xié)會(NIA)宣布其《氫能路線圖》已獲得英國核工業(yè)委員會(NIC)通過,提出到2050年英國1/3的氫需求由核能生產(chǎn),但并未提出具體的實現(xiàn)路徑,目前也未實質(zhì)推進現(xiàn)役核電機組的示范制氫。

日本的首選方案是使用高溫氣冷堆制氫。日本原子力研究機構(gòu)(JAEA)自1998年建成運行熱功率30 MWe的高溫氣冷試驗堆(HTTR),成功實現(xiàn)在850 ℃下穩(wěn)定運行,2004年冷卻劑出口溫度達(dá)到950 ℃,該試驗堆的主要目的是驗證高溫蒸汽制氫工藝,成功完成了連續(xù)一周的制氫試驗運行。在高溫試驗堆的基礎(chǔ)上,日本原子力研究機構(gòu)進行了大功率(600 MWt)高溫氣冷堆設(shè)計研發(fā),但一直未進行工程驗證和項目建設(shè)。

中國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)從2004年開始論證核能制氫方法的可行性,隨后開展了對碘硫循環(huán)核熱制氫的基礎(chǔ)性實驗研究。“十二五”期間,國家設(shè)立高溫氣冷堆科技重大專項,主要目標(biāo)之一是掌握碘硫循環(huán)和高溫蒸汽電解制氫的關(guān)鍵技術(shù)。

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(biāo)之一。華能石島灣高溫氣冷堆示范項目已建成運行,但利用其高溫工藝熱制氫仍須開展關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備與材料等一系列技術(shù)攻關(guān)。

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。

挑戰(zhàn)大于優(yōu)勢

如前所述,當(dāng)前以美國為主的在役核電機組低溫電解制氫商業(yè)化示范,其制氫效率較低,經(jīng)濟性尚待驗證,僅適用于負(fù)荷因子和區(qū)域電力價格較低的部分核電機組,很難進行規(guī)?;茝V。

彭博新能源財經(jīng)(BNEF)2021年9月發(fā)布的《探索核電制氫經(jīng)濟性》報告指出,目前在役核電機組平準(zhǔn)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。

對于可顯著提高制氫效率的高溫堆核熱制氫,則面臨反應(yīng)堆技術(shù)本身尚未實現(xiàn)商業(yè)化的處境。國內(nèi)雖然率先建成了高溫氣冷堆示范項目,然而其千瓦比投資大幅高于三代壓水堆項目,與二代加機組相比更無競爭優(yōu)勢,因此,建設(shè)投資和經(jīng)濟競爭力將是擋在高溫氣冷堆及其制氫應(yīng)用發(fā)展面前的巨大難題。

此外,安全性也是制約核能制氫的一大因素之一。由于氫氣在常溫常壓下極易燃燒,考慮到核電站安全的高度敏感性,如何保證核能制氫過程中氫的安全運輸和儲存,也是需要考慮的關(guān)鍵問題。

筆者認(rèn)為,核能制氫面臨的挑戰(zhàn)大于優(yōu)勢,其發(fā)展前景并不明朗,關(guān)鍵在于大幅改善高溫反應(yīng)堆的經(jīng)濟競爭力,實現(xiàn)規(guī)?;ㄔO(shè),才能為核能制氫的大規(guī)模應(yīng)用奠定根基。

原標(biāo)題:核能制氫競逐賽
 
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來源:能源新媒
 
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