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(chǔ)和運(yùn)輸，且能量密度大、儲(chǔ)能時(shí)間長(zhǎng)，因此是一種可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長(zhǎng)周期的儲(chǔ)能手段。

實(shí)現(xiàn)氫氣的廣泛應(yīng)用，須開發(fā)出清潔、高效、可實(shí)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(wàn)噸氫氣，其中95%以上來(lái)源于化石能源的灰氫。中國(guó)是世界上最大的制氫國(guó)，目前氫氣產(chǎn)能約為4000萬(wàn)噸/年，產(chǎn)量約為3300萬(wàn)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(guó)氫能聯(lián)盟2021年發(fā)布的《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》，到2050年氫能在中國(guó)能源供應(yīng)中的占比將達(dá)到約10%，氫氣需求量接近6000萬(wàn)噸，年經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值超過(guò)10萬(wàn)億元。

(資料圖)

經(jīng)過(guò)半個(gè)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(shí)現(xiàn)制氫過(guò)程的無(wú)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(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。

在全球推動(dòng)“碳中和”的進(jìn)程中，美國(guó)、歐盟、英國(guó)以及日本等均在積極推進(jìn)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(duì)主流的現(xiàn)役水冷反應(yīng)堆核電機(jī)組上電解制氫成本較高，不具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，很難規(guī)模化推廣。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(lái)看，高溫堆自身的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)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(jī)組為制氫提供電能)、核熱制氫(機(jī)組為制氫提供熱能)和電熱混合制氫(機(jī)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(lái)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(guó)開發(fā)的SPE先進(jìn)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，很難規(guī)?；茝V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(guó)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(jìn)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(xiàng)目之外，其它的堆型均處于研究設(shè)計(jì)階段，尚未進(jìn)行工程驗(yàn)證，距商業(yè)化推廣仍有較長(zhǎng)時(shí)間，且面臨很大不確定性。因此，美、英、日以及中國(guó)等核大國(guó)目前都將高溫氣冷堆列為核能制氫的首選方案。

不同反應(yīng)堆技術(shù)的出口溫度

主要核大國(guó)的研究方向和進(jìn)程

美國(guó)能源部(DOE)早在2004年就啟動(dòng)了核能制氫研究工作，目前的主要進(jìn)展仍是與現(xiàn)有核電機(jī)組匹配的低溫電解制氫示范，對(duì)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(yàn)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(lái)，美國(guó)能源部先后支持了三個(gè)現(xiàn)役核電機(jī)組低溫電解制氫商業(yè)示范項(xiàng)目，并提供總計(jì)約3000萬(wàn)美元的資金支持，這些項(xiàng)目全部由能源部下屬愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室牽頭，計(jì)劃最早于2023年投入運(yùn)行，其制氫成本和對(duì)核電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的改善仍有待于驗(yàn)證。

在高溫/超高溫氣冷堆尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的情況下，積極推進(jìn)現(xiàn)有核電機(jī)組示范和規(guī)?；茪錈o(wú)疑是更為務(wù)實(shí)的做法，事實(shí)上這也是改善美國(guó)現(xiàn)役核電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的重點(diǎn)舉措之一，美國(guó)核電機(jī)組的持續(xù)運(yùn)行面臨著嚴(yán)峻的經(jīng)濟(jì)性挑戰(zhàn)，自2013年以來(lái)已有10臺(tái)機(jī)組在運(yùn)行壽期內(nèi)永久關(guān)閉，另有10多臺(tái)機(jī)組宣布將在未來(lái)幾年內(nèi)關(guān)閉。

法國(guó)作為全球核電比例最高的國(guó)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(yàn)研究工作，尚未開展在役壓水堆核電機(jī)組制氫示范。2021年法國(guó)政府公布 的“法國(guó)2030計(jì)劃”中，提出未來(lái)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(guó)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(jī)組上進(jìn)行制氫示范和應(yīng)用，中長(zhǎng)期則優(yōu)選高溫氣冷堆制氫，并將高溫氣冷堆作為其先進(jìn)模塊化反應(yīng)堆的首選堆型，并提供資金支持示范項(xiàng)目建設(shè)，2021年英國(guó)政府頒布的“綠色工業(yè)革命10項(xiàng)計(jì)劃”(Ten Point Plan)中，規(guī)劃到2030年實(shí)現(xiàn)綠氫等效裝機(jī)容量達(dá)到500萬(wàn)千瓦，核能被視為生產(chǎn)綠氫的主要來(lái)源之一。2021年5月，英國(guó)核工業(yè)協(xié)會(huì)(NIA)宣布其《氫能路線圖》已獲得英國(guó)核工業(yè)委員會(huì)(NIC)通過(guò)，提出到2050年英國(guó)1/3的氫需求由核能生產(chǎn)，但并未提出具體的實(shí)現(xiàn)路徑，目前也未實(shí)質(zhì)推進(jìn)現(xiàn)役核電機(jī)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(jī)構(gòu)(JAEA)自1998年建成運(yùn)行熱功率30 MWe的高溫氣冷試驗(yàn)堆(HTTR)，成功實(shí)現(xiàn)在850 ℃下穩(wěn)定運(yùn)行，2004年冷卻劑出口溫度達(dá)到950 ℃，該試驗(yàn)堆的主要目的是驗(yàn)證高溫蒸汽制氫工藝，成功完成了連續(xù)一周的制氫試驗(yàn)運(yùn)行。在高溫試驗(yàn)堆的基礎(chǔ)上，日本原子力研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大功率(600 MWt)高溫氣冷堆設(shè)計(jì)研發(fā)，但一直未進(jìn)行工程驗(yàn)證和項(xiàng)目建設(shè)。

國(guó)內(nèi)也在積極推進(jìn)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(duì)碘硫循環(huán)核熱制氫的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)研究?！笆濉逼陂g，國(guó)家設(shè)立高溫氣冷堆科技重大專項(xiàng)，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(guó)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(yùn)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(xiàng)目已建成運(yùn)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(tuán)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(dòng)示范工程項(xiàng)目相關(guān)工作。

挑戰(zhàn)大于優(yōu)勢(shì)

如前所述，當(dāng)前以美國(guó)為主的在役核電機(jī)組低溫電解制氫商業(yè)化示范，其制氫效率較低，經(jīng)濟(jì)性尚待驗(yàn)證，僅適用于負(fù)荷因子和區(qū)域電力價(jià)格較低的部分核電機(jī)組，很難進(jìn)行規(guī)?；茝V。彭博新能源財(cái)經(jīng)(BNEF)2021年9月發(fā)布的《探索核電制氫經(jīng)濟(jì)性》報(bào)告指出，目前在役核電機(jī)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(jìng)爭(zhēng)力。

對(duì)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(shí)現(xiàn)商業(yè)化的處境。國(guó)內(nèi)雖然率先建成了高溫氣冷堆示范項(xiàng)目，然而其千瓦比投資大幅高于三代壓水堆項(xiàng)目，與二代加機(jī)組相比更無(wú)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因此，建設(shè)投資和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)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(guò)程中氫的安全運(yùn)輸和儲(chǔ)存，也是需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。

筆者認(rèn)為，核能制氫面臨的挑戰(zhàn)大于優(yōu)勢(shì)，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(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化建設(shè)，才能為核能制氫的大規(guī)模應(yīng)用奠定根基。