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核能有望成为未来制氢首选

发稿时间:2021-06-30  【    】

    氢能是未来最有希望得到大规模利用的清洁能源;核能是高效、低耗、环保、清洁的代表。核能制氢将二者结合,进行氢的大规模生产,是未来氢气大规模供应的重要解决方案,为可持续发展以及氢能经济开辟了新的道路。

    目前美、日、韩、法等国都在开展核能制氢的研究,中国200MW高温气冷堆商业示范电站建设项目已被列入国家科技重大专项,被视为最有可能突破核能制氢反应堆型。

    01 核能制氢的基础

    核能是低碳、高效的一次能源,其使用的铀资源可循环再利用。经过半个多世纪的发展,人们已经掌握了日益先进、不断成熟的核能技术,成为当前人类大规模工业制氢的最佳选择。核能制氢是将核反应堆与先进制氢工艺耦合,进行氢的大规模生产。核能制氢具有不产生温室气体、以水为原料、高效率、大规模等优点,是未来氢气大规模供应的重要解决方案。

    目前核能制氢主要有电解水制氢和热化学制氢两种方式,核反应堆分别为上述两种方式制氢提供电能和热能。

    电解水制氢是利用核能发电,再通过电解水装置将水分解成氢气。电解水制氢是一种较为直接的氢气制取方法,但该方法产氢效率(55%~60%)较低,即便采用最先进的美国SPE电解水技术,将电解效率提升为90%。但由于目前大多数核电站的热电转换效率仅为35%左右,因此核能电解水制氢最终的总效率仅为30%。

    热化学制氢是基于热化学循环,将核反应堆与热化学循环制氢装置耦合,以核反应堆提供的高温作为热源,使水在800℃至1000℃下催化热分解,从而制取氢和氧。与电解水制氢相比,热化学制氢的效率较高,总效率预期可达50%以上,成本较低。

    02 国内核氢研究现状与产业布局

    我国的核能制氢项目起步于“十一五”,研究了当初的主流工艺热化学循环和高温蒸汽电解制氢,并进行了初步运行试验。在“十二五”期间,设立了国家科技重大专项“先进压水堆与高温气冷堆核电站”,目的是掌握碘硫循环和高温蒸汽电解的工艺关键技术。

    清华大学核能与新能源技术研究院(INET)在国家“863”计划支持下,于2001年建成了10MW高温气冷实验反应堆(HTR-10),2003年达到满功率运行。

    而200MW高温气冷堆商业示范电站建设项目已被列入国家科技重大专项,预计将于2021年建成投产,将具备核能制氢条件,在高温气冷堆技术领域已居世界领先地位。对核能制氢技术的研究也列为专项的研发项目,目前正在开展第三阶段的研究工作。

    总体来看,当前技术已完成了原理上的可行性研究和验证,总体上处于实验室或向中试前期过渡的阶段。下一阶段要针对工程材料、关键设备等涉及工程应用的关键技术进行攻关研究。

    当前我国氢能发展处于初期,2019年《政府工作报告》首次写入氢能源后,各大央企从氢能基础设施建设、关键技术研发、产品推广应用等场景积极布局。其中,我国两个核能集团:中核集团和中广核成为这次氢能行业布局的“国家先锋队”成员。

    中国核工业集团有限公司:

    核能制氢项目:中核集团范围内的核电、风电、水电都存在一定的弃电现象。仅2018年中核集团弃电量约有100亿度,若用于电解水制氢,可生产氢气20亿Nm3,约17.8万吨,利用弃电制氢已经具备了产业化规模条件,从而解决中国核电能源消纳问题。

    为拓展核能多用途运用,在2018年中核集团联合清华大学、中国宝武开展核能制氢、核氢冶金项目合作研究。目前中核集团已完成10NL/h制氢工艺的闭合运行,建成了产氢能力100NL/h规模的台架并实现86小时连续运行连续运行。中核集团利用高温气冷堆蒸汽品质好、固有安全性高的特点将高温气冷堆与热化学循环制氢技术耦合,可以大量生产氢气,目标建成一座600MW超高温气冷堆,与一座产氢50000Nm3/h的热化学制氢工厂匹配生产。

    核氢冶金项目:2019年1月15日,中核集团、清华大学、中国宝武三方签订《核能-制氢-冶金耦合技术战略合作框架协议》,三方将资源共享,共同打造世界领先的核冶金产业联盟。目前中核集团的依托《框架协议》开展核能制氢冶金技术研发,对国内外氢能产业链各环节进行调研,分析氢能产业宏观布局、技术发展、经济成本等因素后明确氢能产业链的主要切入点,完成产业布局顶层设计。中核集团远期的目标是在2030年后,利用已成熟的核能制氢和弃电制氢为产业源头,开拓储氢、运氢、氢燃料电池中下游产业。

    中国广核集团有限公司:

    中广核是是中国氢能产业技术创新与应用联盟成员,国内“五大四小”电力企业中唯一拥有燃料电池电站的运营商。在韩国拥有十几兆瓦的燃料电池电站,采用美国的MCFC燃料电池发电技术。

    2017年4月,中国广核集团联合中金前海发展(深圳)基金管理有限公司、清华四川能源互联网研究院在中国(广东)自由贸易试验区深圳前海蛇口片区发起成立氢能基金,该基金总规模30亿元人民币(一期规模10亿元)。

    2019年4月12日,中国广核集团下属子公司中广核资本、中广核产业投资基金与南都电源签署《氢能产业基金合作框架协议》,共同成立深圳白鹭氢能产业股权投资基金合伙企业,总规模拟定为5-10亿元,主要投资于氢能及燃料电池领域。

    03 国外核能制氢研究现状

    长期受困于国内资源短缺,日本是坚持大力发展核氢技术的国家。自上个世纪80年代至今日本原子力机构(JAEA)一直在进行高温气冷堆和碘硫循环制氢的研究。1998年其开发的30MW高温气冷试验堆(HTTR)反应堆首次实现临界,2001年达成了满功率运行,2004年将出口温度提高到了950℃。2014年4月日本制定《第四次能源基本计划》,确定了加速建设和发展“氢能社会”的战略方向。

    法国原子能委员会(CEA)的核氢战略是集中发展可以与核电或可再生能源耦合的、能够可持续方式生产的制氢工艺。从2004年起,CEA就在执行发展高温蒸汽电解技术的重大项目,对电解器所有的问题都进行了研究。同时与Sandia国家实验室(SNL)和GA公司进行合作,进行碘硫循环的试验。法国的《氢能计划》提到,将从2019年起在工业、交通及能源领域部署氢能。

    韩国政府在2005年提出了氢经济计划,正在进行核氢研发和示范项目,最终目标是在2030年以后实现核氢技术商业化。自2004年起,韩国开始执行核氢开发示范计划(NHDD),采用高温气冷堆和碘硫循环技术进行核能制氢项目,建立了产氢率50NL/h的回路,正在进行闭合循环实验。

    04 国外核能制氢研究现状

    美国能源部 2004 年以来一直在推进核能制氢研究,已取得阶段性成果,在 2019 年 11 月宣布启动一个核能制氢示范项目之后, 2020 年 10 月又宣布启动两个示范项目,目标是推进与现有核电机组匹配的低温电解制氢和高温电解制氢技术的商业化进程。 

    美国核能制氢研究概况:

    美国能源部下属两家机构即核能办公室以及能源效率与可再生能源办公室正在积极推动核能制氢技术研究。

    核能办公室聚焦长期目标,开展与高温气冷堆( 出口温度 700 至 950℃ ) 和超高温气冷堆( 出口温度 950℃ 以上) 配套的两种制氢技术研究,即热化学循环技术和高温电解技术。 

    热化学循环技术在 750 至 1000℃ 甚至更高温度下利用化学催化剂使水发生一系列化学反应,最终分解为氢气和氧气。通常认为这一技术的效率很高: 热能至氢能的转换率可达60% 甚至更高。但技术成熟度较低,未来仍需开展大量研发工作。

    高温电解技术首先将水转变为高温蒸汽( 高达 950℃ ) ,然后使蒸汽发生电解,生成氢气和氧气。高温电解能够实现很高的效率: 热能至氢能的转换率超过 50% ,电能至氢能的转换率可达 100% 。这一技术面临许多挑战,例如耐高温材料的研发。高温气冷堆和超高温气冷堆能够提供高温工艺热,是最理想的制氢反应堆,但还需要一段时间才能实现商业应用。

    能源效率与可再生能源办公室重点关注能够在近期实现商业化应用、可供“核电反应堆-可再生能源混合能源系统”制氢的两项技术。一项是需要使用热能和电力的高温电解技术。该办公室近期发布报告指出,核能高温电解制氢技术有望在当前市场环境中具备经济竞争力。另一项是仅需要使用电力的低温电解技术,但效率较低,热能至氢能的转换效率仅为 23% 至 28% 。

    启动三个商业示范项目:

    美国能源部迄今已宣布为由爱达荷国家实验室牵头的三个核能制氢商业示范项目提供资助: 2019 年 9 月宣布资助首个核能制氢示范项目,2020 年 10 月宣布资助两个项目。

    能源部 2019 年 9 月宣布将为首个核能制氢示范项目提供资助。该项目为期两年,第一能源方案将利用爱达荷国家实验室的技术在戴维斯-贝瑟核电厂( 拥有一座 894 兆 瓦压水堆) 建设一座 1 ~3 兆瓦低温电解示范装置。项目总投资 1050 万美元,能源部资助 920 万美元。

    埃克西尔能源公司 2020 年 10 月获得能源部资助,将与爱达荷国家实验室合作,在蒙蒂塞洛核电厂( 拥有一座 628 兆瓦沸水堆) 或普雷里岛核电厂( 拥有两座 520 兆瓦压水堆)建设一座高温电解中试设施。目前尚未决定在哪座电厂建设,计划在 2021 年启动工程和规划工作,2022 年启动设施建设,2023 年投运。项目总投资 1377 万美元,能源部资助 1050 万美元。

    燃料电池能源公司也在 2020 年 10 月获得能源部资助,将为爱达荷国家实验室提供一个 250 千瓦的固体氧化物电解池( SOEC)系统。SOEC 是一种高效、低污染的能量转化装置,可以将电能和热能转化为化学能。如果利用核反应堆作为能量来源,SOEC 有望实现氢气的高效、清洁、大规模制备。在完成严格验证测试后,爱达荷将把这一系统用于核能制氢。项目总投资为 1250 万美元,能源部资助 800 万美元。应当指出,这一系统配备了电热蒸汽发生器,不仅能够示范低温电解制氢,还能示范高温电解制氢,因此可对这两种制氢技术进行比较。

    推进现有机组制氢的原因:

    美国在高温气冷堆和超高温气冷堆尚未实现商业化应用的前提下积极推进现有机组制氢示范,主要有三点理由:

    第一,现有核电机组迫切需要新的收入来源。受市场天然气价格长期保持低位以及可再 生能源在政府支持下迅速发展等因素的影响,美国核电机组的持续运行面临着严峻的经济性挑战。自 2013 年以来已有 10 台机组在运行寿期内永久关闭,另有 10 多台机组宣布将在未来几年内关闭。

    第二,为实现核电厂与可再生能源电厂未来的和谐发展奠定技术基础。随着风能和太阳能等可再生能源的快速发展,如何在电网中实现与可再生能源的无缝整合,是未来核电发展面临的一项重要挑战。核能制氢是一条可用于应对这一挑战的重要途径。

    第三,为未来的高温气冷堆和超高温气冷堆制氢进行技术储备。制氢技术具有一定的相 通性。高温电解技术在与现有机组耦合并得到成功应用后,未来将能更快地用于高温气冷堆和超高温气冷堆制氢。

    05 核能制氢展望

    国际上的能量供应主要来源于煤炭、石油等化石能源,这也导致日益严重的能源枯竭和环境污染问题。因此,寻求更加高效、清洁能源进行替代成为了必然趋势。氢能具有环保、高效、来源丰富、运输方便和应用广泛的特点,起着保障国家能源安全和优化能源结构作用,是未来最有希望得到大规模利用的清洁能源。

    以水为原料的核能制氢,不仅能实现制氢过程的无碳排放,还能拓展核能的利用方式,提高核电厂的经济竞争力,并为核电厂与可再生能源的和谐发展创造条件,地球上可供开发的核燃料资源、可提供的能量是矿石燃料的十多万倍。核能制氢将二者结合,是为可持续发展以及氢能经济开辟道路,推动形成绿色发展和生活方式,在当前形势下,具有广阔的应用前景。

   目前国际上各大发达国家都在积极的进行核能制氢项目的研究与开展,力图早日迈入氢能经济社会。国正在积极推动核能制氢技术的发展,并已进入商业示范阶段。我国在国家科技重大专项“大型先进压水堆及高温气冷堆核电站”支持下,高温堆制氢关键技术研究已取得良好进展,处于世界领先地位。在发展核氢战略中,需要政府加大政策支持和投入保障力度,尽快落实建设60万千瓦高温气冷堆核能工程;大力发展和引进核能制氢人才和研发企业,提高专业研发能力,扩大产业范围。

   来源:微信号“财经十一人”首发                                                   发布时间:2021-06-22


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