核能制氫前景幾何？
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- 來源：能源雜誌
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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用前景。更為重要的是，氫氣可以將電力的生產與消耗脫鈎，作為清潔能源載體，可以氣態、液態、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，因此是一種可實現大規模、長周期的儲能手段。
實現氫氣的廣泛應用，須開發出清潔、高效、可實現大規模製氫的技術。目前，全世界每年大約消耗5000萬噸氫氣，其中95%以上來源於化石能源的灰氫。中國是世界上最大的制氫國，目前氫氣產能約為4000萬噸/年，產量約為3300萬噸/年，主要由化石能源制氫和工業副產氫構成。根據中國氫能聯盟2021年發布的《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》，到2050年氫能在中國能源供應中的佔比將達到約10%，氫氣需求量接近6000萬噸，年經濟產值超過10萬億元。
經過半個多世紀的發展，核能已經成為全球清潔能源的重要構成。核能制氫將核反應堆與制氫工藝耦合，既能實現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积極推進核能制氫相關研究，但是理想的核熱制氫方案必須依託高溫/超高溫反應堆，而這一核能技術本身目前尚未成熟和規模化應用，而在占絕對主流的現役水冷反應堆核電機組上電解制氫成本較高，不具備競爭優勢，很難規模化推廣。筆者認為，核能制氫的應用前景取決於高溫/超高溫反應堆能否批量化建設，目前來看，高溫堆自身的經濟性問題是最大障礙。
核能制氫的技術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，高溫 ( 出口溫度700-950℃ ) 和超高溫反應堆( 出口溫度950 ℃以上) 是最優選擇。
核電制氫即一般的電解水制氫，該工藝產氫效率（55%~60%）較低，美國開發的SPE先進電解水技術可將電解效率提升為90%，即便如此，由於核電站的熱電轉換效率僅為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勢，很難規模化推廣應用。
核熱制氫即熱化學制氫，是將核反應堆與熱化學循環制氫裝置耦合，使水在800℃至1000℃下催化熱分解，從而製取氫和氧，熱能至氫能的轉換率可達60%甚至更高，目前的最優方案是美國通用原子能公司開發的碘硫循環。
電熱混合制氫是利用先進核反應堆提供的工藝熱（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成熟度仍較低，面臨的主要挑戰是耐高溫材料的研發。制氫工藝都需要核反應堆提供高溫工藝熱，但這類反應堆全部屬於第四代反應堆，目前除了高溫氣冷堆建成示範項目之外，其它的堆型均處於研究設計階段，尚未進行工程驗證，距商業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。
不同反應堆技術的出口溫度
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有核電機組匹配的低溫電解制氫示範，對基於高溫工藝熱的熱循環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，但其工業規模示範仍受制於高溫反應堆的研發和商業化部署。
2019年以來，美國能源部先後支持了三個現役核電機組低溫電解制氫商業示範項目，並提供總計約3000萬美元的資金支持，這些項目全部由能源部下屬愛達荷國家實驗室牽頭，計劃最早於2023年投入運行，其制氫成本和對核電機組經濟性的改善仍有待於驗證。
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在高溫/超高溫氣冷堆尚未實現商業化應用的情況下，积極推進現有核電機組示範和規模化制氫無疑是更為務實的做法，事實上這也是改善美國現役核電機組經濟性的重點舉措之一，美國核電機組的持續運行面臨着嚴峻的經濟性挑戰，自2013年以來已有10台機組在運行壽期內永久關閉，另有10多台機組宣布將在未來幾年內關閉。
法國作為全球核電比例最高的國家，目前仍在開展高溫熱化學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範。2021年法國政府公布 的“法國2030計劃”中，提出未來5年在氫能領域投入20億歐元，並將核能列為生產綠氫的關鍵，但目前尚未提出明確的技術路線圖。
英國核能制氫的技術路線同樣是“兩條腿“走路。短期內首先在在役核電機組上進行制氫示範和應用，中長期則優選高溫氣冷堆制氫，並將高溫氣冷堆作為其先進模塊化反應堆的首選堆型，並提供資金支持示範項目建設，2021年英國政府頒布的“綠色工業革命10項計劃”（Ten Point Plan）中，規劃到2030年實現綠氫等效裝機容量達到500萬千瓦，核能被視為生產綠氫的主要來源之一。2021年5月，英國核工業協會（NIA）宣布其《氫能路線圖》已獲得英國核工業委員會（NIC）通過，提出到2050年英國1/3的氫需求由核能生產，但並未提出具體的實現路徑，目前也未實質推進現役核電機組的示範制氫。
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（JAEA）自1998年建成運行熱功率30 MWe的高溫氣冷試驗堆（HTTR），成功實現在850 ℃下穩定運行，2004年冷卻劑出口溫度達到950 ℃，該試驗堆的主要目的是驗證高溫蒸汽制氫工藝，成功完成了連續一周的制氫試驗運行。在高溫試驗堆的基礎上，日本原子力研究機構進行了大功率（600 MWt）高溫氣冷堆設計研發，但一直未進行工程驗證和項目建設。
國內也在积極推進核能制氫研究工作，優選方向同樣是利用高溫氣冷堆核熱制氫。清華大學從2004年開始論證核能制氫方法的可行性，隨後開展了對碘硫循環核熱制氫的基礎性實驗研究。“十二五”期間，國家設立高溫氣冷堆科技重大專項，主要目標之一是掌握碘硫循環和高溫蒸汽電解制氫的關鍵技術。
2016年國家能源局《能源技術創新“十三五”規劃》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之一。華能石島灣高溫氣冷堆示範項目已建成運行，但利用其高溫工藝熱制氫仍須開展關鍵技術、關鍵設備與材料等一系列技術攻關。2021年9月，清華大學牽頭，華能和中核集團參与成立了高溫氣冷堆碳中和制氫產業技術聯盟，提出將在2022-2023年期間研究形成工業示範工程建設方案，啟動示範工程項目相關工作。
如前所述，當前以美國為主的在役核電機組低溫電解制氫商業化示範，其制氫效率較低，經濟性尚待驗證，僅適用於負荷因子和區域電力價格較低的部分核電機組，很難進行規模化推廣。彭博新能源財經（BNEF）2021年9月發布的《探索核電制氫經濟性》報告指出，目前在役核電機組平準化度電成本（LCOE）高昂，利用其制氫比風電或光伏制氫更為昂貴。除非核電與制氫系統的成本顯著降低，核電制氫並不具備競爭力。
對於可顯著提高制氫效率的高溫堆核熱制氫，則面臨反應堆技術本身尚未實現商業化的處境。國內雖然率先建成了高溫氣冷堆示範項目，然而其千瓦比投資大幅高於三代壓水堆項目，與二代加機組相比更無競爭優勢，因此，建設投資和經濟競爭力將是擋在高溫氣冷堆及其制氫應用發展面前的巨大難題。
此外，安全性也是制約核能制氫的一大因素之一。由於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，也是需要考慮的關鍵問題。
筆者認為，核能制氫面臨的挑戰大於優勢，其發展前景並不明朗，關鍵在於大幅改善高溫反應堆的經濟競爭力，實現規模化建設，才能為核能制氫的大規模應用奠定根基。
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