拭目以待！核能制氢能否成为大规模制氢的未来
发布日期：2022/10/17
近日，美国阿贡国家实验室(ANL)与星座能源公司(Constellation Energy Corp)宣布合作开发无碳发电技术，包括核能制氢项目。Bloom能源公司和Xcel能源公司也已宣布计划在明尼苏达州的一座核电厂生产氢气。与此同时，美国能源部(DOE)已开放了一项价值70亿美元的项目申请，以创建区域清洁氢能中心。
在ANL与星座能源的合作中，一方是美国最大的无碳能源生产商，一方拥有美国规模最大的核电堆群。双方签署的协议有效期至2028年10月，主要聚焦核能制氢、氢气储存和运输等。
2022年9月19日，Bloom能源宣布计划在Xcel能源的普雷里岛(Prairie Island)核电厂安装电解槽，用于生产氢气。Bloom表示，该项目目前正在进行240 kW级的示范工程设计，预计将在2023年底开始施工，并在2024年初通电。
此前，2021年12月月底，美国能源部（DOE）宣布投入2000万美元，支持亚利桑那州的核能制氢示范项目，使清洁氢能成为核电站除发电以外的重要经济产品，助力在未来10年之内实现DOE“氢能攻关”科技化的制氢成本目标（1美元/千克）。
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。
除了美国，国外其他国家也在进行核能制氢的尝试。
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。
什么是核能制氢？
业界普遍认为，核能制氢才是大规模制氢方式的首选，然而这种制氢方式似乎进展的十分缓慢。那么，什么是核能制氢呢？
核能制氢，即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。据IAEA测算，一座250MW小堆利用核反应高温制氢日产量达到50吨。
核能制氢原理就是利用核反应堆产生的热作为制氢的能源，通过选择合适的工艺，实现高效、大规模的制氢；同时减少甚至消除温室气体的排放。核能制氢原理示意如图所示。
核能制氢原理示意图，图源氢能观察
核能到氢能的转化途径较多，包括以水为原料经电解、热化学循环、高温蒸汽电解制氢，以硫化氢为原料裂解制氢，以天然气、煤、生物质为原料的热解制氢等。以水原料时，整个制氢工艺过程都不产生CO₂，基本可以消除温室气体排放；以其他原料制氢时只能减少碳排放。另外，利用核电电解水只是核能发电与传统电解的简单联合，仍属于核能发电领域，一般不视为真正意义上的核能制氢技术。因此，以水为原料、全部或部分利用核热的热化学循环和高温蒸汽电解被认为是代表未来发展方向的核能制氢技术。
核能到氢能的转化途径示意图，图源氢能观察
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。
国内核氢研究现状与产业发展
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。
HTR-10反应堆压力容器
当前，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，我国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。清华大学核能与新能源技术研究院院长张作义表示，如今，高温气冷堆示范电站正在向满功率发电全力冲刺。而为大型工业园区提供高温蒸汽和核能制氢等项目研发也已陆续展开，为“双碳”战略的实施增添强劲的绿色动力。
超高温气冷堆是第四代核能系统六种堆型之一，使核能生产延伸到为工业提供高温工艺热, 用于制氢和生产合成燃料。第四代核能系统的发展不仅可以为更多核电利用创造条件, 而且也可以为核能在电力生产之外的领域的应用开辟道路。
我国氢能发展处于初期，自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。今年8月12日，国家能源局在《关于全国政协十三届五次会议第03709号提案的答复复文摘要》中对《关于大力推动核能制氢产业发展的提案》做出回复，文件中提到核能制氢内容如下：
我国高度重视核能制氢产业发展。“十一五”以来，组织开展了大量技术研发工作，对核能制氢工艺进行了基础研究，建成了原理验证设施，验证了工艺可行性。
核能制氢具有广阔的发展前景，但现阶段技术上还不够成熟，距离工程化乃至商业化还有漫长的路要走，尚需深入开展工艺系统、核心技术、关键设备以及工程化技术等大量的研究和探索工作。此外，核能制氢的经济竞争力还需结合氢能产业发展情况和具体商业模式进一步论证。
下一步，我们将进一步加大工作力度，加强核能制氢统筹规划，组织开展核能制氢关键技术、设备、材料等研发攻关以及“核能”系统与“制氢”系统的耦合研究，条件成熟后适时启动示范工程建设。同时，会同有关方面研究制定相关支持政策，促进核能制氢及配套产业发展，推进多元制氢体系建设，推动氢能技术和产业高质量发展。
图源国家能源局
在核能制氢的发展路上，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。
1、中核集团
中国核工业集团有限公司（简称“中核集团”）入局绿氢，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。目前，中核集团已经推出了一些核能制氢项目。
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。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。
2020年，中核集团曾经计划将高温气冷堆与热化学循环制氢技术耦合，目标建成一座600 MW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。
今年9月6日，中核集团联手东华能源股份有限公司（简称“东华能源”）签署《战略合作协议》入局制氢端，加强在氢能源领域的合作，双方将共同推进高温气冷堆项目，未来五年内预计投资超千亿元，共同打造零碳产业园。通过对高温蒸汽的梯次利用，保障“东华茂名轻烃产业园”蒸汽、电力、制冷乃至氢能的清洁化供应。（相关阅读：投资超千亿！东华能源拟联合中核集团共建零碳产业园，加码布局氢能）
另外，中核集团与东华能源还将联合设立氢能研究院、中试装置，主攻绿氢制备环节中热化学制氢技术路线，并研发氢气的固态储存材料和装备。“力争在国家发展氢能产业浪潮中抢占制氢和储运的战略制高点，”东华能源在公告中称。
2、中广核
中国广核集团有限公司（简称“中广核”）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。中广核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。
今年4月7日，盐田区人民政府与中广核资本控股有限公司举行零碳产业发展战略合作框架协议签约仪式，双方将围绕氢能“制—储—运—加—用”的关键上下游环节，推动一批有影响力的氢能企业、科研机构落户盐田，形成具有国际影响力、竞争力的氢能产业生态体系，打造粤港澳大湾区氢能产业示范港。中广核资本将充分发挥“投债联动催生产业”的集成金融服务优势，利用中广核在氢能领域的技术资源储备，支持盐田区将氢能产业打造成为零碳产业重要核心。
9月29日，郑州市第六期“三个一批”共确定签约项目46个，其中包括中广核氢能产业合作项目（投资预计100亿元）。
中广核产业投资基金管理有限公司投资管理部副总经理史正浩认为，2022年3月，国家发改委《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》正式发布，标志着氢能产业发展已上升为国家战略，从氢源优势、市场优势和资金优势分析，我国发展氢能具有极大优势，将进入重大投资机遇期。
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。
当前，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。我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。
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，不失为大规模制氢的一种探索与尝试。
来源：氢能源燃料电池电动汽车
