美國能源部2004年以來一直在推進(jìn)核能制氫研究，近期已取得階段性成果，在2019年11月宣布啟動(dòng)一個(gè)核能制氫示范項(xiàng)目之后，2020年10月又宣布啟動(dòng)兩個(gè)示范項(xiàng)目，目標(biāo)是推進(jìn)與現(xiàn)有核電機(jī)組匹配的低溫電解制氫和高溫電解制氫技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。

氫能是清潔的二次能源，有非常好的應(yīng)用前景，需要利用一次能源生產(chǎn)。目前，全球95%以上的氫能來源于化石能源，生產(chǎn)過程會(huì)排放溫室氣體并造成環(huán)境污染。核能是低碳、高效的一次能源。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，核電已經(jīng)成為清潔、安全、成熟的發(fā)電技術(shù)。核能制氫將核反應(yīng)堆與制氫工藝耦合，以水為原料進(jìn)行大規(guī)模制氫，具有不產(chǎn)生溫室氣體、高效等優(yōu)點(diǎn)。

美國核能制氫研究概況

美國能源部下屬兩家機(jī)構(gòu)即核能辦公室以及能源效率與可再生能源辦公室正在積極推動(dòng)核能制氫技術(shù)研究。

核能辦公室聚焦長(zhǎng)期目標(biāo)，開展與高溫氣冷堆(出口溫度700至950℃)和超高溫氣冷堆(出口溫度950℃以上)配套的兩種制氫技術(shù)研究，即熱化學(xué)循環(huán)技術(shù)和高溫電解技術(shù)。熱化學(xué)循環(huán)技術(shù)在750至1000℃甚至更高溫度下利用化學(xué)催化劑使水發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，最終分解為氫氣和氧氣。通常認(rèn)為這一技術(shù)的效率很高：熱能至氫能的轉(zhuǎn)換率可達(dá)60%甚至更高。但技術(shù)成熟度較低，未來仍需開展大量研發(fā)工作。高溫電解技術(shù)首先將水轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷卣羝?高達(dá)950℃)，然后使蒸汽發(fā)生電解，生成氫氣和氧氣。高溫電解能夠?qū)崿F(xiàn)很高的效率：熱能至氫能的轉(zhuǎn)換率超過50%，電能至氫能的轉(zhuǎn)換率可達(dá)100%。這一技術(shù)面臨許多挑戰(zhàn)，例如耐高溫材料的研發(fā)。高溫氣冷堆和超高溫氣冷堆能夠提供高溫工藝熱，是最理想的制氫反應(yīng)堆，但還需要一段時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。

能源效率與可再生能源辦公室重點(diǎn)關(guān)注能夠在近期實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用、可供“核電反應(yīng)堆-可再生能源混合能源系統(tǒng)”制氫的兩項(xiàng)技術(shù)。一項(xiàng)是需要使用熱能和電力的高溫電解技術(shù)。該辦公室近期發(fā)布報(bào)告指出，核能高溫電解制氫技術(shù)有望在當(dāng)前市場(chǎng)環(huán)境中具備經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。另一項(xiàng)是僅需要使用電力的低溫電解技術(shù)，但效率較低，熱能至氫能的轉(zhuǎn)換效率僅為23%至28%。

啟動(dòng)三個(gè)商業(yè)示范項(xiàng)目

美國能源部迄今已宣布為由愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室牽頭的三個(gè)核能制氫商業(yè)示范項(xiàng)目提供資助：2019年9月宣布資助首個(gè)核能制氫示范項(xiàng)目，2020年10月宣布資助兩個(gè)項(xiàng)目。

能源部2019年9月宣布將為首個(gè)核能制氫示范項(xiàng)目提供資助。該項(xiàng)目為期兩年，第一能源方案公司將利用愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)在戴維斯-貝瑟核電廠(擁有一座 894兆瓦壓水堆)建設(shè)一座1～3兆瓦低溫電解示范裝置。項(xiàng)目總投資1050萬美元，能源部資助920萬美元。

埃克西爾能源公司2020年10月獲得能源部資助，將與愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室合作，在蒙蒂塞洛核電廠(擁有一座628兆瓦沸水堆)或普雷里島核電廠(擁有兩座520兆瓦壓水堆)建設(shè)一座高溫電解中試設(shè)施。目前尚未決定在哪座電廠建設(shè)，計(jì)劃在2021年啟動(dòng)工程和規(guī)劃工作，2022年啟動(dòng)設(shè)施建設(shè)，2023年投運(yùn)。項(xiàng)目總投資1377萬美元，能源部資助1050萬美元。

燃料電池能源公司也在2020年10月獲得能源部資助，將為愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室提供一個(gè)250千瓦的固體氧化物電解池(SOEC)系統(tǒng)。SOEC是一種高效、低污染的能量轉(zhuǎn)化裝置，可以將電能和熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。如果利用核反應(yīng)堆作為能量來源，SOEC有望實(shí)現(xiàn)氫氣的高效、清潔、大規(guī)模制備。在完成嚴(yán)格驗(yàn)證測(cè)試后，愛達(dá)荷將把這一系統(tǒng)用于核能制氫。項(xiàng)目總投資為1250萬美元，能源部資助800萬美元。應(yīng)當(dāng)指出，這一系統(tǒng)配備了電熱蒸汽發(fā)生器，不僅能夠示范低溫電解制氫，還能示范高溫電解制氫，因此可對(duì)這兩種制氫技術(shù)進(jìn)行比較。

推進(jìn)現(xiàn)有機(jī)組制氫的原因

美國在高溫氣冷堆和超高溫氣冷堆尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的前提下積極推進(jìn)現(xiàn)有機(jī)組制氫示范，主要有三點(diǎn)理由。

第一，現(xiàn)有核電機(jī)組迫切需要新的收入來源。受市場(chǎng)天然氣價(jià)格長(zhǎng)期保持低位以及可再生能源在政府支持下迅速發(fā)展等因素的影響，美國核電機(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)組宣布將在未來幾年內(nèi)關(guān)閉。

第二，為實(shí)現(xiàn)核電廠與可再生能源電廠未來的和諧發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。隨著風(fēng)能和太陽能等可再生能源的快速發(fā)展，如何在電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)與可再生能源的無縫整合，是未來核電發(fā)展面臨的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。核能制氫是一條可用于應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的重要途徑。

第三，為未來的高溫氣冷堆和超高溫氣冷堆制氫進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備。制氫技術(shù)具有一定的相通性。高溫電解技術(shù)在與現(xiàn)有機(jī)組耦合并得到成功應(yīng)用后，未來將能更快地用于高溫氣冷堆和超高溫氣冷堆制氫。

結(jié)語

氫能是世界公認(rèn)的清潔能源，發(fā)展前景廣闊。我國目前是全球最大的制氫國，現(xiàn)有工業(yè)制氫產(chǎn)能為每年2500萬噸。預(yù)計(jì)到2050年氫能在中國能源體系中的占比將達(dá)到約10%，氫氣需求量接近6000萬噸，年經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值超過10萬億元。

以水為原料的核能制氫，不僅能實(shí)現(xiàn)制氫過程的無碳排放，還能拓展核能的利用方式，提高核電廠的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，并為核電廠與可再生能源的和諧發(fā)展創(chuàng)造條件。美國正在積極推動(dòng)核能制氫技術(shù)的發(fā)展，并已進(jìn)入商業(yè)示范階段。建議我國加大力度在核能制氫領(lǐng)域進(jìn)行戰(zhàn)略性布局，以搶占未來氫能時(shí)代國際競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。