2023 年6 月，美國(guó)能源部發(fā)布《國(guó)家清潔氫戰(zhàn)略和路線圖》報(bào)告（以下簡(jiǎn)稱“《報(bào)告》”），提出加快清潔氫生產(chǎn)、加工、交付、儲(chǔ)存及使用全過(guò)程的技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用示范，助力2035年電網(wǎng)脫碳、2050 年凈零排放目標(biāo)。《報(bào)告》將核能制氫列為清潔氫生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，有望推動(dòng)美國(guó)核能制氫技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1 發(fā)布背景

清潔氫是指通過(guò)低碳或無(wú)碳方式生產(chǎn)的氫。美國(guó)2021 年《基礎(chǔ)設(shè)施投資和就業(yè)法》將清潔氫定義為“每千克氫生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的碳強(qiáng)度等于或小于2 千克二氧化碳當(dāng)量”，利用核能和可再生能源生產(chǎn)的氫均屬于清潔氫。清潔氫是一種應(yīng)用廣泛、綠色低碳的二次能源，可作為化工原料、汽車燃料、儲(chǔ)能載體，也是重型運(yùn)輸、鋼鐵冶煉等難以電氣化領(lǐng)域的潛在脫碳手段，對(duì)于推進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)低碳轉(zhuǎn)型具有重要意義。

為加速推動(dòng)清潔氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展，美國(guó)政府于2022年9月編制并發(fā)布《國(guó)家清潔氫戰(zhàn)略和路線圖（草案）》征求公眾意見(jiàn)，并于2023 年6 月發(fā)布最終版本報(bào)告。為及時(shí)更新氫能市場(chǎng)的最新動(dòng)態(tài)及利益相關(guān)者的反饋，《報(bào)告》將至少每三年更新一次。

2 主要內(nèi)容

《報(bào)告》分析了美國(guó)清潔氫發(fā)展的需求與挑戰(zhàn)，提出了三項(xiàng)清潔氫優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略以及三方面的行動(dòng)計(jì)劃。

需求與挑戰(zhàn)方面，《報(bào)告》預(yù)測(cè)，隨著交通、工業(yè)、電力等行業(yè)脫碳需求的增長(zhǎng)，美國(guó)對(duì)清潔氫的需求到2030 年將達(dá)1000 萬(wàn)噸（相當(dāng)于目前美國(guó)的氫氣年產(chǎn)量），到2040 年將達(dá)2000 萬(wàn)噸，到2050年將達(dá)5000萬(wàn)噸。當(dāng)前制約清潔氫發(fā)展的主要因素包括：缺乏氫配送基礎(chǔ)設(shè)施，缺乏大規(guī)模、低成本、耐用可靠的制氫技術(shù)，以及高昂的氫儲(chǔ)運(yùn)成本。

發(fā)展戰(zhàn)略方面，一是推進(jìn)清潔氫的戰(zhàn)略性、關(guān)鍵領(lǐng)域使用。清潔氫的主要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹请y以利用電氣化手段脫碳的領(lǐng)域，包括化工、冶煉、重型運(yùn)輸、長(zhǎng)期儲(chǔ)能等。二是降低清潔氫的成本。目標(biāo)是將清潔氫的生產(chǎn)成本到2026年降至2美元/千克、到2031年降至1美元/千克，配送成本到2030年降至2美元/千克。三是注重區(qū)域網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。鼓勵(lì)氫氣最終用戶與大規(guī)模清潔氫生產(chǎn)商合作，就近建設(shè)清潔氫生產(chǎn)設(shè)施，確保清潔氫大規(guī)模、穩(wěn)定生產(chǎn)與消納，發(fā)展和共享部分制儲(chǔ)運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施。

圖1 美國(guó)能源部測(cè)算的清潔氫成本降低方案

行動(dòng)計(jì)劃方面，主要聚焦清潔氫的生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和市場(chǎng)推廣三方面行動(dòng)，分別設(shè)置了近中遠(yuǎn)期目標(biāo)。一是清潔氫生產(chǎn)，近期推進(jìn)電解、熱化學(xué)等清潔制氫技術(shù)研發(fā)示范，示范可再生能源制氫、核能制氫等項(xiàng)目；中期部署百萬(wàn)千瓦規(guī)模的制氫電解槽，擴(kuò)大電解槽制造、回收和再利用規(guī)模；遠(yuǎn)期具備1000 萬(wàn)噸的清潔氫生產(chǎn)能力，并將生產(chǎn)成本降至1 美元/千克。二是儲(chǔ)運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，近期開(kāi)展儲(chǔ)運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)挑戰(zhàn)識(shí)別與分析，啟動(dòng)區(qū)域清潔氫中心配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；中期示范高效且先進(jìn)的基礎(chǔ)設(shè)施組件，構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的區(qū)域清潔氫網(wǎng)絡(luò)；遠(yuǎn)期開(kāi)展大規(guī)模氫氣運(yùn)輸。三是終端應(yīng)用及市場(chǎng)推廣，近期加強(qiáng)與監(jiān)管部門合作，啟動(dòng)工業(yè)項(xiàng)目，制定承購(gòu)協(xié)議；中期部署區(qū)域清潔氫中心；遠(yuǎn)期擴(kuò)大區(qū)域清潔氫中心的規(guī)模，為未來(lái)清潔氫出口做準(zhǔn)備。

3 核能制氫相關(guān)內(nèi)容

3.1 充分肯定核能制氫的經(jīng)濟(jì)性和高效性優(yōu)勢(shì)

《報(bào)告》指出，核能具有高負(fù)荷因子、經(jīng)濟(jì)性好、可以熱電聯(lián)產(chǎn)等特點(diǎn)，在大規(guī)模電解制氫領(lǐng)域具有一定優(yōu)勢(shì)。基于美國(guó)能源部H2A模型對(duì)低溫電解制氫平均化成本的測(cè)算表明：清潔氫成本對(duì)電力成本高度敏感，因此將制氫設(shè)施與現(xiàn)有核電廠集成，進(jìn)而穩(wěn)定地獲得低價(jià)電力供應(yīng)，可以有效降低清潔氫成本。此外，核反應(yīng)堆可同時(shí)提供電能與熱能，與尚處在研發(fā)階段的固體氧化物電解池（SOEC）高溫電解制氫技術(shù)相結(jié)合，有望進(jìn)一步提高制氫效率及經(jīng)濟(jì)性。

3.2 美將大力推進(jìn)核能制氫技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用示范

《報(bào)告》將核能列為生產(chǎn)清潔氫的重要能源之一，為核能制氫制定了明確的計(jì)劃目標(biāo)：2022年至2023年建立一座與核設(shè)施集成的1250千瓦制氫電解槽（已于2023年2月在九英里峰核電廠實(shí)現(xiàn)，采用質(zhì)子交換膜低溫電解制氫技術(shù)）；2024年至2028年間開(kāi)展不少于10個(gè)清潔氫生產(chǎn)示范項(xiàng)目，其中必須包含核能制氫項(xiàng)目；掌握用于高溫電解制氫的2萬(wàn)千瓦核熱提取、分配和控制技術(shù)。截至2023年8月，美國(guó)能源部已資助九英里峰核電廠、戴維斯-貝瑟核電廠（低溫電解制氫）、普雷里島核電廠（高溫電解制氫）三個(gè)核能制氫示范項(xiàng)目。

4 美國(guó)大力推動(dòng)核能制氫的原因分析

4.1 發(fā)揮核能優(yōu)勢(shì)助力清潔能源目標(biāo)

一方面，核能作為清潔低碳的基荷能源，具有負(fù)荷因子高、輸出穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，相比于負(fù)荷因子低、間歇性強(qiáng)的可再生能源，更有助于降低制氫成本（《報(bào)告》測(cè)算，為實(shí)現(xiàn)1 美元/千克的清潔氫生產(chǎn)成本，負(fù)荷因子至少應(yīng)達(dá)90%）；另一方面，核能具有適合大規(guī)模生產(chǎn)、熱電聯(lián)產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，核反應(yīng)堆提供的熱能有助于減少電解制氫所需的電能，從而降低生產(chǎn)每千克氫氣所需的電力，提高制氫的效率與經(jīng)濟(jì)性，增強(qiáng)清潔氫穩(wěn)定供應(yīng)能力。

4.2 增加在運(yùn)核電廠收入來(lái)源

在未來(lái)的能源市場(chǎng)中，在運(yùn)核電廠將面臨包括可再生能源、化石燃料電廠在內(nèi)的多種電廠的激烈競(jìng)爭(zhēng)。規(guī)?；暮四苤茪溆型岣吆穗姀S生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品的能力。美國(guó)能源部估計(jì)，一座100 萬(wàn)千瓦反應(yīng)堆，在配備制氫設(shè)施后，每年可產(chǎn)生15 萬(wàn)噸氫氣，約占當(dāng)前美國(guó)氫氣總產(chǎn)量的1.5%，這些氫氣可出售給區(qū)域內(nèi)的化肥、煉油、鋼鐵冶煉企業(yè)，為核電廠提供給新的收入來(lái)源。

5 啟示與建議

5.1 加強(qiáng)頂層謀劃，制定我國(guó)核能制氫發(fā)展規(guī)劃

核能制氫具有無(wú)碳排放特性，是保障國(guó)家清潔能源供應(yīng)安全穩(wěn)定的重要方式。建議加快制定我國(guó)核能制氫發(fā)展規(guī)劃，由國(guó)家能源主管部門牽頭，主要核電企業(yè)為研發(fā)和示范推廣主體，遵循研發(fā)攻關(guān)、應(yīng)用示范、產(chǎn)業(yè)化推廣的發(fā)展路線，加快推動(dòng)核能制氫示范工程項(xiàng)目建設(shè)及核能制氫全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展。

5.2 利用現(xiàn)有優(yōu)勢(shì)，加快高溫氣冷堆核能制氫技術(shù)攻關(guān)及工程試驗(yàn)

高溫氣冷堆是我國(guó)自主研發(fā)的先進(jìn)核能技術(shù)，它具有安全性好、堆芯冷卻劑出口溫度高等優(yōu)勢(shì)，其高溫高壓的特點(diǎn)與適合大規(guī)模制氫的熱化學(xué)循環(huán)制氫技術(shù)十分匹配，被公認(rèn)為是最適合核能制氫的堆型。建議立足高溫氣冷堆制氫技術(shù)基礎(chǔ)與條件，加強(qiáng)校企合作，依托高溫氣冷堆示范工程，近期到中期重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)相對(duì)成熟、可減少碳排放的高溫氣冷堆耦合甲烷重整制氫中試及工程規(guī)模示范；持續(xù)開(kāi)展無(wú)碳排放的碘-硫、混合硫熱化學(xué)循環(huán)制氫技術(shù)攻關(guān)及中試；中遠(yuǎn)期實(shí)現(xiàn)以熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫技術(shù)為核心的高溫堆綜合能源供應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)與氫冶金、石油化工等大規(guī)模用氫場(chǎng)景的結(jié)合。

5.3 選用成熟技術(shù)，探索壓水堆電解制氫應(yīng)用示范

壓水堆核能制氫是彌補(bǔ)可再生能源制氫間歇性，加速推動(dòng)清潔氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的良好方式之一，其技術(shù)原理成熟，制約因素主要是經(jīng)濟(jì)可行性。建議挑選運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好、調(diào)峰壓力大的在運(yùn)壓水堆核電廠，開(kāi)展小規(guī)模堿性電解水制氫、質(zhì)子交換膜電解水制氫示范，收集掌握核能制氫技術(shù)細(xì)節(jié)及運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)，為獲得核能綜合利用國(guó)際話語(yǔ)權(quán)、制定清潔制氫產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)。