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核能制氢:清洁高效的粉红氢

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核能制氢:清洁高效的粉红氢

2024-01-30 11:38:00 联悦气体 浏览次数:1048

在全球气候变化的大环境下,氢能作为一种无污染的清洁能源,在全世界各国引起广泛关注和应用。目前,全世界每年大约消耗5000万吨氢气,其中95%以上来源于化石能源的灰氢。实现氢气的广泛应用,须开发出更清洁、高效的大规模制氢技术。


核能,或称原子能,是指通过核反应从原子核释放的能量。核能是一次能源,经过半个多世纪的发展,已经成为全球清洁能源的重要构成。有人提出,将核能与制氢工艺耦合,既能实现制氢过程的无碳排放,还可有效拓展核能的利用方式,是未来氢气大规模供应的重要解决方案。


核能制氢


核能制氢即将核反应堆与制氢工艺相结合,利用核反应堆有大量多余的热能进行氢气的大规模生产。核能作为清洁能源,不仅可以提供大规模制氢所需的电力,还可以提供热化学循环制氢所需的热能。


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一般情况下,根据氢气来源,我们将其分为灰氢(化石能源制取的氢气,高碳排放)、蓝氢(在灰氢的基础上捕获温室气体,低碳排放)、绿氢(可再生能源电解水制取的氢气,无碳排放)。虽然核能制氢无碳排放,但由于核能不属于可再生能源,因此核能制取的氢气被称为“粉氢”。



技术优势


提升核能利用率:核电站开启后关停成本极高,用电端的波峰波谷使得在波谷无法消纳和存储。核能弃电制氢能够为核产业提供额外产出,利于维持正在老化的反应堆的服役状态,避免核设施的废弃,实现核电生产与需求曲线匹配,提高核能利用率和竞争力。


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提高制氢效率:现阶段,绿氢通常是使用风、光能进行发电,然后再进行电解水制氢,整体效果低于30%。若利用核反应堆的热能和电能,对水进行高温电解制氢或热化学制氢,制氢效率将超过50%,甚至更高,而且整个过程零碳排放。



技术路径

核能制氢的技术路线可分为核电制氢(机组为制氢提供电能)、核热制氢(机组为制氢提供热能)和电热混合制氢(机组为制氢提供热能和电能)三种。


核电制氢

核电制氢即一般的电解水制氢,核反应堆为电解水制氢装置提供稳定的清洁电力。由于核电站的热电转换效率仅为35%左右,若电解水制氢效率以80%来计算,最终核能电解水制氢的总效率还不到30%。在目前成熟的制氢工艺中,电解水制氢的成本最高,因此核电制氢目前尚未具备竞争优势,很难规模化推广应用。


核热制氢

核热制氢即热化学制氢,是将核反应堆与热化学循环制氢装置耦合,使水在800℃至1000℃下催化热分解,从而制取氢和氧,热氢的转换率可达60%甚至更高。目前的主要工艺是碘硫循环制氢,但该技术成熟度较差,且需要高温下耐腐蚀的材料和反应器。


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碘硫循环制氢原理


电热混合制氢

电热混合制氢是利用先进核反应堆提供的工艺热(约30%)和电能(约70%),在800~1 000 ℃的高温下,将液态水转化水蒸气,然后电解为氢气和氧气。目前主要工艺就是高温蒸汽电解制氢,由于核反应堆提供大量反应需要的热量,高温蒸汽电解的效率高于常规电解水,其制氢效率超过50%,但技术成熟度差,需要发展耐用大尺寸高温电解制氢设备。


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三种不同的核能制氢路径来看,虽然核电制氢技术最为成熟,但还不具备竞争优势。核热制氢和电热混合制氢工艺,需要核反应堆提供高温工艺热,但这类反应堆全部属于第四代核能反应堆,目前最佳方案是高温气冷堆,但距商业化推广仍有较长时间,且面临很大不确定性。



发展现状


放眼全球,随着新一代核堆型的成熟与氢能产业的发展,美日英中等核电大国均已启动本国的核能制氢工程。


美国:早在2004年,美国能源部(DOE)就启动了核能制氢研究工作。通过与电力企业合作,对在九英里峰核电厂在内的4个核电厂生产清洁氢的示范项目提供支持。其中,九英里角核电站中的一座1250千瓦低温电解制氢设施(质子交换膜电解槽)已于2023年3月启动运行,每天可生产560千克氢气。


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九英里峰核电厂


日本:日本原子力研究机构自1998年建成运行热功率 30MWe的高温气冷试验堆,成功实现在850℃下稳定运行。2004年冷却剂出口温度达到950℃并成功完成了连续一周制氢试验运行。2019 年,该堆连续运行 150 个小时,示范了热化学碘硫循环制氢工艺。



英国:在短期内先在役核电机组上进行制氢示范和应用,中长期则优选高温气冷堆制氢,并将高温气冷堆作为其先进模块化反应堆的首选堆型。2021年英国政府颁布的“绿色工业革命10项计划”(Ten Point Plan)中,规划到2030年实现绿氢等效装机容量达到500万千瓦,核能被视为生产绿氢的主要来源之一。


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广东大亚湾核电站


中国:清华大学从2004年开始论证核能制氢方法的可行性,随后开展了对碘硫循环核热制氢的基础性实验研究。在产业方面,中核集团核制氢重点在高温气冷堆与热化学制氢技术耦合,其目标是建成一座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。2021年,中广核集团首次将SOEC应用于核电制氢示范项目,项目落地广东大亚湾核电站。


面临挑战


虽然核能制氢具有广阔的发展前景,但要实现商业化还需克服诸多挑战。


一是核能制氢的经济性尚待验证,成本是核能制氢能否实现大规模商业利用的关键因素。


二是能高效率制氢的高温气冷堆技术还不成熟,其工艺系统、关键设备、核心材料等技术都还需要进一步试验和改进。


三是安全性,制约核能制氢的一大因素。考虑到核电站安全的高度敏感性,如何保证核能制氢过程中氢的安全生产、运输和储存,也是需要考虑的关键问题。



总结

核能制氢,广义就是核能为制氢工艺提供清洁热能与电能。总体而言,整个产业仍处于发展初期阶段,其中部分技术路径已进入了初步项目示范阶段,且受到各国政府高度重视,是具备发展潜力的制氢路径。


未来,随着核能制氢技术的进一步完善,核能在制氢方面的作用也会越来越大,有望成为将来氢气大规模供应的重要解决方案,进而反哺氢能产业高质量发展。




参考文章:

《核能制氢可再生能源技术研究》朱雷杰

《核能制氢的效率分析》张平

《核能制氢技术的发展》张平

《核能制氢,核电大国竞争新赛道》环球零碳

《核能制氢前景几何?》能源新媒


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