高溫氣冷堆制氫的發(fā)展現(xiàn)狀及建議

張平

（清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院）

No.1 核能制氫技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀

核能是一種可大規(guī)模利用的零排放清潔能源，不排放二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物，是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要能源技術(shù)選項(xiàng)，在電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型、供熱方案深度脫碳、支撐綠色氫能發(fā)展等方面都具有重要的戰(zhàn)略意義。

按照“十四五”規(guī)劃，我國核電裝機(jī)容量要在2025年達(dá)到7000萬千瓦。在“雙碳”目標(biāo)的大背景下，業(yè)內(nèi)普遍預(yù)測(cè)到2030年在運(yùn)核電裝機(jī)規(guī)模1億千瓦，2035年在運(yùn)和在建核電裝機(jī)容量合計(jì)達(dá)到2億千瓦，核電發(fā)電量有望超過美國，核電占比將上升到10%左右。

與可再生能源相比，核能能量密度高，反應(yīng)堆功率較大，運(yùn)行穩(wěn)定，一般可作為基荷使用。將核能與可再生能源合理匹配使用，可以進(jìn)一步發(fā)揮各自的特長(zhǎng)。目前核能的使用以發(fā)電為主，若能用于制氫，不但可以提供大規(guī)模、高效、穩(wěn)定的氫氣供應(yīng)方案，還可以拓展核能的應(yīng)用領(lǐng)域，提高經(jīng)濟(jì)性。

核能制氫主要技術(shù)路線及其特點(diǎn)簡(jiǎn)述如下：

核熱輔助的碳基燃料重整。目前化石燃料轉(zhuǎn)化制氫過程中，煤、天然氣等既作為制氫過程原料，又作為吸熱反應(yīng)的燃料。如果利用高溫氣冷堆的工藝熱，替代化石燃料或生物質(zhì)熱解或重整制氫過程中作為熱源的部分，可以減少化石資源的用量，并降低相應(yīng)的碳排放。以天然氣重整為例，目前天然氣蒸汽重整制氫每生產(chǎn)1千克氫氣需要消耗3.5千克天然氣，產(chǎn)生大約8.8千克二氧化碳。由于重整過程為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，需要額外的燃料燃燒提供需要的熱，也產(chǎn)生大量的二氧化碳排放。如果用高溫堆工藝熱作為甲烷重整熱源，可以顯著減少作為燃料的天然氣用量。根據(jù)日本原子力機(jī)構(gòu)的計(jì)算，與傳統(tǒng)的蒸汽重整過程相比，可以減少約三分之一的用作燃燒燃料的天然氣用量，也減少相應(yīng)份額的二氧化碳排放。該技術(shù)成熟度高，與高溫氣冷堆耦合重點(diǎn)需要開發(fā)氣體加熱的甲烷重整器，可借鑒相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)，適于近期或中期布置。

高溫?zé)峄瘜W(xué)循環(huán)分解水。水的直接熱分解是原理上最簡(jiǎn)單的制氫方法，但熱力學(xué)分析表明在溫度高于2500開爾文時(shí)，水的分解才比較明顯；而在此條件下的材料和分離問題都很難解決，在工程上基本是不可行的。通過將兩個(gè)或多個(gè)化學(xué)反應(yīng)耦合、形成閉合循環(huán)過程，多個(gè)反應(yīng)凈結(jié)果為水分解產(chǎn)生氫氣和氧氣，這就是熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫。該方法可以在相對(duì)較低的溫度下（如800攝氏度）實(shí)現(xiàn)水分解，具有制氫效率高、易于放大、與高溫反應(yīng)堆耦合特性好等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最適宜利用高溫氣冷堆工藝熱的核能制氫方法。目前研究最充分、具有工業(yè)應(yīng)用前景的過程包括碘硫循環(huán)和混合硫循環(huán)。目前該方法處于實(shí)驗(yàn)室到中試研發(fā)階段。

高溫蒸汽電解。用高溫氣冷堆或者太陽能技術(shù)給系統(tǒng)提供高溫?zé)帷⒌蜏責(zé)峄蛘羝?，電能消耗可以大幅降低，?shí)現(xiàn)高溫下的蒸汽電解。其優(yōu)點(diǎn)包括：熱力學(xué)上需要的電能減少；電極表面反應(yīng)的活化能能壘易于克服，可以提高效率；電解池中的動(dòng)力學(xué)可以得到改善等。該方法處于實(shí)驗(yàn)室到中試過渡階段。

核電電解水制氫。目前廣泛應(yīng)用的核反應(yīng)堆為壓水堆，由于其蒸汽出口溫度約320攝氏度，難以與熱化學(xué)循環(huán)、高溫電解、甲烷蒸汽重整等方法耦合，但可以利用核電經(jīng)堿性電解或質(zhì)子交換膜（PEM）電解實(shí)現(xiàn)制氫。在電力過剩、核電經(jīng)濟(jì)性好或者需要高純氫氣的場(chǎng)合，可采用核能發(fā)電再經(jīng)常規(guī)電解方法制氫。在這種情況下，反應(yīng)堆與制氫過程耦合不需要像其他制氫方法那樣需要流體及熱力學(xué)的連接，僅通過方便的電力傳輸即可實(shí)現(xiàn)。該方法成熟度高，技術(shù)上基本不存在障礙，但從核能到氫能的整體轉(zhuǎn)化效率較低。

核能制氫作為大規(guī)模綠氫制備的有效途徑，受到美國、日本、法國、英國等核能大國的高度關(guān)注。近年來多個(gè)國家紛紛加大研發(fā)力度和產(chǎn)業(yè)化推廣，并給予政策支持。

日本從上世紀(jì)八十年代即開始核能制氫研發(fā)，在熱化學(xué)碘硫循環(huán)方向上進(jìn)行了持續(xù)深入的研究，建成了工程材料制作的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模碘硫循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)架，并對(duì)核能制氫安全性、經(jīng)濟(jì)性及制氫廠與反應(yīng)堆的耦合進(jìn)行了廣泛研究。在日本發(fā)布的氫能研發(fā)規(guī)劃中，明確將高溫堆制氫作為未來氫氣制備的重要方法。

美國一直在推進(jìn)核能制氫研究，主要聚焦高溫蒸汽電解、混合硫循環(huán)及碘硫循環(huán)等技術(shù)研發(fā)。2020年10月，美國能源部啟動(dòng)了首個(gè)利用核能的高溫蒸汽電解制氫項(xiàng)目。

法國發(fā)布《制氫方法》，明確核能發(fā)電制氫具有可控和無碳雙重優(yōu)勢(shì)，法國原子能委員會(huì)的核氫戰(zhàn)略是集中發(fā)展可以與核電或再生能源耦合的、能夠可持續(xù)生產(chǎn)的制氫工藝，對(duì)高溫蒸汽電解技術(shù)、碘硫循環(huán)進(jìn)行了深入研究。

英國核工業(yè)委員會(huì)2021年2月通過的《氫能路線圖》提出，到2050年核能制氫將提供英國氫能總需求量的三分之一，計(jì)劃使用大型核電站、小型模塊化反應(yīng)堆和先進(jìn)模塊化反應(yīng)堆通過常規(guī)電解、電解高溫蒸汽、高溫分解水等方式制氫。英國正在研究支持核能制氫的有關(guān)政策，包括將加大先進(jìn)模塊化反應(yīng)堆（超高溫氣冷堆）研發(fā)、將核能制氫歸類為綠氫、將零碳發(fā)電生產(chǎn)綠氫作為首選方案、建立一個(gè)積極的碳價(jià)體系，以及給予設(shè)立資助、補(bǔ)貼計(jì)劃和政府直接融資等。

加拿大國家核實(shí)驗(yàn)室、安大略理工大學(xué)等多年來一直致力于與超臨界水堆耦合的銅氯循環(huán)的研發(fā)，建成閉合循環(huán)臺(tái)架，并提出開展中試的計(jì)劃。

韓國政府也在2005年提出了明確的支持高溫氣冷堆及相關(guān)制氫技術(shù)的研發(fā)規(guī)劃，印度、俄羅斯等國也都開展核能制氫的研究。此外國際原子能機(jī)構(gòu)、國際經(jīng)合組織核能署等機(jī)構(gòu)對(duì)核能制氫也高度關(guān)注，并支持了多個(gè)協(xié)調(diào)項(xiàng)目。

No.2 高溫氣冷堆及核能制氫技術(shù)發(fā)展與路線討論

高溫氣冷堆具有固有安全性好、冷卻劑出口溫度高的優(yōu)點(diǎn)，除發(fā)電外，在制氫、高溫蒸汽供應(yīng)等核能綜合利用方面具有優(yōu)勢(shì)，是第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的優(yōu)選堆型。我國從上世紀(jì)七十年代即開始了高溫氣冷堆研發(fā)工作，2001年在清華大學(xué)核研院建成了10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆，2003年實(shí)現(xiàn)了滿功率運(yùn)行；之后開展了包括在氦風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行情況下的安全性驗(yàn)證在內(nèi)的大量研發(fā)工作。2006年，國家設(shè)立了“大型先進(jìn)壓水堆與高溫氣冷堆核電站”國家科技重大專項(xiàng)；在清華大學(xué)、中核集團(tuán)、華能集團(tuán)等單位通力合作之下，重大專項(xiàng)工作取得了大量重要進(jìn)展與成果，2021年9月高溫氣冷堆示范電站首次達(dá)到臨界，2022年12月達(dá)到了雙堆初始滿功率，實(shí)現(xiàn)了“兩堆帶一機(jī)”模式下的穩(wěn)定運(yùn)行，為工程投產(chǎn)商運(yùn)奠定了基礎(chǔ)。這些成果標(biāo)志著我國在高溫氣冷堆領(lǐng)域的發(fā)展居于國際領(lǐng)先水平。

如果將高溫氣冷堆技術(shù)與先進(jìn)制氫技術(shù)耦合，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高效、持續(xù)、穩(wěn)定制取無碳排放的氫氣，有望成為我國大規(guī)模供應(yīng)氫氣的重要解決方案之一，也是占領(lǐng)第四代核能技術(shù)、核能制氫及其綜合利用制高點(diǎn)的重要突破口。在重大專項(xiàng)支持下，清華大學(xué)從2006年開始了以高溫氣冷堆工藝熱應(yīng)用為背景的熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫和高溫蒸汽電解制氫技術(shù)的研發(fā)，“十二五”期間建成集成實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的制氫裝置并實(shí)現(xiàn)了連續(xù)運(yùn)行，解決了制氫技術(shù)的關(guān)鍵工藝問題；“十三五”期間，重點(diǎn)開展了熱化學(xué)循環(huán)制氫關(guān)鍵設(shè)備、中間換熱器、核能制氫安全性等方面的研究，目前正在進(jìn)行設(shè)備放大、中試規(guī)模制氫廠設(shè)計(jì)等工作，已具備開展中試規(guī)模驗(yàn)證和示范的條件。

當(dāng)前，高溫氣冷堆制氫正處在研發(fā)的關(guān)鍵時(shí)期，關(guān)鍵技術(shù)有待加快突破。高溫氣冷堆制氫需要將出口溫度從目前的750攝氏度提高到950攝氏度左右，在超高溫運(yùn)行狀態(tài)下相關(guān)反應(yīng)堆物理熱工設(shè)計(jì)、安全分析、工程材料研發(fā)，以及中間換熱器等關(guān)鍵設(shè)備研制、熱化學(xué)制氫工藝中試階段的設(shè)備放大、系統(tǒng)優(yōu)化以及與高溫堆耦合等方面面臨一系列工程化挑戰(zhàn)，后續(xù)亟需保持持續(xù)穩(wěn)定、高強(qiáng)度的研發(fā)投入，開展高溫堆制氫中試規(guī)模示范及以核能制氫為核心的氫、電、熱綜合供應(yīng)及其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，繼續(xù)保持我國高溫氣冷堆領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

在技術(shù)路線方面，由于高溫氣冷堆工藝熱供應(yīng)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，制氫技術(shù)應(yīng)考慮以主要利用高溫工藝熱、減少甚至消除制氫過程碳排放的路線。為此，近期到中期可重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)相對(duì)成熟、可減少碳排放的核熱輔助的甲烷重整，進(jìn)行工程規(guī)模示范；開展無碳排放的熱化學(xué)循環(huán)制氫中試示范；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。

No.3 推進(jìn)高溫氣冷堆制氫中試及商業(yè)示范的建議

核能制氫前景廣闊，高溫氣冷堆制氫有望成為我國核能制氫產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先世界、實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)的一個(gè)重要突破口。根據(jù)我國技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，我們認(rèn)為到2035年可以實(shí)現(xiàn)高溫氣冷堆制氫技術(shù)規(guī)?；l(fā)展，力爭(zhēng)到2060年高溫氣冷堆制氫形成每年生產(chǎn)2000萬噸氫的能力，供給我國15%~20%的氫能需求，與核能發(fā)電在電力供應(yīng)中的地位相匹配。為此提出如下建議：

一是將高溫氣冷堆制氫作為我國氫能戰(zhàn)略的重要組成部分。建議在研究制定國家氫能戰(zhàn)略及發(fā)展路線圖時(shí)，將核能制氫，特別是高溫氣冷堆制氫作為氫能戰(zhàn)略的重要組成部分。

二是將高溫氣冷堆及其制氫技術(shù)列入新一批國家科技重大專項(xiàng)繼續(xù)給予支持。美國、日本等相關(guān)國家已經(jīng)在加快高溫氣冷堆研發(fā)，我國高溫氣冷堆、熱化學(xué)循環(huán)制氫等技術(shù)的研究正在關(guān)鍵階段，需要長(zhǎng)期大量的投入。建議加大研發(fā)支持力度，統(tǒng)籌考慮核能發(fā)展的技術(shù)布局，將高溫氣冷堆及其制氫技術(shù)列入新一批國家科技重大專項(xiàng)，進(jìn)一步鞏固我國在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

三是加強(qiáng)科普及宣傳工作，提升公眾對(duì)核能及氫能的認(rèn)知和接受度。核電長(zhǎng)期面臨公眾可接受性和鄰避效應(yīng)問題，民眾擔(dān)憂與地方壓力已經(jīng)成為制約我國核能發(fā)展的重要因素之一，也相應(yīng)影響了核能制氫技術(shù)的發(fā)展。需要面向公眾加強(qiáng)多角度、多渠道的教育和宣傳工作。