核能制氢竞逐赛 _氢能

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除非核电与制氢系统的成本显著降低，核电制氢并不具备竞争力

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文 | 马清远
氢能是清洁的二次能源，在清洁燃烧、氢燃料电池等方面有广阔的应用前景。更为重要的是，氢气可以将电力的生产与消耗脱钩，作为清洁能源载体，可以气态、液态、固体氧化物等多种形式存储和运输，且能量密度大、储能时间长，因此是一种可实现大规模、长周期的储能手段。
实现氢气的广泛应用，须开发出清洁、高效、可实现大规模制氢的技术。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。中国是世界上最大的制氢国，目前氢气产能约为4000万吨/年，产量约为3300万吨/年，主要由化石能源制氢和工业副产氢构成。
根据中国氢能联盟2021年发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》，到2050年氢能在中国能源供应中的占比将达到约10%，氢气需求量接近6000万吨，年经济产值超过10万亿元。
经过半个多世纪的发展，核能已经成为全球清洁能源的重要构成。核能制氢将核反应堆与制氢工艺耦合，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，提高核电厂的经济竞争力。
在全球推动“碳中和”的进程中，美国、欧盟、英国以及日本等均在积极推进核能制氢相关研究，但是理想的核热制氢方案必须依托高温/超高温反应堆，而这一核能技术本身目前尚未成熟和规模化应用，而在占绝对主流的现役水冷反应堆核电机组上电解制氢成本较高，不具备竞争优势，很难规模化推广。
笔者认为，核能制氢的应用前景取决于高温/超高温反应堆能否批量化建设，目前来看，高温堆自身的经济性问题是最大障碍。

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两种技术路线
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。
能够与制氢工艺耦合的反应堆有多种选择, 但从制氢的角度来看, 制氢效率与工作温度密切相关，高温 ( 出口温度700-950℃ ) 和超高温反应堆 ( 出口温度950 ℃以上）是最优选择。
【核能制氢竞逐赛】核电制氢即一般的电解水制氢，该工艺产氢效率（55%~60%）较低，美国开发的SPE先进电解水技术可将电解效率提升为90%，即便如此，由于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只有30%甚至更低。
在目前成熟的制氢工艺中，电解水制氢的成本最高，因此核电制氢目前基本不具备竞争优势，很难规模化推广应用。
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，热能至氢能的转换率可达60%甚至更高，目前的最优方案是美国通用原子能公司开发的碘硫循环。
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750℃至950℃的高温下将水蒸气高效电解为氢气和氧气，其制氢效率接近60% 。