主要核工业国家大力推进核能制氢
时间：2023-02-10 17:25:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
美国能源部2022 年11 月宣布，首座核能制氢示范设施即将在2022 年12 月开始制氢，另外三座核能制氢示范设施也将在2023—2024年投运。这四座设施将示范总计四种以水为原料的电解制氢技术。
氢是一种绿色低碳、应用广泛的二次能源，对构建清洁安全高效的能源体系、实现双碳目标具有重要意义。目前全球大部分制氢工艺需要使用煤、石油、天然气等化石燃料，制取过程中会释放大量二氧化碳，不利于碳减排目标的实现。核能是一种低碳排放的一次能源。以水为原料的核能制氢已成为全球公认的最具前景的大规模制氢方式之一。包括美国、俄罗斯、法国、英国在内的世界主要核工业国家均在积极推进核能制氢。
美国政府十分重视氢能的发展，2001 年11月发布《美国向氢经济过渡的国家愿景——至2030年及以后》，概述了氢能在美国未来能源发展中可能发挥的作用以及实现氢能经济的共同愿景；
2002 年4 月发布首份《国家氢能路线图》，明确了未来氢能发展的基本方向；
此后陆续出台一系列政策措施大力推进制氢技术研发，并将核能制氢作为一条十分重要的技术路线。2022年9月，能源部发布《国家清洁氢战略和路线图》草案，开始向公众征求意见。草案反复强调将利用核能清洁、高效制氢。
1.1 最新进展
在能源部资助下，相关企业正在四座核电厂推进核能制氢示范设施建设。这些设施均将在2024年底前投运，分别采用了四种技术，包括三种低温电解技术和一种高温电解技术。
联合能源公司正在九英里峰核电厂建设一座1250 千瓦的低温电解设施（质子交换膜电解槽），将于今年12 月启动清洁氢生产，成为美国首座投运的核能制氢设施。联合能源公司还计划与NYSERDA公司合作，在这座核能制氢设施附近建设一座氢燃料电池设施，于2025 年开始向电网供电。
Energy Harbor 公司正在戴维斯-贝瑟核电厂推进低温电解（聚合物电解质膜）制氢设施建设，预计该设施将于2023年投入运行。
能源部正在与亚利桑那州公共服务公司和西北太平洋氢协会协商，目的是资助后两者在帕洛弗迪核电厂建设使用第三种低温电解技术的制氢设施，预计该设施将于2024 年开始制氢。
埃克西尔能源公司和布鲁姆能源公司正在推进普雷里岛核电厂240 千瓦高温电解制氢设施建设项目。目前正在开展设施的设计工作。预计设施将于2023 年启动建设，2024 年初开始制氢。
1.2 未来行动
为继续推动核能制氢技术的发展，美国在近期发布的多份文件中均对核能制氢给予专项支持。
能源部2022年9月底发布《国家清洁氢战略和路线图》草案，内容涉及清洁氢的生产、运输、存储和使用。该草案中就清洁氢的发展提出三项关键战略。一是实现清洁氢的战略性、高价值应用。一方面，美国将推进清洁氢在工业、重型运输业和长期储能领域的应用。另一方面，美国将长期推进清洁氢的出口，保障盟国的能源供应安全。二是降低清洁氢的成本。能源部将推进创新，激励私营企业投资，并推动氢供应链的建设，目标是大幅降低制氢成本。三是建设区域网络，如区域清洁氢中心等。草案将核能制氢视为一种有前景的清洁制氢技术。
美国2022年8月颁布《通胀削减法》，明确提出将以税费抵免（每千克低碳氢3 美元）方式支持包括核电厂在内的清洁能源电厂开展和扩大氢的生产。
2022 年9 月，能源部采取了两项行动：一是根据2011年《基础设施投资和就业法》的要求宣布启动一项总投资70 亿美元的清洁氢计划，未来将在全国范围内建设六至十个区域清洁氢中心，其中至少一个中心必须使用核能；
二是宣布开始接收“核能制氢及应用”项目资助申请。两类项目可以获得资助：一类涉及为未来的核能与氢能工业园区设计、开发和建设热量提取设施，另一类涉及核能的氢耦合终端应用。预计第一类项目将支持以200万～300万千瓦热功率水平进行热量的提取、分配和控制。同样在9 月，联合能源公司与阿贡国家实验室签署长期合作协议，将对美国能源发展趋势进行评估，并开发更高效的低碳发电技术。在这一协议下，双方将在2028 年底前完成多个合作项目，包括一个核能制氢以及氢储存和运输项目。
当前，包括俄罗斯、法国、英国、日本和加拿大在内的全球10多个国家也明确提出将利用核能制氢，积极出台相关政策，支持核能制氢技术研发，并已取得一系列进展，多座核能制氢示范设施有望近期投运。
2.1 俄罗斯
俄罗斯2020 年6 月发布《2035 年能源战略》，提出将成为世界领先的氢生产国和出口国，并积极推进核能制氢应用；
同年10月发布《2024年前氢能发展路线图》，明确指出俄罗斯国家原子能集团公司将在制氢领域发挥关键作用；
2021年8月发布《氢能源发展构想》，将核能制氢作为一项优先发展技术。
在相关政策支持下，俄原集团准备近期在现有核电厂实现电解制氢，远期利用高温气冷堆制氢，正在开展两个项目：一是到2025年在科拉核电厂建成一座能年产150 吨氢气的电解制氢中试设施；
二是于2021 年启动高温气冷堆与蒸汽甲烷重整工艺耦合制氢技术的研发及前端工程和设计工作，预计于2032 年建成首座高温气冷堆，并于2036年启动制氢。
2.2 法国
法国2020年9月发布国家氢能战略，宣布将在2030年前投资70亿欧元建成650万千瓦电解槽，以利用核能和可再生能源制氢。总统马克龙在2021年10月公布的“法国2030计划”中指出，法国能够大力发展低碳氢的关键在于其拥有核能这张“王牌”，即可以利用核电这一在法国总发电量中占比超过70%的低碳电力制氢，因此法国将投资23亿欧元推动电解制氢技术的发展，包括到2030年至少建成2座百万千瓦级“超级制氢厂”。
法国麦克菲公司将建造一座超级制氢厂，目前已完成选址工作，并在今年2月从法国政府获得1.14亿欧元资助，随后于7 月宣布获得欧盟委员会“欧洲共同利益项目——氢技术”资金支持。法国电力公司于今年4 月中旬启动一项氢计划，将投资20 亿～30 亿欧元用于推进核电制氢，目标是到2030年建成300万千瓦电解槽。
2.3 英国
英国2021 年8 月发布的《氢战略》将核能作为制氢的关键能源，强调：一是利用现有反应堆低温电解制氢；
二是大力研发高温气冷堆，到本世纪三十年代实现高温电解制氢；
三是研发先进反应堆，在本世纪三十年代中后期使用这类反应堆进行热化学分解水制氢。2022年4月，英国发布《能源安全战略》，计划通过发展核能和可再生能源，到2030 年将低碳电解制氢能力提升至1000万千瓦。
法国电力公司正在英政府支持下推进两个核能制氢项目：一是为正在建设中的欣克利角C核电厂配备大型制氢电解槽；
二是2022 年11 月初获得英国商业、能源和工业战略部40 万英镑的支持，将就在希舍姆核电厂利用高温电解（固体氧化物电解池）技术制氢开展可行性研究。此外，超安全英国公司计划以其现有微型高温气冷堆为基础，开发改进型微堆，并进行制氢示范。该项目已获得政府资助。
2.4 日本
日本2017 年12 月发布《氢基本战略》，目标是在降低碳排放的同时维护工业竞争力。随后日本于2020 年10 月发布《绿色增长战略》，并于2021 年6 月发布修订版战略。修订版战略提出将大力推进核能制氢，尤其是利用高温气冷堆制氢。日本计划在2030年完成高温气冷堆制氢技术研发，即将高温气冷堆与高温电解、蒸汽甲烷重整和热化学分解水工艺耦合。
应日本经济产业省要求，日本原子能研究开发机构和三菱重工2022 年4 月启动高温工程试验堆（HTTR）制氢示范项目，目前正在开展相关研究，计划从今年年底开始分阶段开展许可申请、设备改造和测试工作。
2.5 加拿大
加拿大2020 年12 月发布《氢能战略》，大力支持核能制氢，该战略的短期目标是利用现有核电机组在非电力需求高峰时段生产的电力制氢，长期目标是利用先进反应堆的蒸汽和高温热能分别开展蒸汽甲烷重整工艺制氢和热化学分解水制氢。
布鲁斯电力公司正在研究利用布鲁斯核电厂过剩电力制氢的可行性。安大略理工大学正在就核能和热化学分解工艺耦合制氢开展研究，目前已在实验室进行示范，属全球首次。
核能制氢技术的商业化应用目前主要面临两项挑战。
一是技术方面。目前最为成熟的核能制氢方法是直接利用核电进行常温电解制氢，然而由于现有大多数核电厂热电转换效率仅为约35%，因此这一方法的热能至氢能的转换率最高仅为30%。而以熔盐、液体金属和气体为冷却剂的先进反应堆能够作为500～900℃的高温热源——超高温气冷堆可达1000℃，与高温电解、蒸汽甲烷重整或热化学分解水工艺耦合制氢，这些技术热能至氢能的转换率可达60%甚至更高。然而，蒸汽甲烷重整技术在制氢过程中将会排放大量二氧化碳，因此需配备碳捕集、利用和封存设施，这会增加成本和工艺复杂性，因此加拿大等国将其视为过渡性制氢技术。相比之下，核能与高温电解和热化学分解水工艺耦合更具优势，但其技术成熟度目前相对较低。
二是经济性方面。成本是核能制氢能否实现大规模商业利用的关键因素。根据国际原子能机构开发的氢经济评价程序，生产成本和外部投融资支持是影响核能制氢经济性的核心要素。生产成本主要受反应堆造价和运行成本、制氢设备成本以及制氢规模等因素的影响，其中先进反应堆与高温电解和热化学分解水工艺耦合可有效降低制氢的平准化成本；
核能制氢规模的扩大能够助推成本的进一步降低。包括提供优惠贷款、给予税费抵免和建立碳排放交易体系在内的外部投融资支持，也有助于提升核能制氢经济性。
全球能源结构清洁低碳转型将带来氢需求的持续快速增长。核能制氢技术不仅能够实现制氢的低碳排放，还将推进核能的多元化应用，提高核电厂的经济竞争力，具有广阔的发展前景。为在保障能源供应安全的同时推进能源转型、实现气候目标，全球主要核工业国家正在积极推进核能制氢技术发展，并已取得实质性进展，首批示范设施即将投运。为支持核能制氢技术发展，国际原子能机构2022年5月启动核能制氢部署路线图倡议，拟汇集决策者、技术开发商、项目管理者和运营者等多方力量，共享各国核能制氢发展战略和相关技术研发的最新进展，明确相关技术的商业化路径，并制订一份路线图指导文件，为各国提供用于评价、规划和制订核能制氢发展战略的工具。迄今已有28 个国家和4 个国际组织参与这项倡议。
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