據(jù)杰西卡·桑德杰羅希(Jessica Sondgeroth)6月中在美《能源情報(bào)》(Energy Intelligence)網(wǎng)上報(bào)道[1]，Xcel能源公司在明尼蘇達(dá)州普雷島(Prairie Island)核電廠開展的試點(diǎn)項(xiàng)目，以及NuScale能源公司和英國Rolls-Royce SMR公司的相關(guān)研究，都是利用“輕水堆”產(chǎn)生的蒸汽生產(chǎn)“粉氫”[2]的努力。國際能源署(IEA)稱，到本世紀(jì)中葉，氫基燃料的使用可以幫助減少6%的碳排放。現(xiàn)代輕水堆集中在世界核能大國，特別是中國，關(guān)注、研究輕水堆“制氫”技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性，還有特殊意義……

從動(dòng)力堆轉(zhuǎn)移輸出部分蒸汽，有可能提高核能衍生“粉氫”生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。雖然這一主張最好通過高溫氣冷堆加以證明，但渴望從潛在的巨大清潔氫市場(chǎng)中分得“一杯羹”的核電倡導(dǎo)者，正在研究如何將輕水堆(LWR)的蒸汽轉(zhuǎn)移到粉氫生產(chǎn)中，而不僅僅是為電解槽供電。

從美國運(yùn)營商Xcel能源公司位于明尼蘇達(dá)州普雷島壓水堆試點(diǎn)項(xiàng)目、法國電力公司(EDF)在英國Sizewell C EPR的計(jì)劃[3]，以及“輕水”小型模塊化反應(yīng)堆(iSMR)供應(yīng)商N(yùn)uScale能源公司和Rolls-Royce SMR公司開展的研究中，都能看到這些早期的努力。所有這些公司都希望確認(rèn)一種新型制氫方法的效能。如果這種方法得到證實(shí)，就有可能為眾多希望除碳的行業(yè)帶來活力，包括能源儲(chǔ)存、運(yùn)輸燃料、石油提煉和鋼鐵生產(chǎn)。

國際能源署(IEA)在2022年9月的一份報(bào)告中指出，到2050年，僅氫基燃料一項(xiàng)就可使累計(jì)總排放量減少6%。“目前的氫氣生產(chǎn)主要基于化石燃料技術(shù)，”而低排放“生產(chǎn)占2019～2021年氫氣總產(chǎn)量的比例不到1%”。伍德麥肯茲(Wood Mackenzie)在2022年6月的一份氫報(bào)告中估計(jì)，到2050年，對(duì)低碳?xì)涞男枨罅繉哪壳暗慕趿阍鲩L到2.11億噸。

高溫蒸汽有助于提高從水中分離氫的電解過程的效率。高溫氣冷堆可隨時(shí)獲得高溫蒸汽，而低溫反應(yīng)堆的運(yùn)行溫度較低，需要提供熱能來汽化電解廠的單獨(dú)清潔脫鹽給水流。

商業(yè)示范案例

Xcel能源公司預(yù)計(jì)，普雷島核電廠高溫電解試點(diǎn)項(xiàng)目將于 2024 年下半年開始運(yùn)營。它是美國能源部愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室(INL)利用核能開展的三個(gè)低溫電解項(xiàng)目中唯一的高溫項(xiàng)目，已獲得1,000萬美元的現(xiàn)金獎(jiǎng)勵(lì)。

Xcel能源公司負(fù)責(zé)清潔燃料的副總裁雷格·張伯倫(Greg Chamberlain)告訴《能源情報(bào)》，Xcel希望“既成為氫氣的生產(chǎn)者，也成為氫氣的消費(fèi)者”，并指出氫氣在發(fā)電、天然氣混合和其他清潔分子方面的優(yōu)勢(shì)。理想情況下，當(dāng)需求量較低或可再生能源產(chǎn)量較高時(shí)，發(fā)電廠將提供多余的電力和蒸汽制氫，但電力部門激進(jìn)的除碳目標(biāo)可減少限制可再生能源和核能的過剩量。不過，在適當(dāng)?shù)那闆r下，現(xiàn)有和未來的核電生產(chǎn)商可以靈活地進(jìn)行電力供應(yīng)，同時(shí)仍然為制氫提供蒸汽。

與僅使用電力的低溫電解法相比，高溫電解法不僅使用電力，還使用蒸汽更有效地生產(chǎn)氫氣。幸運(yùn)的是，高溫電解可以從任何地方獲得電力，而蒸汽供應(yīng)則必須相對(duì)靠近。Xcel核創(chuàng)新工程經(jīng)理莫莉·斯特拉瑟(Molly Strasser)告訴《能源情報(bào)》，“電力很容易運(yùn)輸”，但“蒸汽就不那么容易運(yùn)輸了，而且要確保最終溫度合適”。

使用核電廠的蒸汽需要在附近設(shè)置一個(gè)電解“滑撬”(skid)或平臺(tái)，但要與核電廠本身保持安全距離。在普雷島核電廠，一條“熱輸送環(huán)路”將把核工藝熱能從反應(yīng)堆廠房輸送到約1公里外的高溫蒸汽電解(HTSE)廠。除了用作熱能的蒸汽外，給水供應(yīng)還必須滿足電解氫氣的高標(biāo)準(zhǔn)，這可能會(huì)影響現(xiàn)有輕水堆尋求進(jìn)入氫氣市場(chǎng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能。斯特拉瑟說，“因此，這是我們討論過的問題，但我認(rèn)為我們需要在適當(dāng)?shù)那闆r下才能真正解決這個(gè)問題。”

未來的挑戰(zhàn)

Xcel能源公司普雷島核電廠的高溫電解試驗(yàn)項(xiàng)目仍處于設(shè)計(jì)階段，計(jì)劃把這個(gè)電廠生產(chǎn)的240 MW電力和用于發(fā)電的10%～15%的蒸汽轉(zhuǎn)移到電解廠。斯特拉瑟說，“從技術(shù)上講，這很容易，但在現(xiàn)實(shí)中，在實(shí)際操作上，也許并不那么容易。” “這是嘗試著把兩種不同的技術(shù)耦合在一起。單就核能而言，我們很熟悉，日常工作‘得心應(yīng)手’;但把‘氫撬’與核電裝置整合在一起卻是突破了常規(guī)，是個(gè)首創(chuàng)。在處理這項(xiàng)技術(shù)中，在這兩方面都有一個(gè)學(xué)習(xí)過程。”

斯特拉瑟指出，例如，設(shè)備供應(yīng)商必須熟悉核運(yùn)營商必須遵守的規(guī)則、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。主要挑戰(zhàn)之一是建立新生的電解槽供應(yīng)鏈，盡管目前取得了一些進(jìn)展。伍德麥肯茲公司2月份的一份報(bào)告中指出，“一年前，電解槽制造看起來還是個(gè)瓶頸。這種情況似乎已不復(fù)存在，2022年宣布的發(fā)電量將達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的45 GW。”但是仍然有許多障礙，包括氫氣運(yùn)輸，因?yàn)闅錃鈽O不穩(wěn)定。Xcel和INL提議建個(gè)管道網(wǎng)絡(luò)，將氫氣輸送到終端用戶。

2021年，INL與Xcel合作編寫了一份報(bào)告，其中總結(jié)道：盡管認(rèn)為輕水堆產(chǎn)生的熱能“在高達(dá)300°C的溫度下仍然是低品位的”，但這種熱能可“用來克服大量水蒸發(fā)所需的大量潛熱能”。“汽化后，可利用熱回收和頂層加熱器提供顯熱，將蒸汽提升到高溫蒸汽電解(HTSE)的工作溫度(接近700 °C～800 °C)。”

新市場(chǎng)機(jī)遇

其他核電供應(yīng)商和開發(fā)商已在計(jì)劃至少創(chuàng)建一種選擇，即從計(jì)劃的小型堆甚至大型堆中轉(zhuǎn)移蒸汽用于制氫。例如，在法國電力公司正在計(jì)劃在英國新建的Sizewell C核電廠中，為EPR增設(shè)一個(gè)閥門，以便將這個(gè)巨型反應(yīng)堆產(chǎn)生的部分熱量轉(zhuǎn)移出去。一位高管解釋說，“如果從Sizewell C帶走400 MW熱能(這與安全情況相符)，那么對(duì)電力輸出的影響非常小，而得到的熱能會(huì)非常便宜。”

小型模塊式輕水堆(SMR)可能會(huì)采用與正在部署中的普雷島相類似的方法。NuScale能源公司5月31日表示，該公司進(jìn)行的研究表明，“單個(gè)”NuScale SMR模塊產(chǎn)生的蒸汽可用于“各種高溫工藝流程”，包括制氫。NuScale發(fā)言人黛安娜·休斯(Diane Hughes)告訴《能源情報(bào)》，不需要對(duì)模塊進(jìn)行任何改動(dòng)，蒸汽可通過“先進(jìn)的固態(tài)氧化物電解槽”進(jìn)行“熱回收”，高溫電解槽位于“核電廠邊界之外”。

隨后，Rolls-Royce SMR公司宣布了與投資公司住友商事(Sumitomo Corporation)聯(lián)合開展的可行性研究結(jié)果。這家總部位于英國的SMR供應(yīng)商在6月14日的一份聲明中表示，這項(xiàng)研究分析了利用Rolls-Royce SMR公司熱能和電能運(yùn)行電解槽生產(chǎn)低碳?xì)錃獾那闆r，發(fā)現(xiàn)其 SMR“在生產(chǎn)低碳?xì)錃夥矫姹绕渌茉锤哂酗@著優(yōu)勢(shì)”。住友“現(xiàn)在將使用這份報(bào)告，支持選址適宜性工作，并進(jìn)一步了解在英國利用Rolls-Royce SMR以及清潔制氫設(shè)施的潛力”。

見解與思考

1. 除了藍(lán)氫和綠氫，還有一種利用核能生產(chǎn)的粉氫，在很大程度上被忽視了。與綠氫一樣，粉氫的生產(chǎn)過程也包括電解，但關(guān)鍵區(qū)別在于它使用核能進(jìn)行生產(chǎn)。隨著世界各地能源公司和政府都在積極尋找化石燃料的替代品，粉氫可能會(huì)像綠氫一樣獲得關(guān)注。

2. 綠氫依賴可再生能源提供動(dòng)力的電解，將水分解為氫和氧。相比之下，粉氫使用核能生產(chǎn)，雖然也使其不含碳，但由于核能歸類為不可再生能源，因此在技術(shù)上并非綠色。然而，粉氫的碳污染水平被認(rèn)為與使用可再生能源生產(chǎn)的綠氫近似。

3. 國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)制定了氫經(jīng)濟(jì)評(píng)估計(jì)劃(HEEP)，以支持全球粉紅氫項(xiàng)目的開發(fā)。它是一個(gè)免費(fèi)工具，用于評(píng)估大規(guī)模粉氫生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。

參考資料與注釋

[1] Jessica Sondgeroth, Economics: Enabling Pink Hydrogen from LWRs, ENERGY INTELLIGENCE, Jun 16, 2023.

[2] “粉氫”是利用核能給水電解提供動(dòng)力而產(chǎn)生的氫，也稱之為紫氫，或紅氫。

[3] 指EDF還在建造中的Sizewell C EPR型壓水堆核電廠的制氫計(jì)劃。