美国积极推进核能制氢技术的商业示范

美国能源部2004年以来一直在推进核能制氢研究，近期已取得阶段性成果，在2019年11月宣布启动一个核能制氢示范项目之后，2020年10月又宣布启动两个示范项目，目标是推进与现有核电机组匹配的低温电解制氢和高温电解制氢技术的商业化进程。

氢能是清洁的二次能源，有非常好的应用前景，需要利用一次能源生产。目前，全球95%以上的氢能来源于化石能源，生产过程会排放温室气体并造成环境污染。核能是低碳、高效的一次能源。经过半个多世纪的发展，核电已经成为清洁、安全、成熟的发电技术。核能制氢将核反应堆与制氢工艺耦合，以水为原料进行大规模制氢，具有不产生温室气体、高效等优点。

美国核能制氢研究概况

美国能源部下属两家机构即核能办公室以及能源效率与可再生能源办公室正在积极推动核能制氢技术研究。

核能办公室聚焦长期目标，开展与高温气冷堆(出口温度700至950℃)和超高温气冷堆(出口温度950℃以上)配套的两种制氢技术研究，即热化学循环技术和高温电解技术。热化学循环技术在750至1000℃甚至更高温度下利用化学催化剂使水发生一系列化学反应，最终分解为氢气和氧气。通常认为这一技术的效率很高：热能至氢能的转换率可达60%甚至更高。但技术成熟度较低，未来仍需开展大量研发工作。高温电解技术首先将水转变为高温蒸汽(高达950℃)，然后使蒸汽发生电解，生成氢气和氧气。高温电解能够实现很高的效率：热能至氢能的转换率超过50%，电能至氢能的转换率可达100%。这一技术面临许多挑战，例如耐高温材料的研发。高温气冷堆和超高温气冷堆能够提供高温工艺热，是最理想的制氢反应堆，但还需要一段时间才能实现商业应用。

能源效率与可再生能源办公室重点关注能够在近期实现商业化应用、可供“核电反应堆-可再生能源混合能源系统”制氢的两项技术。一项是需要使用热能和电力的高温电解技术。该办公室近期发布报告指出，核能高温电解制氢技术有望在当前市场环境中具备经济竞争力。另一项是仅需要使用电力的低温电解技术，但效率较低，热能至氢能的转换效率仅为23%至28%。

启动三个商业示范项目

美国能源部迄今已宣布为由爱达荷国家实验室牵头的三个核能制氢商业示范项目提供资助：2019年9月宣布资助首个核能制氢示范项目，2020年10月宣布资助两个项目。

能源部2019年9月宣布将为首个核能制氢示范项目提供资助。该项目为期两年，第一能源方案公司将利用爱达荷国家实验室的技术在戴维斯-贝瑟核电厂(拥有一座 894兆瓦压水堆)建设一座1～3兆瓦低温电解示范装置。项目总投资1050万美元，能源部资助920万美元。

埃克西尔能源公司2020年10月获得能源部资助，将与爱达荷国家实验室合作，在蒙蒂塞洛核电厂(拥有一座628兆瓦沸水堆)或普雷里岛核电厂(拥有两座520兆瓦压水堆)建设一座高温电解中试设施。目前尚未决定在哪座电厂建设，计划在2021年启动工程和规划工作，2022年启动设施建设，2023年投运。项目总投资1377万美元，能源部资助1050万美元。

燃料电池能源公司也在2020年10月获得能源部资助，将为爱达荷国家实验室提供一个250千瓦的固体氧化物电解池(SOEC)系统。SOEC是一种高效、低污染的能量转化装置，可以将电能和热能转化为化学能。如果利用核反应堆作为能量来源，SOEC有望实现氢气的高效、清洁、大规模制备。在完成严格验证测试后，爱达荷将把这一系统用于核能制氢。项目总投资为1250万美元，能源部资助800万美元。应当指出，这一系统配备了电热蒸汽发生器，不仅能够示范低温电解制氢，还能示范高温电解制氢，因此可对这两种制氢技术进行比较。

推进现有机组制氢的原因

美国在高温气冷堆和超高温气冷堆尚未实现商业化应用的前提下积极推进现有机组制氢示范，主要有三点理由。

第一，现有核电机组迫切需要新的收入来源。受市场天然气价格长期保持低位以及可再生能源在政府支持下迅速发展等因素的影响，美国核电机组的持续运行面临着严峻的经济性挑战。自2013年以来已有10台机组在运行寿期内永久关闭，另有10多台机组宣布将在未来几年内关闭。

第二，为实现核电厂与可再生能源电厂未来的和谐发展奠定技术基础。随着风能和太阳能等可再生能源的快速发展，如何在电网中实现与可再生能源的无缝整合，是未来核电发展面临的一项重要挑战。核能制氢是一条可用于应对这一挑战的重要途径。

第三，为未来的高温气冷堆和超高温气冷堆制氢进行技术储备。制氢技术具有一定的相通性。高温电解技术在与现有机组耦合并得到成功应用后，未来将能更快地用于高温气冷堆和超高温气冷堆制氢。

结语

氢能是世界公认的清洁能源，发展前景广阔。我国目前是全球最大的制氢国，现有工业制氢产能为每年2500万吨。预计到2050年氢能在中国能源体系中的占比将达到约10%，氢气需求量接近6000万吨，年经济产值超过10万亿元。

以水为原料的核能制氢，不仅能实现制氢过程的无碳排放，还能拓展核能的利用方式，提高核电厂的经济竞争力，并为核电厂与可再生能源的和谐发展创造条件。美国正在积极推动核能制氢技术的发展，并已进入商业示范阶段。建议我国加大力度在核能制氢领域进行战略性布局，以抢占未来氢能时代国际竞争的战略制高点。