核能制氢，核电大国竞争新赛道

有着“21世纪的终极能源”之称的氢能，是一种公认的清洁能源，因具有重量轻、环境友好，储量丰富，热值极高等多重特性而备受青睐。氢能对推动能源转型、促进全球经济可持续发展意义重大。

随着气候危机日益严峻，各国都在不断加速推进能源向低碳转型。在实现可持续发展的过程中，所有人都在谈论绿氢这种潜在的气体和燃料替代品，但另一种替代方案：利用核能制取的粉氢，却在很大程度上被忽视了。

目前，由于生产绿色氢气成本非常高，大多数氢气生产仍然依赖于天然气。根据国际能源署(IEA)的数据，2021年低排放氢气产量占全球氢气产量不足1%。谢菲尔德大学格兰瑟姆可持续未来中心负责人雷切尔·罗斯曼（Rachael Rothman）认为，粉氢通过核能分解水获得，整个运行系统十分低碳，粉氢可以成为绿氢的应急替代品，以支持该行业的更快扩张。

事实上，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，因其清洁、高效、大规模等优势越来越受到主要核工业国家的青睐。

2022 年7 月26 日，包括国际原子能机构（IAEA）、世界核协会（WNA）、美国爱达荷国家实验室（INL）、美国亚利桑那公共服务公司（Arizona Public Services）、美国纽斯凯尔电力公司（NuScale Power）在内的全球50 多家国际组织、研究机构、核电运营商和先进反应堆技术开发商等联合成立“核能制氢倡议”联盟，旨在合作推进核能制氢技术的商业化应用，助力全球碳减排进程。

长期以来，欧盟多国对于是否要将核能制氢纳入“低碳氢气”分类的争论不断。核电占据电力结构70%以上的法国，则一直是核能制氢的坚定推动者。今年2月初，法国联合其他八个欧盟成员国向欧盟委员会致信，希望欧盟修改当前的可再生能源分类规则，将利用核能制得的氢气纳入低碳燃料的分类中。

随后，在欧盟委员会2月13日公布的可再生能源指令（RED II）要求的两项授权法案中，允许平均温室气体排放量低于 18 克 CO2当量每兆焦耳（64.8CO 2 e/kWh）的国家电网免除“额外性”的需要。有专家指出，按照法国电网前几年55-56gCO 2 e/kWh的温室气体排放率，法国将有望通过核能生产可再生氢。不过，欧盟委员会承诺关于 “低碳”氢的单独裁决将于明年年底前完成，届时对于核能制氢是否能纳入“低碳”氢的分类将会有最终定论。

什么是粉氢

目前世界上工业应用的制氢方法以化石燃料重整为主，在生产过程中会有二氧化碳等排放，称为灰氢。将天然气通过蒸汽甲烷重整或自热蒸汽重整制成的氢气，并在生产过程中使用碳捕集、利用与封存（CCUS）等技术捕获温室气体，则为蓝氢。通过使用可再生能源（例如太阳能、风能）电解水制成的氢气则称为绿氢。

粉氢是将核反应堆与先进制氢工艺耦合生产得到的氢气，在此过程中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，是未来氢气大规模供应的重要解决方案。

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, 而高温气冷堆能够提供高温工艺热，是目前最理想的高温电解制氢的核反应堆。在800℃下，高温电解的理论效率高于50%，温度升高会使效率进一步提高。在此种方案下，高温气冷堆（出口温度700℃～950℃）和超高温气冷堆（出口温度950℃以上）是目前最理想的高温电解制氢的核反应堆。

高温气冷堆提供了制氢需要的热源，其匹配的技术路线主要有两条：固体氧化物电解水制氢（SOEC）和碘硫循环制氢。高温固体氧化物电解水制氢（SOEC）为全固态结构，由阴极、阳极和电解质组成，从技术原理可分为氧离子传导型SOEC 和质子传导型SOEC，从结构类型可分为平板式和管式。碘硫循环制氢则主要分为本生反应、碘化氢分解和硫酸分解三个步骤，反应的净结果为水分解生成氢气和氧气。

两者相比，SOEC 的商业化成熟度较高，技术路线明确，无需贵金属材料，未来可以通过规模化实现降本，但瓶颈在于单堆功率较低，和核能的大规模工业制氢适配度较低。碘硫循环制氢尚未实现商业化，初期投资成本大，但具备规模经济性，与核能大规模工业制氢匹配度高。

核工业大国的核能制氢进程

美国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。

在能源部资助下，美国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。美国能源部通过与电力企业合作，对在九英里峰核电厂、戴维斯-贝瑟核电厂、普雷里岛核电厂和帕洛弗迪核电厂生产清洁氢的示范项目提供支持。其中，纽约的九英里角核电站预计将在2023年年底前示范展示使用低温电解技术的核能制氢；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；普雷里岛核电厂则预计在2023年底开始施工，于2024年初通电并生产氢气。

另一个核电大国俄罗斯于俄罗斯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。随后，俄罗斯在2021年8月发布了《俄罗斯氢能发展概念》，迈出了其漫长氢能行动计划的第一步，并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。

欧洲核电大国法国在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”，核动力制氢在法国未来能源结构中的重要作用。马克龙将“核能、氢能和可再生能源”三者置于 300 亿欧元（350 亿美元）工业复兴计划的核心，并表示到 2030 年，法国必须成为全球氢能的领导者。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2022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。法国电力公司于去年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。

我国核能制氢的发展

国内也在积极推进核能制氢研究工作，优选方向同样是利用高温气冷堆核热制氢。清华大学核能与新能源技术研究院（INET）在国家“863”计划支持下，于2001年建成了10MW高温气冷实验反应堆（HTR-10），2003年达到满功率运行。对核能制氢技术的研究也列为专项的研发项目，目前正在开展第三阶段的研究工作。2012年我国已将高温气冷堆示范电站的建设列入国家重大专项。2016 年国家能源局《能源技术创新“十三五”规划》将高温气冷堆950℃高温运行及核能制氢的可行性作为研究目标之一。

2018年，中核集团联合清华大学、中国宝武开展核能制氢、核氢冶金项目合作研究，建成了产氢能力100NL/h规模的台架并实现86小时连续运行。

2021 年9 月，清华大学牵头，华能和中核集团参与成立了高温气冷堆碳中和制氢产业技术联盟，提出将在2022-2023 年期间研究形成工业示范工程建设方案，启动示范工程项目相关工作。

2022 年9 月，东华能源公告与中国核电签署《战略合作协议》，双方共同推进高温气冷堆项目，未来五年内预计投资超千亿元，共同打造零碳产业园。2022 年11 月，东华能源公告拟与中国核电共同出资设立茂名绿能，分别持股49%和51%，进一步推进高温气冷堆项目。高温气冷堆项目预计将于2023 年开工建设，建设期4 年，2027 年正式投入使用。项目建成后，高温气冷堆提供的热源：一方面可用于丙烷脱氢工艺（PDH 需要在550-650℃的高温下进行），降低脱氢成本；另一方面，可用于匹配SOEC或碘硫循环制氢路线，实现大规模工业制粉氢。

虽然核能制氢具有广阔的发展前景，但要实现商业化还需克服诸多挑战：一是核能制氢的经济性尚待验证，成本是核能制氢能否实现大规模商业利用的关键因素。彭博新能源财经（BNEF）在其2021 年9 月发布的《探索核电制氢经济性》报告中就指出，目前在役核电机组平准化度电成本（LCOE）高昂，利用其制氢比风电或光伏制氢更为昂贵。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。二是能高效率制氢的高温气冷堆技术还不成熟，其工艺系统、关键设备、核心材料等技术都还需要进一步试验和改进。此外，安全性也是制约核能制氢的一大因素之一。中核工程咨询有限公司刘佳鑫表示：“如何保证与核电偶联的设备在氢运输等相关过程中的安全，是需要突破的重点和难点。”

谈及核能制氢的制约条件，清华大学工程物理系副研究员俞冀阳在接受中国环境报采访时表示，“瓶颈其实就是经济性和市场化，以及相应的配套基础设施建设。”

未来，随着核能制氢技术的进一步完善，核能在制氢方面的作用也会越来越大，有望成为将来氢气大规模供应的重要解决方案。

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[18]https://mp.weixin.qq.com/s/rTI876Hkxv0bpsGT-nMZRA