利用核能制氫實現鋼鐵生產脫碳

鋼鐵生產排放的二氧化碳占全球總量的7%以上。未來幾十年，隨著從能源、交通到建筑和家電等各個領域對鋼鐵需求的不斷增長，這一比例還將激增。然而，核能能夠有助于鋼鐵生產走上凈零排放的道路。

全球每年生產約20億噸鋼鐵。根據國際能源機構的預測，到2050年，鋼鐵需求量預計將增長三分之一以上，主要集中在發展中國家。越來越多的全球公司正在尋找使該行業能源密集型工業流程脫碳的方法。

鋼鐵行業主要依靠焦煤為高爐提供動力，高爐將鐵礦石轉化為鋼材，這一過程會排放大量二氧化碳。然而，使用一種稱為直接還原鐵的方法可以煉鋼，在這種方法中，氫與鐵礦石發生反應而不熔化，并且排放水蒸氣而不產生二氧化碳。

“生產綠色鋼鐵所需的氫數量驚人。傳統上，幾乎所有的氫都是用化石燃料生產的，因此尋找必要數量的脫碳氫將是最大的挑戰之一。”原子能機構非電力應用技術負責人 Francesco Ganda說，“零排放的核能制氫能夠真正改變這一行業的游戲規則，因為核能有可能全天候提供足夠的熱量和電力，生產出所需數量的氫。這可有助于在清潔能源轉型方面取得巨大進展。

”核反應堆與制氫裝置耦合，可作為熱電聯產系統高效地生產能源和制氫，該系統配有電解或熱化學工藝組件。電解是利用直流電誘導水分子分裂，同時產生氫和氧的過程。

水電解的工作溫度相對較低，不到100攝氏度，而蒸汽電解的工作溫度高得多，約為700攝氏度至800攝氏度，所需的電力也比水電解少。水電解是利用電力將水中的氫與氧分離的過程。這種技術已實現商業利用幾十年。高溫電解遵循相同的原理，但使用的是蒸汽形式的水，從而減少了所需的電量。

電解槽技術的進步使傳統核反應堆的制氫效率更高、成本更低。美國至少有一座核電廠（位于明尼蘇達州草原島）正在安裝高溫電解槽，并利用反應堆的熱量來降低用電量，從而降低核能制氫的成本。“

固體氧化物電解槽的高溫工藝可以利用核電廠以蒸汽形式提供的熱能，使電解槽具有令人難以置信的高效率，”生產發電用固體氧化物燃料電池的Bloom能源公司制氫業務開發經理Akhil Batheja說，“由于電力成本占電解制氫成本的大部分，這為核電廠和低碳制氫提供了最佳經濟價值基礎。”

原子能機構的作用

原子能機構通過支持對現有核能力用于制氫的研究，包括通過協調研究項目，幫助各國。為協助各國評價、規劃核能制氫項目和制定發展戰略，原子能機構還組織了技術會議，并開發了“氫經濟評價程序”，作為評估利用核能大規模制氫的技術經濟可行性的工具。此外，原子能機構在 2022年還發起了一項倡議，為利用核能制氫的商業部署制定路線圖，并發布了關于通過核能熱電聯產制氫的電子學習課程。

“世界上有幾個國家正在探索和測試利用核能清潔制氫，包括用于鋼鐵生產。”原子能機構核能司司長Aline des Cloizeaux說，“隨著更高效的新型電解槽技術的出現，以及高溫反應堆等先進反應堆技術的部署，核能完全有能力為清潔制氫以及鋼鐵生產和其他行業脫碳作出重要貢獻。”