豈止是電源

氫是宇宙中最豐富的化學元素，但為各種工業過程生產純氫耗能高，同時留下大量碳足跡。
“目前幾乎95%的氫需求是利用甲烷蒸汽重整等碳密集型生產過程滿足的。從全球清潔能源轉型的角度看，這是不可持續的，特別是考慮到需求已經相當大，而且還在繼續增長。”原子能機構高級核工程師Ibrahim Khamis說。據國際能源機構報道，自1975年以來，氫需求已經增加了兩倍多。

氫被用于各種工業過程，從生產合成燃料和石化產品到制造半導體和為燃料電池電動車提供動力。為了減少每年生產7000多萬噸氫的環境影響，一些國家將目光投向了核電。

“舉例來說，如果僅將目前氫產量的4%轉為使用核電生產，那么每年將減少多達6000萬噸的二氧化碳排放。”Khamis說，“而如果所有的氫都使用核能生產，那么我們談論的是每年消除超過5億噸的二氧化碳排放。”

核電反應堆可與制氫廠配合，作為熱電聯產系統有效地生產能源和氫。就制氫而言，熱電聯產系統配有電解或熱化學過程的組件。電解過程利用直流電促使水分子分裂，同時產生氫和氧。水電解的操作溫度相對較低，約為80℃至120℃，而蒸汽電解的操作溫度高得多，因此效率更高。蒸汽電解可能是與先進高溫核電廠相結合的理想選擇，因為該過程需要大約700℃至950℃的熱輸入。

熱化學過程通過在高溫下誘導與特定化合物發生化學反應，使水分子分裂，產生氫。能夠在極高溫度下運行的先進核反應堆也可用于為這些過程提供熱量。

“特別是利用硫-碘循環生產氫，具有擴大規模進行可持續的長期運行的巨大潛力。”Khamis說，“利用日本的高溫試驗反應堆設計與中國的HTRPM600和HTR-10設計開發這種方法大有可為，其他的研究計劃也在繼續取得良好的進展。”

目前，一些國家正在實施或探索利用核電廠制氫，助力能源、工業和交通部門去碳化。這也是一種從核電廠獲得更多收益的方式，有助于提高核電廠的盈利能力。

原子能機構通過協調研究項目和技術會議等各種舉措，向對制氫感興趣的國家提供支持。原子能機構還制定了“氫經濟評價計劃”，即用于評定利用核能大規模制氫的經濟效益的工具。原子能機構還在2020年初推出了一門關于利用核能熱電聯產制氫的電子學習課程。

“利用核電廠制氫在促進去碳化努力方面具有很大潛力，但有一些挑戰必須首先克服，例如確定將制氫納入更廣泛的能源戰略的經濟可行性。”Khamis說，“通過熱化學水分裂過程制氫需要能夠在極高溫度下運行的創新型反應堆，而這些反應堆距離部署還有幾年的時間。同樣，硫-碘工藝仍需要更多年的研發才能達到成熟和實現商業化擴大狀態。”他補充說，納入了非電力應用的核能系統的許可證審批也是一個挑戰。

研究和測試可行性

美國能源部于2020年初發起的“H2@Scale”倡議，正在研究開發制氫與低碳發電并舉的核能系統的可行性。在該倡議資助的幾十個項目中，有一個項目將由美國三家商業電力公司與能源部的愛達荷國家實驗室合作實施。該項目將包括對在美國的幾個核電廠進行制氫技術和經濟評價以及試點示范。

參與該項目的電力公司之一，美國最大的低碳電力生產商愛克斯龍（Exelon）公司目前正在采取措施，在其一個核電廠安裝一個1兆瓦的聚合物電解質膜電解槽和相關基礎設施。該系統可能在2023年投入使用，將用于證明電解產氫的經濟可行性，以供應發電相關系統的現場需求以及未來的可擴展性機會。

“這個項目將有助于幫助我們確定核驅動制氫的前景，包括財務考慮因素如何影響任何長期、大規模的產氫。”愛克斯龍發電公司工程和技術服務高級副總經理Scot Greenlee說，“在我們規劃低碳未來的過程中，引入核電制氫可以大大提高核電的可持續性。”

英國也在進行評價。英國的非營利性計劃“能源系統推動器”正在對整個能源系統進行建模，現在包括先進核電技術制氫方案。該計劃提供了到2050年可能實現溫室氣體凈零排放的最低成本能源結構前景，并且結果表明，先進核技術可以與其他技術一起在制氫中發揮作用。

“雖然氫在英國的確切作用還有待確定，但氣候變化委員會和商業、能源和產業戰略部所做的分析表明，到2050年，我們可能需要部署約270太瓦時的低碳氫，但依據氫最終用于熱力、電力和運輸部門的具體應用，這一數字可能會大幅增加。”英國核創新和研究咨詢委員會高級戰略和經濟顧問Philip Rogers說。

新計劃

2019年，俄羅斯啟動了首個核驅動制氫計劃。該計劃由俄羅斯國家原子能集團公司運作，將使用核驅動電解法以及利用高溫氣冷堆的熱化學制氫法。其目的是每年生產大量的氫，擺脫采用蒸汽甲烷重整等碳密集型制氫方法。

生產的氫將既供國內使用又出口。目前正在就向日本出口部分氫進行可行性評價。

“由于一定程度上受金屬加工等行業擴張而引起的氫需求持續增長，利用核能制氫提供了大幅減少碳排放的機會，同時也提高了核電行業的盈利能力。”俄羅斯原子能海外公司負責市場和業務發展的副總經理AntonMoskvin說。