美國積極推進核能制氫技術的商業示范

美國能源部2004年以來一直在推進核能制氫研究，近期已取得階段性成果，在2019年11月宣布啟動一個核能制氫示范項目之后，2020年10月又宣布啟動兩個示范項目，目標是推進與現有核電機組匹配的低溫電解制氫和高溫電解制氫技術的商業化進程。

氫能是清潔的二次能源，有非常好的應用前景，需要利用一次能源生產。目前，全球95%以上的氫能來源于化石能源，生產過程會排放溫室氣體并造成環境污染。核能是低碳、高效的一次能源。經過半個多世紀的發展，核電已經成為清潔、安全、成熟的發電技術。核能制氫將核反應堆與制氫工藝耦合，以水為原料進行大規模制氫，具有不產生溫室氣體、高效等優點。

美國核能制氫研究概況

美國能源部下屬兩家機構即核能辦公室以及能源效率與可再生能源辦公室正在積極推動核能制氫技術研究。

核能辦公室聚焦長期目標，開展與高溫氣冷堆(出口溫度700至950℃)和超高溫氣冷堆(出口溫度950℃以上)配套的兩種制氫技術研究，即熱化學循環技術和高溫電解技術。熱化學循環技術在750至1000℃甚至更高溫度下利用化學催化劑使水發生一系列化學反應，最終分解為氫氣和氧氣。通常認為這一技術的效率很高：熱能至氫能的轉換率可達60%甚至更高。但技術成熟度較低，未來仍需開展大量研發工作。高溫電解技術首先將水轉變為高溫蒸汽(高達950℃)，然后使蒸汽發生電解，生成氫氣和氧氣。高溫電解能夠實現很高的效率：熱能至氫能的轉換率超過50%，電能至氫能的轉換率可達100%。這一技術面臨許多挑戰，例如耐高溫材料的研發。高溫氣冷堆和超高溫氣冷堆能夠提供高溫工藝熱，是最理想的制氫反應堆，但還需要一段時間才能實現商業應用。

能源效率與可再生能源辦公室重點關注能夠在近期實現商業化應用、可供“核電反應堆-可再生能源混合能源系統”制氫的兩項技術。一項是需要使用熱能和電力的高溫電解技術。該辦公室近期發布報告指出，核能高溫電解制氫技術有望在當前市場環境中具備經濟競爭力。另一項是僅需要使用電力的低溫電解技術，但效率較低，熱能至氫能的轉換效率僅為23%至28%。

啟動三個商業示范項目

美國能源部迄今已宣布為由愛達荷國家實驗室牽頭的三個核能制氫商業示范項目提供資助：2019年9月宣布資助首個核能制氫示范項目，2020年10月宣布資助兩個項目。

能源部2019年9月宣布將為首個核能制氫示范項目提供資助。該項目為期兩年，第一能源方案公司將利用愛達荷國家實驗室的技術在戴維斯-貝瑟核電廠(擁有一座 894兆瓦壓水堆)建設一座1～3兆瓦低溫電解示范裝置。項目總投資1050萬美元，能源部資助920萬美元。

埃克西爾能源公司2020年10月獲得能源部資助，將與愛達荷國家實驗室合作，在蒙蒂塞洛核電廠(擁有一座628兆瓦沸水堆)或普雷里島核電廠(擁有兩座520兆瓦壓水堆)建設一座高溫電解中試設施。目前尚未決定在哪座電廠建設，計劃在2021年啟動工程和規劃工作，2022年啟動設施建設，2023年投運。項目總投資1377萬美元，能源部資助1050萬美元。

燃料電池能源公司也在2020年10月獲得能源部資助，將為愛達荷國家實驗室提供一個250千瓦的固體氧化物電解池(SOEC)系統。SOEC是一種高效、低污染的能量轉化裝置，可以將電能和熱能轉化為化學能。如果利用核反應堆作為能量來源，SOEC有望實現氫氣的高效、清潔、大規模制備。在完成嚴格驗證測試后，愛達荷將把這一系統用于核能制氫。項目總投資為1250萬美元，能源部資助800萬美元。應當指出，這一系統配備了電熱蒸汽發生器，不僅能夠示范低溫電解制氫，還能示范高溫電解制氫，因此可對這兩種制氫技術進行比較。

推進現有機組制氫的原因

美國在高溫氣冷堆和超高溫氣冷堆尚未實現商業化應用的前提下積極推進現有機組制氫示范，主要有三點理由。

第一，現有核電機組迫切需要新的收入來源。受市場天然氣價格長期保持低位以及可再生能源在政府支持下迅速發展等因素的影響，美國核電機組的持續運行面臨著嚴峻的經濟性挑戰。自2013年以來已有10臺機組在運行壽期內永久關閉，另有10多臺機組宣布將在未來幾年內關閉。

第二，為實現核電廠與可再生能源電廠未來的和諧發展奠定技術基礎。隨著風能和太陽能等可再生能源的快速發展，如何在電網中實現與可再生能源的無縫整合，是未來核電發展面臨的一項重要挑戰。核能制氫是一條可用于應對這一挑戰的重要途徑。

第三，為未來的高溫氣冷堆和超高溫氣冷堆制氫進行技術儲備。制氫技術具有一定的相通性。高溫電解技術在與現有機組耦合并得到成功應用后，未來將能更快地用于高溫氣冷堆和超高溫氣冷堆制氫。

結語

氫能是世界公認的清潔能源，發展前景廣闊。我國目前是全球最大的制氫國，現有工業制氫產能為每年2500萬噸。預計到2050年氫能在中國能源體系中的占比將達到約10%，氫氣需求量接近6000萬噸，年經濟產值超過10萬億元。

以水為原料的核能制氫，不僅能實現制氫過程的無碳排放，還能拓展核能的利用方式，提高核電廠的經濟競爭力，并為核電廠與可再生能源的和諧發展創造條件。美國正在積極推動核能制氫技術的發展，并已進入商業示范階段。建議我國加大力度在核能制氫領域進行戰略性布局，以搶占未來氫能時代國際競爭的戰略制高點。