積極發展核能制氫助力雙碳目標實現

劉 秀 李林蔚 王婉瑩/文

發展核能制氫的必要性

構建清潔低碳能源體系的重要環節

當前，全球能源進入新的發展階段，世界能源加快向多元化、清潔化、低碳化轉型。核能與氫能是清潔、高效、安全能源的代表，核能與氫能的結合將使能源生產和利用的全過程實現潔凈化，是推動經濟高質量發展、實現碳達峰碳中和目標、保障能源供應安全的重要支撐。當前，民用核能主要是發電，隨著第四代核能系統等技術逐漸成熟應用，以核能制氫為主的核能綜合利用將成為構建清潔低碳能源體系的重要環節。

推進高效低碳制氫產業發展的需要

目前，工業氫的生產過程并不低碳，全球超過95%的工業氫采用蒸汽甲烷重整工藝（SMR）制備，成本較低，但制氫生成的一氧化碳會進行水煤氣反應生成額外的二氧化碳。采用核能進行甲烷熱分解（TDM）制氫，通過催化劑作用在500-700℃的范圍內甲烷即可發生熱解，過程中產生的碳是純固體碳或炭黑，較易捕捉，熱解所需的高溫可由核電廠直接提供，不需要將熱能轉換為電能產生能量損失。這種方式制氫的能量需求極低，幾乎比水電解低8 倍，而產生的氫能比低溫電解水高出幾倍，成本可以與SMR 競爭。隨著核能制氫技術的不斷成熟，核能制氫可能成為大規模且高效發展清潔氫經濟的重要途徑。

提升核能行業市場競爭力的有效途徑

核電站開啟后關停成本很高，一般開啟后都是需要連續工作1-1.5 年才關停做一次檢修。因此，當用電站運作時碰到用電低峰期時，核電站產生的電力就是屬于沒有辦法消納和存儲的電力。以中核集團為例，僅2018 年中核集團棄電量約有100 億度，若用于電解水制氫，可生產氫氣20 億Nm，約為17.8 萬噸。利用棄電制氫能夠為核電產業提供額外的產出，有助于維持正在老化的反應堆在市場上的服役狀態，避免在可以選擇成本更低的能源時削減核能的產量。

核能制氫發展現狀

核能制低碳氫途徑

核能制氫是指將核反應堆技術與先進制氫工藝耦合進行制氫，不同的堆型可以在不同的溫度范圍內提供制氫所需的熱能或電能（見表）。

不同堆型的參數及制氫工藝

目前核能制低碳氫主要有以下幾種途徑：

冷水電解制氫。通過核能為冷水電解提供電力，英國希舍姆核電站氫能項目對該工藝進行了研究。該工藝可用且在現有技術中成本最低，并已在小規模上得到驗證。

蒸汽電解制氫。高溫蒸汽電解溫度約在600-1000℃，其能耗比冷水電解少1/3，因此有望實現更高效率。低溫熱也可提高電解效率，如英國的壓水堆（EPR）的低溫熱能（150-200℃）支持蒸汽電解已證實是可行的，其效率也優于冷水電解。

熱化學水解制氫。利用AMR產生的600-900℃熱量，在使用化學催化劑的情況下可使水分解為氫氣，且具備較高效率。現有反應堆無法產生足夠高溫用于該過程，但政府正開發AMR 以支持該項應用。

化石燃料重整制氫。通過核能廢熱為化石燃料蒸汽重整制氫提供高溫熱，但需要配備碳捕集和封存設施。

我國核能制氫發展現狀

制定頂層戰略規劃，引領氫能產業發展。

國家相繼出臺了一系列政策，推動氫能的產業化發展。2015 年明確提出到2025 年，制氫、加氫等配套要完善。2016 年5 月，發改委和能源局發布的《能源技術革命創新行動計劃（2016-2030 年）》和《能源技術革命重點創新行動路線圖》，將氫能產業納入發展重點，表明氫能將在我國未來能源發展中發揮重要作用。國務院在2017 年制定的《能源發展“十三五”規劃》，要求“集中攻關新型高效電池儲能、氫能和燃料電池”。2019 年發展氫能源首次被列入《政府工作報告》，各大企業從關鍵技術研發、產品推廣應用等環節積極布局，引領核能制氫產業的發展。2020 年兩會批準的“2020 年國民經濟和社會發展計劃的主要任務”中明確指出制定國家氫能產業發展戰略規劃。截至2020 年，我國省及直轄市級氫能產業規劃超過10 個，地級市以下的氫能專項規劃超過30個。

推進氫能項目研發，不斷取得技術突破。

我國在“十一五”期間就開展了核能制氫項目研發，研究了當初的主流工藝熱化學循環和高溫蒸汽電解制氫，并進行了初步運行試驗。在“十二五”期間，設立了國家科技重大專項“先進壓水堆與高溫氣冷堆核電站”，目的是掌握碘硫循環和高溫蒸汽電解的工藝關鍵技術。

清華大學核能與新能源技術研究院(INET)在2001 年建成了10MW 高溫氣冷實驗反應堆(HTR-10)，該項目由國家“863”計劃支持，2003 年達到滿功率運行。核能制氫也已被列入專項，第三階段的研究工作已經開展。我國200MW 高溫氣冷堆商業示范電站建設項目當前已被列入國家科技重大專項，計劃于2021 年建成投產。

中核集團在2018 年聯合清華大學、中國寶武開展核能制氫、核氫冶金項目合作研究。目前已完成10NL/h 制氫工藝的閉合運行，建成了產氫能力100NL/h 規模的臺架并實現86 小時連續運行連續運行。中核集團將高溫氣冷堆與熱化學循環制氫技術耦合，可以大規模生產氫氣，目標是建成一座600MW 超高溫氣冷堆，與一座產氫50000Nm/h 的熱化學制氫工廠匹配生產。

國電投開展“國和一號＋”智慧核能綜合利用示范項目研究，利用5G 網絡傳輸和大數據處理技術，實時監控電力供需狀態。增設智慧儲能、電解制氫等設施，通過智慧平臺智能調控，實現用電低谷期電力存儲、制氫，提高用能效率，達到多能源互補及供需平衡。項目建成投運后，每年可增加發電量約600 萬千瓦時，替代煤炭消費1800噸，減排二氧化碳4500 噸。

簽署戰略合作協議，打造氫能產業聯盟。

國電投科學技術研究院與遼寧省朝陽市于2017 年10 月簽署朝陽氫能源產業基地戰略合作框架協議。根據協議，國電投科學技術研究院氫能源產業基地項目計劃一期總投資11.3 億元，著力建設風電制氫-氫儲能科技示范項目、氫能源綜合利用科技示范項目。此前于2017 年9 月，國電投氫能科技發展有限公司與騰華氫能、博石資產簽訂協議，共同投資10 億元用于氫能產業投資基金。

中核集團、清華大學、中國寶武三方于2019 年1 月簽訂《核能-制氫-冶金耦合技術戰略合作框架協議》，三方將資源共享，共同打造世界領先的核冶金產業聯盟。中核集團遠期的目標是在2030 年后，利用已成熟的核能制氫和棄電制氫為產業源頭，開拓儲氫、運氫、氫燃料電池中下游產業。同年4 月，中國廣核集團下屬子公司中廣核資本、中廣核產業投資基金與南都電源簽署《氫能產業基金合作框架協議》，共同成立深圳白鷺氫能產業股權投資基金合伙企業，總規模擬定為5-10 億元，主要投資于氫能及燃料電池領域。

發展展望

氫能具有環保、高效、來源豐富、運輸方便和應用廣泛的特點，起著保障國家能源安全和優化能源結構作用，是未來最有希望得到大規模利用的清潔能源。面對未來的低碳化需求，核能制氫不僅能實現制氫過程的無碳排放，還能拓展核能的多元利用，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。隨著第四代核電技術的發展，核能制氫將為可持續發展以及氫能經濟開辟新的道路，加速推進能源結構轉型。未來核能制氫的發展應重視以下能力建設，一是統籌規劃，制定合理的發展框架和路線圖；二是開放合作，打造更加堅固的產業聯盟；三是加大投資力度，推進先進技術迭代；四是強化技術轉化與成果應用，推動產業化、市場化發展。