主要核工業國家大力推進核能制氫

美國能源部2022 年11 月宣布，首座核能制氫示范設施即將在2022 年12 月開始制氫，另外三座核能制氫示范設施也將在2023—2024年投運。這四座設施將示范總計四種以水為原料的電解制氫技術。

氫是一種綠色低碳、應用廣泛的二次能源，對構建清潔安全高效的能源體系、實現雙碳目標具有重要意義。目前全球大部分制氫工藝需要使用煤、石油、天然氣等化石燃料，制取過程中會釋放大量二氧化碳，不利于碳減排目標的實現。核能是一種低碳排放的一次能源。以水為原料的核能制氫已成為全球公認的最具前景的大規模制氫方式之一。包括美國、俄羅斯、法國、英國在內的世界主要核工業國家均在積極推進核能制氫。

1 美國

美國政府十分重視氫能的發展，2001 年11月發布《美國向氫經濟過渡的國家愿景——至2030年及以后》，概述了氫能在美國未來能源發展中可能發揮的作用以及實現氫能經濟的共同愿景；2002 年4 月發布首份《國家氫能路線圖》，明確了未來氫能發展的基本方向；此后陸續出臺一系列政策措施大力推進制氫技術研發，并將核能制氫作為一條十分重要的技術路線。2022年9月，能源部發布《國家清潔氫戰略和路線圖》草案，開始向公眾征求意見。草案反復強調將利用核能清潔、高效制氫。

1.1 最新進展

在能源部資助下，相關企業正在四座核電廠推進核能制氫示范設施建設。這些設施均將在2024年底前投運，分別采用了四種技術，包括三種低溫電解技術和一種高溫電解技術。

聯合能源公司正在九英里峰核電廠建設一座1250 千瓦的低溫電解設施（質子交換膜電解槽），將于今年12 月啟動清潔氫生產，成為美國首座投運的核能制氫設施。聯合能源公司還計劃與NYSERDA公司合作，在這座核能制氫設施附近建設一座氫燃料電池設施，于2025 年開始向電網供電。

Energy Harbor 公司正在戴維斯-貝瑟核電廠推進低溫電解（聚合物電解質膜）制氫設施建設，預計該設施將于2023年投入運行。

能源部正在與亞利桑那州公共服務公司和西北太平洋氫協會協商，目的是資助后兩者在帕洛弗迪核電廠建設使用第三種低溫電解技術的制氫設施，預計該設施將于2024 年開始制氫。

埃克西爾能源公司和布魯姆能源公司正在推進普雷里島核電廠240 千瓦高溫電解制氫設施建設項目。目前正在開展設施的設計工作。預計設施將于2023 年啟動建設，2024 年初開始制氫。

1.2 未來行動

為繼續推動核能制氫技術的發展，美國在近期發布的多份文件中均對核能制氫給予專項支持。

能源部2022年9月底發布《國家清潔氫戰略和路線圖》草案，內容涉及清潔氫的生產、運輸、存儲和使用。該草案中就清潔氫的發展提出三項關鍵戰略。一是實現清潔氫的戰略性、高價值應用。一方面，美國將推進清潔氫在工業、重型運輸業和長期儲能領域的應用。另一方面，美國將長期推進清潔氫的出口，保障盟國的能源供應安全。二是降低清潔氫的成本。能源部將推進創新，激勵私營企業投資，并推動氫供應鏈的建設，目標是大幅降低制氫成本。三是建設區域網絡，如區域清潔氫中心等。草案將核能制氫視為一種有前景的清潔制氫技術。

美國2022年8月頒布《通脹削減法》，明確提出將以稅費抵免（每千克低碳氫3 美元）方式支持包括核電廠在內的清潔能源電廠開展和擴大氫的生產。

2022 年9 月，能源部采取了兩項行動：一是根據2011年《基礎設施投資和就業法》的要求宣布啟動一項總投資70 億美元的清潔氫計劃，未來將在全國范圍內建設六至十個區域清潔氫中心，其中至少一個中心必須使用核能；二是宣布開始接收“核能制氫及應用”項目資助申請。兩類項目可以獲得資助：一類涉及為未來的核能與氫能工業園區設計、開發和建設熱量提取設施，另一類涉及核能的氫耦合終端應用。預計第一類項目將支持以200萬～300萬千瓦熱功率水平進行熱量的提取、分配和控制。同樣在9 月，聯合能源公司與阿貢國家實驗室簽署長期合作協議，將對美國能源發展趨勢進行評估，并開發更高效的低碳發電技術。在這一協議下，雙方將在2028 年底前完成多個合作項目，包括一個核能制氫以及氫儲存和運輸項目。

2 其他國家

當前，包括俄羅斯、法國、英國、日本和加拿大在內的全球10多個國家也明確提出將利用核能制氫，積極出臺相關政策，支持核能制氫技術研發，并已取得一系列進展，多座核能制氫示范設施有望近期投運。

2.1 俄羅斯

俄羅斯2020 年6 月發布《2035 年能源戰略》，提出將成為世界領先的氫生產國和出口國，并積極推進核能制氫應用；同年10月發布《2024年前氫能發展路線圖》，明確指出俄羅斯國家原子能集團公司將在制氫領域發揮關鍵作用；2021年8月發布《氫能源發展構想》，將核能制氫作為一項優先發展技術。

在相關政策支持下，俄原集團準備近期在現有核電廠實現電解制氫，遠期利用高溫氣冷堆制氫，正在開展兩個項目：一是到2025年在科拉核電廠建成一座能年產150 噸氫氣的電解制氫中試設施；二是于2021 年啟動高溫氣冷堆與蒸汽甲烷重整工藝耦合制氫技術的研發及前端工程和設計工作，預計于2032 年建成首座高溫氣冷堆，并于2036年啟動制氫。

2.2 法國

法國2020年9月發布國家氫能戰略，宣布將在2030年前投資70億歐元建成650萬千瓦電解槽，以利用核能和可再生能源制氫。總統馬克龍在2021年10月公布的“法國2030計劃”中指出，法國能夠大力發展低碳氫的關鍵在于其擁有核能這張“王牌”，即可以利用核電這一在法國總發電量中占比超過70%的低碳電力制氫，因此法國將投資23億歐元推動電解制氫技術的發展，包括到2030年至少建成2座百萬千瓦級“超級制氫廠”。

法國麥克菲公司將建造一座超級制氫廠，目前已完成選址工作，并在今年2月從法國政府獲得1.14億歐元資助，隨后于7 月宣布獲得歐盟委員會“歐洲共同利益項目——氫技術”資金支持。法國電力公司于今年4 月中旬啟動一項氫計劃，將投資20 億～30 億歐元用于推進核電制氫，目標是到2030年建成300萬千瓦電解槽。

2.3 英國

英國2021 年8 月發布的《氫戰略》將核能作為制氫的關鍵能源，強調：一是利用現有反應堆低溫電解制氫；二是大力研發高溫氣冷堆，到本世紀三十年代實現高溫電解制氫；三是研發先進反應堆，在本世紀三十年代中后期使用這類反應堆進行熱化學分解水制氫。2022年4月，英國發布《能源安全戰略》，計劃通過發展核能和可再生能源，到2030 年將低碳電解制氫能力提升至1000萬千瓦。

法國電力公司正在英政府支持下推進兩個核能制氫項目：一是為正在建設中的欣克利角C核電廠配備大型制氫電解槽；二是2022 年11 月初獲得英國商業、能源和工業戰略部40 萬英鎊的支持，將就在希舍姆核電廠利用高溫電解（固體氧化物電解池）技術制氫開展可行性研究。此外，超安全英國公司計劃以其現有微型高溫氣冷堆為基礎，開發改進型微堆，并進行制氫示范。該項目已獲得政府資助。

2.4 日本

日本2017 年12 月發布《氫基本戰略》，目標是在降低碳排放的同時維護工業競爭力。隨后日本于2020 年10 月發布《綠色增長戰略》，并于2021 年6 月發布修訂版戰略。修訂版戰略提出將大力推進核能制氫，尤其是利用高溫氣冷堆制氫。日本計劃在2030年完成高溫氣冷堆制氫技術研發，即將高溫氣冷堆與高溫電解、蒸汽甲烷重整和熱化學分解水工藝耦合。

應日本經濟產業省要求，日本原子能研究開發機構和三菱重工2022 年4 月啟動高溫工程試驗堆（HTTR）制氫示范項目，目前正在開展相關研究，計劃從今年年底開始分階段開展許可申請、設備改造和測試工作。

2.5 加拿大

加拿大2020 年12 月發布《氫能戰略》，大力支持核能制氫，該戰略的短期目標是利用現有核電機組在非電力需求高峰時段生產的電力制氫，長期目標是利用先進反應堆的蒸汽和高溫熱能分別開展蒸汽甲烷重整工藝制氫和熱化學分解水制氫。

布魯斯電力公司正在研究利用布魯斯核電廠過剩電力制氫的可行性。安大略理工大學正在就核能和熱化學分解工藝耦合制氫開展研究，目前已在實驗室進行示范，屬全球首次。

3 核能制氫商業化面臨的挑戰

核能制氫技術的商業化應用目前主要面臨兩項挑戰。

一是技術方面。目前最為成熟的核能制氫方法是直接利用核電進行常溫電解制氫，然而由于現有大多數核電廠熱電轉換效率僅為約35%，因此這一方法的熱能至氫能的轉換率最高僅為30%。而以熔鹽、液體金屬和氣體為冷卻劑的先進反應堆能夠作為500～900℃的高溫熱源——超高溫氣冷堆可達1000℃，與高溫電解、蒸汽甲烷重整或熱化學分解水工藝耦合制氫，這些技術熱能至氫能的轉換率可達60%甚至更高。然而，蒸汽甲烷重整技術在制氫過程中將會排放大量二氧化碳，因此需配備碳捕集、利用和封存設施，這會增加成本和工藝復雜性，因此加拿大等國將其視為過渡性制氫技術。相比之下，核能與高溫電解和熱化學分解水工藝耦合更具優勢，但其技術成熟度目前相對較低。

二是經濟性方面。成本是核能制氫能否實現大規模商業利用的關鍵因素。根據國際原子能機構開發的氫經濟評價程序，生產成本和外部投融資支持是影響核能制氫經濟性的核心要素。生產成本主要受反應堆造價和運行成本、制氫設備成本以及制氫規模等因素的影響，其中先進反應堆與高溫電解和熱化學分解水工藝耦合可有效降低制氫的平準化成本；核能制氫規模的擴大能夠助推成本的進一步降低。包括提供優惠貸款、給予稅費抵免和建立碳排放交易體系在內的外部投融資支持，也有助于提升核能制氫經濟性。

4 小結

全球能源結構清潔低碳轉型將帶來氫需求的持續快速增長。核能制氫技術不僅能夠實現制氫的低碳排放，還將推進核能的多元化應用，提高核電廠的經濟競爭力，具有廣闊的發展前景。為在保障能源供應安全的同時推進能源轉型、實現氣候目標，全球主要核工業國家正在積極推進核能制氫技術發展，并已取得實質性進展，首批示范設施即將投運。為支持核能制氫技術發展，國際原子能機構2022年5月啟動核能制氫部署路線圖倡議，擬匯集決策者、技術開發商、項目管理者和運營者等多方力量，共享各國核能制氫發展戰略和相關技術研發的最新進展，明確相關技術的商業化路徑，并制訂一份路線圖指導文件，為各國提供用于評價、規劃和制訂核能制氫發展戰略的工具。迄今已有28 個國家和4 個國際組織參與這項倡議。