核能制氢的新尝试:利用核能制氢为氢能经济发展开辟了新的道路

2020-09-22 14:22  来源:能源杂志    核能制氢  核能利用  核反应堆  核能制氢

氢能是未来最有希望得到大规模利用的清洁能源;核能是高效、低耗、环保、清洁的代表。核能制氢将二者结合,进行氢的大规模生产,是未来氢气大规模供应的重要解决方案, 为可持续发展以及氢能经济开辟了新的道路。


氢能是未来最有希望得到大规模利用的清洁能源;核能是高效、低耗、环保、清洁的代表。核能制氢将二者结合,进行氢的大规模生产,是未来氢气大规模供应的重要解决方案, 为可持续发展以及氢能经济开辟了新的道路。目前美、日、韩、法等国都在开展核能制氢的研究,我国200MW 高温气冷堆商业示范电站建设项目已被列入国家科技重大专项,被视为最有可能突破核能制氢反应堆型。

核能制氢的基础

传统的工业应用制氢方法主要是烃类水蒸汽转化、重油部分氧化和煤气化等,其中95%以上的氢能来源于化石能源,在生产过程中存在污染严重、二氧化碳排放量大的问题,还有少数情况采用水电解产氢的方法, 但制氢效率偏低,这与未来能源发展高效化、清洁化的理念不符。

核能是低碳、高效的一次能源, 其使用的铀资源可循环再利用。经过半个多世纪的发展,人们已经掌握了日益先进、不断成熟的核能技术,成为当前人类大规模工业制氢的最佳选择。核能制氢是将核反应堆与先进制氢工艺耦合,进行氢的大规模生产。核能制氢具有不产生温室气体、以水为原料、高效率、大规模等优点,是未来氢气大规模供应的重要解决方案。

目前核能制氢主要有电解水制氢和热化学制氢两种方式,核反应堆分别为上述两种方式制氢提供电能和热能。

电解水制氢是利用核能发电,再通过电解水装置将水分解成氢气。电解水制氢是一种较为直接的氢气制取方法,但该方法产氢效率(55%~60%)较低,即便采用最先进的美国SPE电解水技术,将电解效率提升为90%。但由于目前大多数核电站的热电转换效率仅为35%左右, 因此核能电解水制氢最终的总效率仅为30%。

热化学制氢是基于热化学循环,将核反应堆与热化学循环制氢装置耦合,以核反应堆提供的高温作为热源,使水在800℃至1000℃下催化热分解,从而制取氢和氧。与电解水制氢相比,热化学制氢的效率较高,总效率预期可达50%以上,成本较低。

目前化学热制氢主流方法包括碘硫循环和混合硫循环。碘硫循环由美国通用原子公司最早提出。其中的硫循环从水中分离出氧气,碘循环分离出氢气,碘硫循环是国际上公认最具应用前景的催化热分解方式,日本、法国、韩国和中国都在开展硫碘循环的研究。

混合硫循环最初

由美国西屋电气公司提出,包含2个主要化学反应。将SO₂电解产生硫酸和氢气,硫酸高温分解再次产生SO₂,组成闭合循环。由于采用了高温热和电,效率要高于常规电解水生产氢。

热化学制氢要求反应堆能够提供750~1000℃的高温,其次要防止核反应堆工作和热化学循环在热交换过程中发生交叉污染,还要考虑到安全性、经济性等问题。

2 0 0 2 年底,第四代核能系统国际论坛(GIF)和美国能源部联合发布了《第四代核能系统技术路线图》,选出气冷快堆、铅冷快堆、熔盐堆、钠冷快堆、超临界水冷堆、超/ 高温气冷堆六种堆型,作为GIF未来国际合作研究的重点。

第四代核能系统是一种具有更好的安全性、经济竞争力,核废物量少,可有效防止核扩散的先进核能系统,代表了先进核能系统的发展趋势和技术前沿。在这6种堆型中, 超/ 高温气冷堆的堆芯出口温度为850℃~1000℃,具有固有安全性、高出口温度、功率适宜等特点,具有核能制氢的商业应用前景。

国外核能制氢研究现状

作为氢能发展先行者和领导世界氢燃料电池发展的主要国家,美国从1970年开始布局氢能技术研发。2002年,美国能源部发布《国家氢能发展路线图》,标志着美国“氢能社会”由设想阶段转入行动阶段。20 0 4 年开始执行“ 核氢启动计划(NHI)”。在下一代核电站计划中要设计、建造高温气冷堆并用于制氢。主流的热化学制氢法碘硫循环和混合硫循环均由美国公司研发得到。

长期受困于国内资源短缺,日本是坚持大力发展核氢技术的国家。自上个世纪80年代至今日本原子力机构(JA E A)一直在进行高温气冷堆和碘硫循环制氢的研究。1998 年其开发的3 0 M W 高温气冷试验堆(HTTR)反应堆首次实现临界, 2001年达成了满功率运行,2004年将出口温度提高到了950℃。2014 年4月日本制定《第四次能源基本计划》,确定了加速建设和发展“氢能社会”的战略方向。

法国原子能委员会(CEA)的核氢战略是集中发展可以与核电或可再生能源耦合的、能够可持续方式生产的制氢工艺。从2004年起,CEA 就在执行发展高温蒸汽电解技术的重大项目,对电解器所有的问题都进行了研究。同时与Sandia国家实验室(SNL)和GA公司进行合作,进行碘硫循环的试验。法国的《氢能计划》提到,将从2019年起在工业、交通及能源领域部署氢能。

韩国政府在20 05 年提出了氢经济计划,正在进行核氢研发和示范项目,最终目标是在2030年以后实现核氢技术商业化。自2 0 0 4 年起,韩国开始执行核氢开发示范计划(NHDD),采用高温气冷堆和碘硫循环技术进行核能制氢项目,建立了产氢率50NL/h的回路,正在进行闭合循环实验。

国内核氢研究现状与产业布局

我国的核能制氢项目起步于十一五”,研究了当初的主流工艺热化学循环和高温蒸汽电解制氢,并进行了初步运行试验。在“十二五”期间,设立了国家科技重大专项“先进压水堆与高温气冷堆核电站”,目的是掌握碘硫循环和高温蒸汽电解的工艺关键技术。

清华大学核能与新能源技术研究院(INET)在国家“863”计划支持下,于2001年建成了10MW高温气冷实验反应堆(HTR-10),2003年达到满功率运行。而200MW高温气冷堆商业示范电站建设项目已被列入国家科技重大专项,预计将于2021年建成投产,将具备核能制氢条件,在高温气冷堆技术领域已居世界领先地位。

对核能制氢技术的研究也列为专项的研发项目,目前正在开展第三阶段的研究工作。

总体来看,当前技术已完成了原理上的可行性研究和验证,总体上处于实验室或向中试前期过渡的阶段。下一阶段要针对工程材料、关键设备等涉及工程应用的关键技术进行攻关研究。

当前我国氢能发展处于初期, 2019年《政府工作报告》首次写入氢能源后,各大央企从氢能基础设施建设、关键技术研发、产品推广应用等场景积极布局。其中,我国两个核能集团:中国核工业集团有限公司和中国广核集团有限公司成为这次氢能行业布局的“国家先锋队”成员。

(1)中国核工业集团有限公司

核能制氢项目:中核集团范围内的核电、风电、水电都存在一定的弃电现象。仅2018年中核集团弃电量约有100亿度,若用于电解水制氢, 可生产氢气20亿Nm³,约17.8万吨, 利用弃电制氢已经具备了产业化规模条件,从而解决中国核电能源消纳问题。为拓展核能多用途运用,在2018 年中核集团联合清华大学、中国宝武开展核能制氢、核氢冶金项目合作研究。目前中核集团已完成10NL/h制氢工艺的闭合运行,建成了产氢能力100NL/h规模的台架并实现86小时连续运行连续运行。中核集团利用高温气冷堆蒸汽品质好、固有安全性高的特点将高温气冷堆与热化学循环制氢技术耦合,可以大量生产氢气, 目标建成一座600 MW超高温气冷堆,与一座产氢50000Nm³/h的热化学制氢工厂匹配生产。

核氢冶金项目:2 019 年1月15 日,中核集团、清华大学、中国宝武三方签订《核能-制氢-冶金耦合技术战略合作框架协议》,三方将资源共享,共同打造世界领先的核冶金产业联盟。目前中核集团的依托《框架协议》开展核能制氢冶金技术研发,对国内外氢能产业链各环节进行调研, 分析氢能产业宏观布局、技术发展、经济成本等因素后明确氢能产业链的主要切入点,完成产业布局顶层设计。中核集团远期的目标是在2030年后,利用已成熟的核能制氢和弃电制氢为产业源头,开拓储氢、运氢、氢燃料电池中下游产业。

(2)中国广核集团有限公司

中广核是是中国氢能产业技术创新与应用联盟成员,国内“五大四小” 电力企业中唯一拥有燃料电池电站的运营商。在韩国拥有十几兆瓦的燃料电池电站,采用美国的MCFC燃料电池发电技术。

2017年4月,中国广核集团联合中金前海发展(深圳)基金管理有限公司、清华四川能源互联网研究院在中国(广东)自由贸易试验区深圳前海蛇口片区发起成立氢能基金,该基金总规模30亿元人民币(一期规模10 亿元)。

2019年4月12日,中国广核集团下属子公司中广核资本、中广核产业投资基金与南都电源签署《氢能产业基金合作框架协议》,共同成立深圳白鹭氢能产业股权投资基金合伙企业,总规模拟定为5-10亿元,主要投资于氢能及燃料电池领域。

核能制氢展望

国际上的能量供应主要来源于煤炭、石油等化石能源,这也导致日益严重的能源枯竭和环境污染问题。因此,寻求更加高效、清洁能源进行替代成为了必然趋势。氢能具有环保、高效、来源丰富、运输方便和应用广泛的特点,起着保障国家能源安全和优化能源结构作用,是未来最有希望得到大规模利用的清洁能源。而核能是高效、低耗、环保、清洁的代表, 地球上可供开发的核燃料资源、可提供的能量是矿石燃料的十多万倍。核能制氢将二者结合,是为可持续发展以及氢能经济开辟道路,推动形成绿色发展和生活方式,在当前形势下, 具有广阔的应用前景。

目前国际上各大发达国家都在积极的进行核能制氢项目的研究与开展,力图早日迈入氢能经济社会。我国在国家科技重大专项“大型先进压水堆及高温气冷堆核电站”支持下, 高温堆制氢关键技术研究已取得良好进展,处于世界领先地位。在发展核氢战略中,需要政府加大政策支持和投入保障力度,尽快落实建设60万千瓦高温气冷堆核能工程;大力发展和引进核能制氢人才和研发企业,提高专业研发能力,扩大产业范围 。

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