全球脱碳需要清洁能源 未来氢能发展离不开核能

2021-03-17 11:20  来源:嘿嘿能源heypower    核能  核能利用  核能发电  核能制氢

无碳能源——氢能,在全球脱碳日程中发挥了重要的作用,不过如果要与碳氢化合物竞争,氢能还需要降低成本,同时提升产量,在这个过程中,核能将起到重要作用。


无碳能源——氢能,在全球脱碳日程中发挥了重要的作用,不过如果要与碳氢化合物竞争,氢能还需要降低成本,同时提升产量,在这个过程中,核能将起到重要作用。

1、氢能经济

可再生能源具有间歇性特点,而在未来的电力系统中,可能严重依赖可再生能源。氢能很可能会在用于电网平衡手段的能源存储中,寻找到最经济的生产方式。

为了实现真正的“氢能经济”,氢能的推广必须扩展到所谓碳排放“难以减少”的部门。

例如在工业部门中,氢和氢衍生燃料(合成燃料,如氨和由氢和二氧化碳生产的合成碳氢化合物燃料)将取代目前用于重工业(水泥、化工、钢铁)、重型运输和航空的液态碳氢化合物。

国际能源署(IEA)认为,这一转变对于最终实现全球能源体系的碳中和是必要的。在IEA的可持续发展设想中,工业和运输部门的碳排放量不会变化太多,在2040年仍将居高不下,远远超过电力部门排放量。实际上,电力部门的碳排放量已经大幅减少(到2070年达到实际负排放量)。

IEA的设想是,到2040年,氢、氨和合成燃料占全球能源消耗量的1.5%,随着碳氢化合物燃料使用的急剧下降,到2070年,这一比例将会上升到近10%。

虽然提出了目标,但IEA并没有指出具体实现的明确方法。

2、低成本

一些企业声称,他们已经实现氢能生产成本在 $2/kg左右。

但也有人认为,在航空和航运领域,氢基燃料需要进一步降低成本,达到$0.90/kg,从而大规模替代液体燃料。

这些目标能否在本世纪中叶实现尚不清楚,因此许多社会观察人士呼吁征收各种形式的碳税,相对来说是降低了氢能价格。

无论如何,达到较低的价格点需要创新。其中就包括核电方面的创新。绿色氢能的未来走向,很可能取决于美国和其他国家先进堆和核燃料的研究与创新。

3、核能

Davis-Besse 核电站 (图源: FirstEnergy)

核电站生产的电和热可以为无碳制氢的电解过程提供动力,这一概念也刚刚在美国现有轻水堆上得到了验证。

研究人员还在研究利用轻水堆进行高温蒸汽电解,这比低温水电解具有效率优势,但需要发电厂提高热量输出,以达到更有效蒸汽电解所需的温度。

先进高温堆的发展可能证明这种方法确实是可行的。同时,小型模块堆的开发也在进行中,不过主要是低温电解方向。

美国国内的大部分研究都是通过爱达荷州国家实验室(INL)进行的,该实验室主要用于核能研究、开发和示范方面。INL与多家公司合作许多项目,包括开发目前正在运行的轻水堆电解技术。

美国能源部的H2 at Scale(规模氢能)计划为INL与商业合作伙伴保持合作提供了重要支持。作为这一计划的一部分,该国最大的核电站运营商——Exelon公司——已同意在其一座核电站安装一台1-MW电解槽,该电解槽将在2023年前投入运行,生产供现场使用或出售的氢气。该示范堆将会模拟扩增到更大的制氢装置。

另一个是能源港公司(Energy Harbor Corp.),该公司虽然去年宣布破产,但仍继续运营着数座核电站。该公司正计划在其位于俄亥俄州托莱多附近的戴维斯-贝斯(Davis-Besse)核电站进行商业电解示范建设。这个为期两年的项目将寻求部署一个1到3-MW的低温电解装置,生产商业数量的氢气。

目前正在运行的轻水堆电厂也在计划进行高温蒸汽电解的示范建设。电解制氢需要达到约1000℃的高温。Xcel Energy公司(总部位于明尼阿波利斯)最近以1100万美元资金被选中参加这次示范建设。

INL的理查德·鲍德曼(Richard Boardman)说:“这个项目第一次将商用发电机与高温蒸汽电解技术相结合。”

理查德·鲍德曼是美国能源部轻水堆可持续发展计划的技术负责人。

他补充说:“产生的氢气最初将用于发电厂,但最终可能被出售给其他行业,尤其是在随后扩大氢气生产情况下。”

INL打算扩大与商业伙伴的合作,在目前在运轻水堆电站安装氢电解系统,组装电解槽,以便继续测试和开发这些系统。

此外,该实验室正在考虑最终部署专门用于蒸汽电解的先进高温反应器。目前世界范围内正在开发几种不同的先进堆概念,其中许多被设计成微型堆或小型模块堆。

理查德·鲍德曼说:“钠冷快堆、熔盐堆和高温气体反应堆在这一过程中可以获得更高的效率,因为它们较高的运行温度提高了发电效率。而且在蒸汽电解中,电力仍然占了大部分能耗。”

4、小型堆的使用

无碳制氢对核能的需求变得十分紧迫。大西洋理事会全球能源论坛就以“核能超越电力:氢、热和海水淡化”为主题展开讨论。

英国咨询公司Lucid Catalyst的执行合伙人柯斯蒂·戈根(Kirsty Gogan)说,根据她公司的计算,到2030年,使用“先进热能”可以达到$0.90/kg的目标价格点。

Lucid Catalyst去年秋天发表了一份名为“与宜居气候的缺失联系:氢合成燃料如何帮助实现巴黎目标”的报告。报告提出了大规模生产绿色氢的有趣建议,其速度要比IEA设想的要快得多。

作者认为,大规模生产用于合成燃料的绿色、低成本氢气,不可能与以可再生能源为动力的电解技术相竞争,甚至可能到本世纪中叶也不可能。

他们认为,这方面的实际土地需求太大。此外,他们指出,风能和太阳能不能产生热量,因此只能用于效率较低的低温电解。

他们建议改为“新一代先进热源”,这实际上是先进的模块堆,用热为电解提供动力。

他们认为,在港口和造船厂附近,通过先进的制造和标准化技术,这种反应堆可以规模化生产,而且经济实惠。

现代造船厂为他们提供了大规模、低成本生产的重要模式。

一种形式是在港口附近建造一个浮式生产平台,部署用于高温电解的高温模块堆,专门生产氢气并将其转化为船用燃料的氨。

该报告比较了轻水和熔盐小型模块堆的资本和运营成本,以显示先进核技术的成本优势。

另一种建议的形式是“巨型工厂”,在现场建造小型模块堆,用于靠近港口和铁路的集中大规模制氢。

随着企业家们寻求大幅降低清洁氢气和氢基合成燃料的成本,这些“先进的供热”计划无疑将在未来几年被更多的企业所遵循。

从事先进核燃料研究的美国莱特布里奇公司(Lightbridge Corporation)总裁兼首席执行官格雷斯(Seth Grae)说:“关键是生产出有效生产氢气所需的高温。”

“核能是实现这一目标的唯一可行途径。”

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