核能制氢不用电解水!高温气冷堆除了发电还能干啥?

2021-06-22 15:48  来源:国际能源网    高温气冷堆  核能制氢

“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。”中核集团董事长余剑锋早在两年前就在接受媒体采访时这样说。“


核电似乎和氢能是不相关的两种能源利用形式,但近日有研究表明,利用核能制氢才是低成本发展氢能的正解!

“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。”中核集团董事长余剑锋早在两年前就在接受媒体采访时这样说。

核能制氢不用电解水

如果你认为核能制氢是利用核能发电再用电解水制氢,那你就错了。因为目前核能发电的度电成本在四五毛左右,并不是价格最低的,事实上核能制氢的成本之所以低廉是因为它另辟蹊径,采用了另一种热化学制氢的新模式。

热化学制氢是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。目前,国际上公认最具应用前景的催化热分解方式是由美国开发的硫碘循环,其中的硫循环从水中分离出氧气,碘循环分离出氢气。

另一种核能制氢的方法是甲烷热分解(TDM)或简称为甲烷热解。利用镍催化剂后,让甲烷在在500-700°C的温度范围实现热解,此过程中产生的碳是纯固体碳或炭黑,这种方式省去了碳捕捉的处理,其固体的碳可以作为碳纤维材料加以利用。

高温气冷堆刚好在发生反应的过程中会产生大量的热能资源,将其加以利用就是生产氢能的最佳途径。

用能需求比电解水低8倍

Terrestrial Energy公司的首席技术官David LeBlanc博士说,“使用核能进行甲烷热解的一个关键优势在于,它制氢的能量需求极低,几乎比水电解低8倍,而产生的氢能比低温电解水高出几倍。”

探寻其中原理,我们可以从以下几张图找到答案。




(制图:张平,徐景明,石磊,张作义)

中核主导核能制氢多年

我国在高温气冷堆技术领域已居于世界领先地位。在国家“863”计划支持下,我国于2001年建成了10兆瓦高温气冷实验反应堆,并在2003年达到满功率运行。而200兆瓦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,将具备核能制氢条件。

HTR-10反应堆压力容器

氢能汇记者获悉,一台60万千瓦高温气冷堆机组可满足180万吨钢对氢气、电力及部分氧气的能量需求,每年可减排约300万吨二氧化碳,减少能源消费约100万吨标准煤。将有效缓解我国碳排放压力,助力解决能源消费引起的环境问题。

为拓展核能多用途运用,早在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。中核集团的目标是建成一座600MW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。

不过核能制氢想要实现规模化应用,最需要注意的就是安全问题。因为核电利用本身就存在一定的危险性,再加上氢能的易燃易爆的特点,如何确保核能制氢的安全性就显得尤为重要。

一是制氢厂发生的事故和造成的释放,要考虑可能的化学释放对核设施的系统、结构和部件造成的伤害;二是热交换系统中的事件和失效问题;三是核设施中发生的事件会影响制氢厂,并有可能形成放射性释放的途径。

在没有办法解决上述问题之前,核能制氢可能仅仅停留在概念层面,想要其真正落地,需要国家政策、科研机构、以及相应的设计单位共同努力。

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