Paul Lalovich 和 Ed Bodmer 讨论了核电和氢能热电联产的经济和金融

随着新能源和先进技术的使用，能源供应、需求和分配不断发展。但世界上大多数能源基础设施都有很多“惯性”——即需要数年或数十年才能更换——而且长期发展将影响未来几十年的能源经济。

核电站也在不断发展，并经历了技术进步以使其更加通用。先进的核电站将作为电力系统的一部分发挥作用，这与目前在用的核电站建设过程中存在的电力系统大不相同。

另一项正在经历技术进步以变得更加通用的技术是氢气热电联产，随着能源经济的发展，氢气生产正在获得全球知名度和政治支持。

随着市场迅速纳入风能和太阳能等可再生能源，维持供需平衡变得越来越困难。白天的能源需求各不相同，早上短暂下降，傍晚人们下班回家时达到峰值。一般来说，核电站满负荷运行，但理论上它们仍然能够实现更高的运行灵活性。运行灵活性使核电站能够动态响应季节性需求变化或每小时市场定价变化。

在实践中，最近国际原子能机构的计划中包括了更有前景的核能应用，包括制氢和高温工艺热。它在 2018 年表示，“经合组织核能机构、欧洲原子能组织和第四代国际论坛都表示对专注于先进的下一代和革命性核反应堆的非电力核电应用感兴趣”。根据 IAEA 的 Ibrahim Khamis 的说法，热电联产的驱动因素包括但不限于提高经济性、满足对能源密集型非电力产品的需求、确保工业综合体的能源供应、适应电力需求的季节性波动以及匹配小型和具有可访问的大型电网的中型电网。

核电和氢气热电联产的优势

每年，全世界消耗大约 50 公吨的氢气。核电站和制氢系统很好地结合在一起，使核能比传统的制氢能源更具经济优势。核电站可以在不产生任何碳排放的情况下提供所需的热量和电力。生产氢气将用作能量储存，并使电力生产与电力消耗脱钩。储存的氢气既可以用作基于燃烧的发电机的燃料，也可以出售用于其他工业用途。

在 2017 年的一项研究中，氢气生产也被视为一种储能技术(Coleman、Bragg-Sitton 和 Dufek，2017 年)。麻省理工学院能源计划 (MITEI) 研究员 Jesse Jenkins 和他在阿贡国家实验室的同事考虑将可再生资源与灵活的核电站配对。在 Applied Energy 的一篇论文中，Jenkins 声称以较低的性能运行核电站并尽可能多地吸收自由风和阳光更有意义。通过这种方式，核能可以灵活运行以整合可再生能源并减少二氧化碳排放。灵活的运营通过减少废燃料量、提高系统质量和降低客户能源成本来提高反应堆拥有收入。

根据发表在可持续发展期刊(Noussan、Raimondi、Scita 和 Hafner，2021 年)上的一篇论文，与化石燃料燃烧产生的排放相比，氢能源存储系统的开发可以减少发电排放。他们表示，在运输部门将燃料电池与氢气相结合，并使用能量储存来缓解峰值发电量，可以减少二氧化碳排放，前提是唯一的氢气燃烧副产品是水。

然而，氢燃料电池生命周期的碳排放取决于主要能源和制氢过程。在制氢中使用水也可能对环境产生重大影响。然而，当氢与燃料电池中的氧重新结合以发电时，会产生水并且可以返回到原始来源。

有毒金属，例如钯，用于制氢过程中的电极和催化剂。因此，废旧燃料电池的处理是必须彻底监控的另一个方面，以减少对环境的不利影响。最近，钯的回收和再加工一直是研究的重点，目的是减少其对环境的负面影响。

如果核能被视为制氢的主要能源，它应该产生最小的排放量并对环境的影响最小。

美国的一个公私合作项目旨在展示使用热电的 HTSE，可能在草原岛核电站(照片来源：Xcel Energy)

核电和氢气热电联产的挑战

核电热电联产面临重大挑战，包括核能和热能市场之间的差异。还有一些具体问题和担忧需要解决，其设计已经改变，使其更适合生产氢气(结算、规划所需的时间、建设和财务风险)、特定行业核电站的示范和定制核装置的许可。

核能发电可行且经济可行;然而，任何核反应堆都会受到一系列由核反应堆物理学引起的操作限制，这些限制与传统煤或天然气发电厂的技术限制不同。例如，如果在燃料辐照周期内，核反应堆的最低稳定性能发生变化，则在不装载核燃料棒和反应堆本身的情况下，产量不能过快地增加或减少。

在高功率水平下，有多余的能量可用，削减它被认为在很大程度上对发电厂不利。如果工厂灵活运行以适应需求管理，可用的剩余能源将受到影响。

结论

核氢相对于其他来源的潜在好处是显着的，并且可能导致未来全球能源经济中氢生产的份额越来越大。然而，核氢工艺在技术上是不确定的，需要全面的研究和强大的开发工作。安全问题以及氢的储存和输送是促进氢经济繁荣发展的关键领域。

在评估绿色氢的成本时，即使用低碳能源通过电解水生产的氢(可能的替代方案，通过蒸汽重整和碳捕获从甲烷生产被称为“蓝色”氢)，分析必须考虑成本电解槽的效率、电池堆的更换、氢气的压缩和储存、运输氢气的成本以及分配氢气的效率。

在脱碳世界中，与氢的未来有关的最终问题之一是电解槽制氢的成本相对于为运输、肥料、工业用途和其他事物提供氢的替代方法。

准确计算氢的成本作为生命周期成本可以让您解决不同的商业模式，例如在飞机、垃圾车、公共汽车和其他电动汽车无法实现的交通工具上使用氢燃料。您还可以将电解槽的氢气成本与蒸汽甲烷反应器的氢气成本进行比较;评估分布式制氢与集中制氢的成本和收益;并衡量在电力成本低的时期生产氢气的策略的有效性。