“核能制氢”的经济空间？

快速发展的氢能经济将为核能带来机遇，不过这一机遇也将给开发商带来复杂的挑战。

1、氢能迅速发展

氢是核能的机遇，但也面临挑战。

氢能已经成为一个大生意了。

根据国际能源机构(IEA)2021全球氢能审查，2020年全球需求量为1.3亿吨。

目前产量的三分之二用于工业目的，包括在化肥生产的早期阶段生产氨。

剩下三分之一主要用于混合气体的一部分，如合成气，用于燃料或其他化学品的原料。

目前，绝大多数氢是通过蒸汽重整从甲烷中产生的。

这些用途并没有消失，恰恰相反。

未来，预计将有更多的行业转向氢，以取代炼钢等行业的化石燃料。

预计氢在其他不能用电的部门脱碳方面也很重要，例如重型运输，包括卡车运输和铁路服务。

它也是长期储能和管理电力供应的重要选择，例如燃气轮机中的氢气替代甲烷。IEA估计，到2050年，氢气产量将不得不增加到每年5亿吨以上。

美国核管理委员会(U.S.Nuclear Regulatory Commission)认为，这一潜力是其两倍。

2、无碳生产氢气

使用可再生能源生产氢气，使其整个过程都不含二氧化碳。

为了发挥氢能的作用，必须生产无碳排放的氢气。

表上有两个选项，传统的甲烷重整方法——使用700–1,000℃的蒸汽生产氢气，另一种方法——自热重整，是一种尚未大规模应用的化学工艺。

为了符合低碳标准，它必须与碳捕获和存储相结合，从而增加部署的成本和风险。

加快使用甲烷重整的另一个问题是，在气候和能源领域的重要支持者看来，将氢工业建立在持续使用甲烷的基础上只能是短期解决办法。

人们对电解槽越来越感兴趣，电解槽利用电池将水分解成氢气和氧气。

福岛氢能研究场(FH2R)，这里的绿色氢能设施每小时可产生多达1200标准立方米的氢气，将为车辆和固定地点的燃料电池供电。

如果使用的电力是低碳的，并且是由核能或可再生能源生产的，那么它们具有简单的吸引力。

电解槽目前正在世界各地以示范或商业前规模安装，最高可达几MW。

在电解中，当然需要很大的功率容量。

IEA估计，要实现其氢气目标，到2030年，电解装机容量将达到850 GW左右，到2050年将达到近3600 GW。

这一数字可能被低估了：可能会使用专用设备，电解槽也可能会间歇性使用，有时会出现发电过剩的情况，从而提高了整体产能需求。

但甲烷重整和电解都对系统提出了其他要求——对热量、气体，尤其是水。

“整个系统”的观点揭示了结合核能和氢能基础设施的一些好处和复杂性。

热量、天然气和水是关键的输入，当涉及到输出时，仅仅生产氢气是不够的;它还必须交付给用户。

3、核氢结合

塞兹韦尔是一座新的核电站，该电站已被指定用于可能的氢气生产(图源：Fotogenix)

在实践中，核能与氢的关系是如何结合在一起的?

英国是这场讨论的一个有趣的试验场，因为有政治支持，英国既有新的反应堆大军，也有支持将氢转化为脱碳工业和运输。

英国宣布了建造十几座新反应堆的雄心壮志，并为氢的生产和使用提供了研发资金。这些重点是沿海地区现有的几个“产业集群”。

最后，英国是一个相对较小的地区(为此目的，禁止新核能的苏格兰可以被排除在外)，因此潜在的核电站相对靠近，相距数十英里而不是数百英里。

虽然电力显然可以在全国范围内输送给电解槽，但核电的关键供热不能以同样的方式输送。

即使对于电力而言，有限的电网容量也已经造成了巨大的限制成本，而新建电网是一个缓慢且成本高昂的过程。这意味着选址问题是决定核能作为氢生产商角色成败的关键。

位于东南海岸的塞兹韦尔(Sizewell)就是一个很好的例子，因为最近在现场批准了一个新反应堆塞兹韦尔C项目的开发许可。EDF此前表示，氢是塞兹韦尔C项目的潜在副产品。

核热制氢

除了电力，核能还能产生更多的热量，这也为制氢提供了机会。

顾名思义，热量对蒸汽甲烷重整至关重要。

在当前部署中，热量是通过使用额外的气体产生蒸汽来提供的。虽然有优势，但是会增加三分之一的天然气消耗，所以不使用化石燃料的替代热源很有吸引力。

但在电解中，高温蒸汽的可用性改变了行业规则。提高电解温度可显著提高工艺效率，从100℃时的40%左右提高到850℃时约60%。

核能提供的更高温度提供了另一种选择：高温蒸汽电解，在接近100℃的温度下，将氢和氧从蒸汽中而不是水中分离出来，从而将制氢效率提高到80%左右。

利用核能发电生产氢气，在选址上相对灵活，因为它可以在全国范围内传输。利用核能的热量正好相反：实际上，它不能远距离运输。

用水需求

英国水压力图揭示了制氢的潜在问题(图源：网络)

根据PA Consulting的数据，目前，市面上可买到的两种主要电解槽(碱性和质子电子膜技术)的用水量为每千克产氢9-14千克(取决于所需的脱矿量)，有些估计高达每千克氢18千克水。

甲烷重整需要每千克氢气6-13千克水。换言之，一个典型的估计是，当持续工作时，1 MW电解槽每天将产生约400 kg氢气。这表明每天用水量为3.6-5.2立方米。

事实上，在塞兹韦尔，EDF对氢的热情已经降温，因为在满足现场用水需求方面存在潜在问题。

塞兹韦尔B项目每天的淡水需求量为800立方米，与海水需求量(每秒50立方米)相比相形见绌，但仅在当地集水区，它仍占清洁水需求量的7%左右。塞兹韦尔C项目每天的淡水需求量更大，约为2000立方米。

尽管英国多雨，但环境监管机构环境署(Environment Agency)称，该国东部和南部为“缺水”地区。

为了满足塞兹韦尔C项目的淡水需求，EDF计划安装一条管道，从18公里外的Waveney河取水。

然而，当地水务公司埃塞克斯(Essex)和萨福克水务公司(Suffolk Water)预计，到21世纪40年代塞兹韦尔C项目运营时，该地区将处于“缺水”状态，预计到那时，环境署将把其从Waveney河的取水许可证减少到目前水平的一半以下。

塞兹韦尔C项目还有另一个选项来满足发电厂的用水需求——建造一个海水淡化厂。这样它就可以使用海水来代替海水，不过这个选项已经遭到反对。

这使得提取更多的水用于制氢成为一个问题。一台额定功率超过100 MW的商用电解槽可能会使现场对淡水的需求翻一番。

英国其他几个核电站也位于“缺水”地区，通常位于该国南部和东部。但英国气候变化委员会预计，除非用水发生重大变化，否则这些地区未来将扩大。

IEA表示，在沿海地区，使用海水是一种替代方法，使用反渗透进行海水淡化。

IEA表示，每立方米水的电力需求高达4 kWh，如果需要脱盐，制氢总成本将增加0.01–0.02美元/kg H2。

基于这些理由，这远不是不可能的，但陆上脱盐，在处理脱盐水旁边产生的盐水时会引发环境问题。

正如其他地方所建议的那样，在海上风电场生产氢气和在陆上管道输送氢气的方式是不同的。

没有使用当地淡水的选择，因此需要脱盐，海上盐水的处理问题较小。

管道问题

海瑟姆核电站(图源：网络)

虽然供水过去一直是核电站选址的主要考虑问题，供热用户的潜力也是如此，但核开发商过去不需要考虑天然气运输基础设施的可用性。

如果核能被用作主要的氢气生产商，情况就会发生变化。

利用核能促进甲烷重整，需要该工厂能够长期获得天然气供应。

电解当然不需要气体输入。但这两种方案都需要天然气出口基础设施。

今天，氢通过管道从生产点运输到使用点，并通过低温液体罐车或气体管道拖车在公路上运输。管道部署在需求旺盛的地区(每天数百吨)，预计几十年内将保持稳定。

这意味着，使用甲烷重整路线的氢气生产商，必须确保其使用的天然气资产具有长期甲烷供应，这不包括可能转换为运输氢气的管道。这实际上使甲烷重整器靠近甲烷进口终端。

所有这些都给新的核电站带来了更为复杂的选址挑战，这些核电站将在未来与电力并肩(或替代)生产氢气，并为不同的客户提供服务。

天然气、水、氢和热量的要求都必须在满足核设施广泛限制的场所得到满足。

在英国，对现有天然气网络、产业集群和现有核设施的比较，表面上显示出一些一致性。但如果放大，就会出现更复杂的画面。

西北部的HyNET是氢气增长区，用户众多。

海瑟姆核电站位于英国西北部氢中心海涅特附近，但距离热量输送仍太远。

天然气网络也为其提供了良好的服务，目前正在考虑将其重新用于氢运输。但最近的现有核电站是海瑟姆(Heysham)核电站，距离约60英里，中间有利物浦等大型城市中心。

通过使用新的核方案，这些问题将得到缓解。

较小的反应堆将有较小的水足迹。但它们也产生较少的氢气，而体积较小又限制了氢气运输的选择，因为管道变得不经济。

如果“本地”反应堆有其他电力用户，则需要本地氢用户，以及管理间歇性氢供应的方法。

其他地点，如南部或东部海岸，离资源和消费者都很远。

英国目前的核规划框架在很大程度上限制了现有场地的新核设施。

事实上，该框架已经失效，预计会有一个新的选址框架。这可能会开辟新的核电站，尽管英国此前发现很难将其核电站池扩大到现有的核电站之外。

这些问题对电力资产经理来说都不是新问题。例如，热电联产项目定期管理热电客户，并可能包括一个蓄热室以提供灵活性。

水供应有限的问题是众所周知的，至少对于依赖河水冷却的内陆核运营商来说是如此。氢能方案中的不确定性仍将给核投资者带来新的挑战。