核能制氢的成本优势

1、氢能需求增长

如今，全球每年产生约9,000万吨氢气，但为了实现净零排放，预计未来几十年对氢气的需求将大幅增加。

根据国际能源署(IEA)最近的一项分析，在化石燃料替代品需求的推动下，到2050年，氢需求可能达到5亿吨或更多。

今天生产的绝大多数氢气来自天然气的蒸汽重整，使得当今市场上可获得的大部分氢气基本上是化石燃料。

然而，低碳替代品——所谓的可再生能源电解产生的绿色氢气，或核能电解产生的粉色氢气——价格昂贵得令人望而却步。

随着乌克兰冲突的地缘政治影响推动全球天然气价格高企，并加倍关注低碳替代品和能源供应安全，核能氢的机会比以往任何时候都大。

甚至在乌克兰崩溃和北溪天然气管道遭到破坏等事件发生之前，国际原子能机构(IAEA)2021年的一份报告就得出结论：如果“天然气价格上涨到每百万英国热单位(BTU)20美元以上，最佳的制氢方法是由核能和可再生能源混合提供电解动力” 。

然而，最近，经合组织核能机构(NEA)的一份题为《核电在氢经济中的作用：成本和竞争力》的分析得出结论，鉴于当前天然气价格波动和总体政策野心，如果采取适当的举措，氢经济中核电的前景将是一个重大机遇。

2、核能成本机会

苏格兰格兰杰默斯炼油厂等大型工业中心可能是当地生产的核能的一个有吸引力的市场。

NEA的报告强调了成本差异的变化，这是竞争性核能制氢出现的关键因素。

当然，在冲突之前，甲烷的蒸汽重整成本更低，但现在这种情况不仅发生了逆转，而且在可预见的未来很可能会继续。

根据NEA的说法，随着水分离技术的不断改进和成熟，化石燃料蒸汽重整和水电解之间的竞争差距预计将在2025年前缩小。

然而，考虑到目前的市场动态，这一经济差距可能会比之前预期的要快得多。

尽管NEA认为“到2035年，世界上大多数地方很难实现低于每千克氢气2.5美元的大规模电解氢生产”，但他们指出天然气价格的极度波动。

假设天然气价格为100美元/MWh，实际上低于2022年第二季度世界某些地区的价格，他们得出结论，蒸汽甲烷重整制氢成本预计将大幅增加。

NEA分析得出结论，“利用碳捕获、利用和储存(CCUS)进行蒸汽甲烷重整的氢气生产成本估计为每千克氢气5.87美元，比最不具竞争力的方案贵65%”。

尽管该分析确定了海上风电是成本最低的方案，但他们注意到，氢气市场可能会变得越来越分散，区域资源的可用性将在很大程度上决定氢气的主要生产技术和最终成本。

此外，由于核电既可调度，又具有规模，因此与工业共址相关的额外机会也存在。

这种方法将最大限度地降低氢储存、运输和分配的基础设施成本。

事实上，该报告估计，对于满足大型工业综合体持续需求的500MWe系统，基于核的价值链的基础设施成本约为每千克氢气0.16美元。

当在类似应用中考虑可变产量可再生能源生产时，NEA估计这些额外成本约为每千克氢气0.77美元。

因此，考虑到整个价值链和生产成本，核能作为一种有竞争力的解决方案脱颖而出。

事实上，NEA表示，“在给定的电解槽规模下，基于核能的氢价值链的更大容量和连续生产允许成本高效地部署所有基础设施。”

3、政策

尽管市场基本面是积极的，长期前景是明确的，但如果核电要实现其潜力，就必须应对一些挑战。

技术、政策和监管障碍仍然是实现氢经济长期扩张的主要障碍。

这需要雄心勃勃的政策举措来支持氢气部署，并在短期内让利益相关者参与进来。

NEA表示，研究、开发和示范计划的成功，坚定和持续的政治承诺，以及利益相关者制定和商定的氢处理、交易技术和监管框架，这些都是未来氢部署的关键。

NEA概述了实现工业规模粉氢必须采取的若干政策建议。

例如，他们认为，作为第一步，必须证明大规模低碳水电解是现有碳密集型制氢技术的可行替代方案。

他们进一步指出，需要雄心勃勃的示范计划来回答大型低碳制氢工厂和价值链所提出的经济、工程和监管问题，无论这些系统是基于可再生能源、当前的第三代轻水反应堆还是其组合。

NEA还建议制定政策框架，允许广泛生产低碳氢。

为了实现这一目标，他们建议制定参考净零路径，强调快速扩大低碳氢生产的重要性。

NEA指出：“限制能源生产低碳氢，将在短期内限制部署，并在长期内导致额外的系统成本。”

另一项建议是，通过估算储存、转化、运输和配送成本，确保将氢气生产和配送的全部成本考虑在内，这“可能意味着氢气配送的巨大额外成本”。

他们指出，必须考虑整个价值链要求，以评估项目的整体业务案例并设计成本效益高的基础设施。

最后，NEA建议，在中期内，应增加提高氢气生产效率的研究和开发，因为“甲烷热解或水热化学循环，可能与第四代反应堆技术相结合，是有希望的低碳选择，可以降低氢气生产的一次能源需求” 。

4、核能氢的发展

鉴于这样机会的规模，全世界对核能制氢的兴趣已经越来越大。

例如，在英国，最近有报道称，化工巨头INEOS正在与劳斯莱斯(Rolls-Royce)进行探索性谈判，可能会看到SMR技术生产出苏格兰格兰杰默斯(Grangemouth)大型炼油厂脱碳所需的氢气。

按照NEA的建议，也有积极的政策发展。

今年，德国北莱茵-威斯特法伦州政府确认了77万欧元的资金，以支持在科隆INEOS工厂建设100 MW水电解厂生产绿色氢气的可行性研究。

INEOS此前披露了在欧洲范围内实施20亿欧元绿色氢项目的计划。

与此同时，美国总统拜登(Joe Biden)最近签署的具有里程碑意义的《通胀削减法案》(Inflation Reduction Act)为清洁氢生产拨款95亿美元，美国能源部的评估显示，核能可能产生高达全国总需求的15%。

NEA最新研究的中心结论是，核能可以以具有竞争力的成本大规模生产低碳氢。

但从根本上讲，未来氢经济的巨大规模为核能提供了巨大的机会。

电解过程通常需要约50 kWh的电力来产生1kg气体。

鉴于目前的氢气产量约为9000万吨，仅脱碳一项就需要每年4500 TWh的低碳电力。

IEA预测，到2030年，每年将通过电解生产约8000万吨氢气，这意味着额外的电力需求为4050 TWh，约为整个欧洲当前年需求的1.5倍。

法国的一个氢充电站(图片：McPhy)

将氢气产量提高到5亿吨不可避免地意味着将专用清洁能源产量提高几个数量级。这些数字表明了机遇的规模和挑战的艰巨性。

5、未来发展

IAEA在其对全球核能力的最新预测中，其高风险情景与一年前相比增加了10%，并于2021首次修订了自十年前日本福岛第一核电站核灾难以来的年度增长预测。

在高发展情景下，IAEA现在预计，到2050年，世界核能发电量将增加一倍以上，达到873 GWe，而目前的水平约为390 GWe。

正如IAEA总干事拉斐尔·马里亚诺·格洛西所说：“我们正处于世界向更安全、稳定和负担得起的能源未来过渡的关键时刻。”

核能制氢可能是清洁能源未来的重要组成部分。

(本文编译《Price shift boosts prospects for nuclear hydrogen》)