积极发展核能制氢助力双碳目标实现

刘 秀 李林蔚 王婉莹/文

发展核能制氢的必要性

构建清洁低碳能源体系的重要环节

当前，全球能源进入新的发展阶段，世界能源加快向多元化、清洁化、低碳化转型。核能与氢能是清洁、高效、安全能源的代表，核能与氢能的结合将使能源生产和利用的全过程实现洁净化，是推动经济高质量发展、实现碳达峰碳中和目标、保障能源供应安全的重要支撑。当前，民用核能主要是发电，随着第四代核能系统等技术逐渐成熟应用，以核能制氢为主的核能综合利用将成为构建清洁低碳能源体系的重要环节。

推进高效低碳制氢产业发展的需要

目前，工业氢的生产过程并不低碳，全球超过95%的工业氢采用蒸汽甲烷重整工艺（SMR）制备，成本较低，但制氢生成的一氧化碳会进行水煤气反应生成额外的二氧化碳。采用核能进行甲烷热分解（TDM）制氢，通过催化剂作用在500-700℃的范围内甲烷即可发生热解，过程中产生的碳是纯固体碳或炭黑，较易捕捉，热解所需的高温可由核电厂直接提供，不需要将热能转换为电能产生能量损失。这种方式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，成本可以与SMR 竞争。随着核能制氢技术的不断成熟，核能制氢可能成为大规模且高效发展清洁氢经济的重要途径。

提升核能行业市场竞争力的有效途径

核电站开启后关停成本很高，一般开启后都是需要连续工作1-1.5 年才关停做一次检修。因此，当用电站运作时碰到用电低峰期时，核电站产生的电力就是属于没有办法消纳和存储的电力。以中核集团为例，仅2018 年中核集团弃电量约有100 亿度，若用于电解水制氢，可生产氢气20 亿Nm，约为17.8 万吨。利用弃电制氢能够为核电产业提供额外的产出，有助于维持正在老化的反应堆在市场上的服役状态，避免在可以选择成本更低的能源时削减核能的产量。

核能制氢发展现状

核能制低碳氢途径

核能制氢是指将核反应堆技术与先进制氢工艺耦合进行制氢，不同的堆型可以在不同的温度范围内提供制氢所需的热能或电能（见表）。

不同堆型的参数及制氢工艺

目前核能制低碳氢主要有以下几种途径：

冷水电解制氢。通过核能为冷水电解提供电力，英国希舍姆核电站氢能项目对该工艺进行了研究。该工艺可用且在现有技术中成本最低，并已在小规模上得到验证。

蒸汽电解制氢。高温蒸汽电解温度约在600-1000℃，其能耗比冷水电解少1/3，因此有望实现更高效率。低温热也可提高电解效率，如英国的压水堆（EPR）的低温热能（150-200℃）支持蒸汽电解已证实是可行的，其效率也优于冷水电解。

热化学水解制氢。利用AMR产生的600-900℃热量，在使用化学催化剂的情况下可使水分解为氢气，且具备较高效率。现有反应堆无法产生足够高温用于该过程，但政府正开发AMR 以支持该项应用。

化石燃料重整制氢。通过核能废热为化石燃料蒸汽重整制氢提供高温热，但需要配备碳捕集和封存设施。

我国核能制氢发展现状

制定顶层战略规划，引领氢能产业发展。

国家相继出台了一系列政策，推动氢能的产业化发展。2015 年明确提出到2025 年，制氢、加氢等配套要完善。2016 年5 月，发改委和能源局发布的《能源技术革命创新行动计划（2016-2030 年）》和《能源技术革命重点创新行动路线图》，将氢能产业纳入发展重点，表明氢能将在我国未来能源发展中发挥重要作用。国务院在2017 年制定的《能源发展“十三五”规划》，要求“集中攻关新型高效电池储能、氢能和燃料电池”。2019 年发展氢能源首次被列入《政府工作报告》，各大企业从关键技术研发、产品推广应用等环节积极布局，引领核能制氢产业的发展。2020 年两会批准的“2020 年国民经济和社会发展计划的主要任务”中明确指出制定国家氢能产业发展战略规划。截至2020 年，我国省及直辖市级氢能产业规划超过10 个，地级市以下的氢能专项规划超过30个。

推进氢能项目研发，不断取得技术突破。

我国在“十一五”期间就开展了核能制氢项目研发，研究了当初的主流工艺热化学循环和高温蒸汽电解制氢，并进行了初步运行试验。在“十二五”期间，设立了国家科技重大专项“先进压水堆与高温气冷堆核电站”，目的是掌握碘硫循环和高温蒸汽电解的工艺关键技术。

清华大学核能与新能源技术研究院(INET)在2001 年建成了10MW 高温气冷实验反应堆(HTR-10)，该项目由国家“863”计划支持，2003 年达到满功率运行。核能制氢也已被列入专项，第三阶段的研究工作已经开展。我国200MW 高温气冷堆商业示范电站建设项目当前已被列入国家科技重大专项，计划于2021 年建成投产。

中核集团在2018 年联合清华大学、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。中核集团将高温气冷堆与热化学循环制氢技术耦合，可以大规模生产氢气，目标是建成一座600MW 超高温气冷堆，与一座产氢50000Nm/h 的热化学制氢工厂匹配生产。

国电投开展“国和一号＋”智慧核能综合利用示范项目研究，利用5G 网络传输和大数据处理技术，实时监控电力供需状态。增设智慧储能、电解制氢等设施，通过智慧平台智能调控，实现用电低谷期电力存储、制氢，提高用能效率，达到多能源互补及供需平衡。项目建成投运后，每年可增加发电量约600 万千瓦时，替代煤炭消费1800吨，减排二氧化碳4500 吨。

签署战略合作协议，打造氢能产业联盟。

国电投科学技术研究院与辽宁省朝阳市于2017 年10 月签署朝阳氢能源产业基地战略合作框架协议。根据协议，国电投科学技术研究院氢能源产业基地项目计划一期总投资11.3 亿元，着力建设风电制氢-氢储能科技示范项目、氢能源综合利用科技示范项目。此前于2017 年9 月，国电投氢能科技发展有限公司与腾华氢能、博石资产签订协议，共同投资10 亿元用于氢能产业投资基金。

中核集团、清华大学、中国宝武三方于2019 年1 月签订《核能-制氢-冶金耦合技术战略合作框架协议》，三方将资源共享，共同打造世界领先的核冶金产业联盟。中核集团远期的目标是在2030 年后，利用已成熟的核能制氢和弃电制氢为产业源头，开拓储氢、运氢、氢燃料电池中下游产业。同年4 月，中国广核集团下属子公司中广核资本、中广核产业投资基金与南都电源签署《氢能产业基金合作框架协议》，共同成立深圳白鹭氢能产业股权投资基金合伙企业，总规模拟定为5-10 亿元，主要投资于氢能及燃料电池领域。

发展展望

氢能具有环保、高效、来源丰富、运输方便和应用广泛的特点，起着保障国家能源安全和优化能源结构作用，是未来最有希望得到大规模利用的清洁能源。面对未来的低碳化需求，核能制氢不仅能实现制氢过程的无碳排放，还能拓展核能的多元利用，提高核电厂的经济竞争力，并为核电厂与可再生能源的和谐发展创造条件。随着第四代核电技术的发展，核能制氢将为可持续发展以及氢能经济开辟新的道路，加速推进能源结构转型。未来核能制氢的发展应重视以下能力建设，一是统筹规划，制定合理的发展框架和路线图；二是开放合作，打造更加坚固的产业联盟；三是加大投资力度，推进先进技术迭代；四是强化技术转化与成果应用，推动产业化、市场化发展。