美国《国家清洁氢战略和路线图》大力推动核能制氢

2023 年6 月，美国能源部发布《国家清洁氢战略和路线图》报告（以下简称“《报告》”），提出加快清洁氢生产、加工、交付、储存及使用全过程的技术研发及应用示范，助力2035年电网脱碳、2050 年净零排放目标。《报告》将核能制氢列为清洁氢生产的重要环节，有望推动美国核能制氢技术及产业发展。

1 发布背景

清洁氢是指通过低碳或无碳方式生产的氢。美国2021 年《基础设施投资和就业法》将清洁氢定义为“每千克氢生产现场产生的碳强度等于或小于2 千克二氧化碳当量”，利用核能和可再生能源生产的氢均属于清洁氢。清洁氢是一种应用广泛、绿色低碳的二次能源，可作为化工原料、汽车燃料、储能载体，也是重型运输、钢铁冶炼等难以电气化领域的潜在脱碳手段，对于推进经济社会低碳转型具有重要意义。

为加速推动清洁氢产业发展，美国政府于2022年9月编制并发布《国家清洁氢战略和路线图（草案）》征求公众意见，并于2023 年6 月发布最终版本报告。为及时更新氢能市场的最新动态及利益相关者的反馈，《报告》将至少每三年更新一次。

2 主要内容

《报告》分析了美国清洁氢发展的需求与挑战，提出了三项清洁氢优先发展战略以及三方面的行动计划。

需求与挑战方面，《报告》预测，随着交通、工业、电力等行业脱碳需求的增长，美国对清洁氢的需求到2030 年将达1000 万吨（相当于目前美国的氢气年产量），到2040 年将达2000 万吨，到2050年将达5000万吨。当前制约清洁氢发展的主要因素包括：缺乏氢配送基础设施，缺乏大规模、低成本、耐用可靠的制氢技术，以及高昂的氢储运成本。

发展战略方面，一是推进清洁氢的战略性、关键领域使用。清洁氢的主要应用领域将是难以利用电气化手段脱碳的领域，包括化工、冶炼、重型运输、长期储能等。二是降低清洁氢的成本。目标是将清洁氢的生产成本到2026年降至2美元/千克、到2031年降至1美元/千克，配送成本到2030年降至2美元/千克。三是注重区域网络发展。鼓励氢气最终用户与大规模清洁氢生产商合作，就近建设清洁氢生产设施，确保清洁氢大规模、稳定生产与消纳，发展和共享部分制储运基础设施。

图1 美国能源部测算的清洁氢成本降低方案

行动计划方面，主要聚焦清洁氢的生产、储运和市场推广三方面行动，分别设置了近中远期目标。一是清洁氢生产，近期推进电解、热化学等清洁制氢技术研发示范，示范可再生能源制氢、核能制氢等项目；中期部署百万千瓦规模的制氢电解槽，扩大电解槽制造、回收和再利用规模；远期具备1000 万吨的清洁氢生产能力，并将生产成本降至1 美元/千克。二是储运基础设施建设，近期开展储运基础设施建设挑战识别与分析，启动区域清洁氢中心配套基础设施建设；中期示范高效且先进的基础设施组件，构建可持续发展的区域清洁氢网络；远期开展大规模氢气运输。三是终端应用及市场推广，近期加强与监管部门合作，启动工业项目，制定承购协议；中期部署区域清洁氢中心；远期扩大区域清洁氢中心的规模，为未来清洁氢出口做准备。

3 核能制氢相关内容

3.1 充分肯定核能制氢的经济性和高效性优势

《报告》指出，核能具有高负荷因子、经济性好、可以热电联产等特点，在大规模电解制氢领域具有一定优势。基于美国能源部H2A模型对低温电解制氢平均化成本的测算表明：清洁氢成本对电力成本高度敏感，因此将制氢设施与现有核电厂集成，进而稳定地获得低价电力供应，可以有效降低清洁氢成本。此外，核反应堆可同时提供电能与热能，与尚处在研发阶段的固体氧化物电解池（SOEC）高温电解制氢技术相结合，有望进一步提高制氢效率及经济性。

3.2 美将大力推进核能制氢技术研发及应用示范

《报告》将核能列为生产清洁氢的重要能源之一，为核能制氢制定了明确的计划目标：2022年至2023年建立一座与核设施集成的1250千瓦制氢电解槽（已于2023年2月在九英里峰核电厂实现，采用质子交换膜低温电解制氢技术）；2024年至2028年间开展不少于10个清洁氢生产示范项目，其中必须包含核能制氢项目；掌握用于高温电解制氢的2万千瓦核热提取、分配和控制技术。截至2023年8月，美国能源部已资助九英里峰核电厂、戴维斯-贝瑟核电厂（低温电解制氢）、普雷里岛核电厂（高温电解制氢）三个核能制氢示范项目。

4 美国大力推动核能制氢的原因分析

4.1 发挥核能优势助力清洁能源目标

一方面，核能作为清洁低碳的基荷能源，具有负荷因子高、输出稳定等优势，相比于负荷因子低、间歇性强的可再生能源，更有助于降低制氢成本（《报告》测算，为实现1 美元/千克的清洁氢生产成本，负荷因子至少应达90%）；另一方面，核能具有适合大规模生产、热电联产等优势，核反应堆提供的热能有助于减少电解制氢所需的电能，从而降低生产每千克氢气所需的电力，提高制氢的效率与经济性，增强清洁氢稳定供应能力。

4.2 增加在运核电厂收入来源

在未来的能源市场中，在运核电厂将面临包括可再生能源、化石燃料电厂在内的多种电厂的激烈竞争。规模化的核能制氢有望提高核电厂生产高附加值产品的能力。美国能源部估计，一座100 万千瓦反应堆，在配备制氢设施后，每年可产生15 万吨氢气，约占当前美国氢气总产量的1.5%，这些氢气可出售给区域内的化肥、炼油、钢铁冶炼企业，为核电厂提供给新的收入来源。

5 启示与建议

5.1 加强顶层谋划，制定我国核能制氢发展规划

核能制氢具有无碳排放特性，是保障国家清洁能源供应安全稳定的重要方式。建议加快制定我国核能制氢发展规划，由国家能源主管部门牵头，主要核电企业为研发和示范推广主体，遵循研发攻关、应用示范、产业化推广的发展路线，加快推动核能制氢示范工程项目建设及核能制氢全产业链协同发展。

5.2 利用现有优势，加快高温气冷堆核能制氢技术攻关及工程试验

高温气冷堆是我国自主研发的先进核能技术，它具有安全性好、堆芯冷却剂出口温度高等优势，其高温高压的特点与适合大规模制氢的热化学循环制氢技术十分匹配，被公认为是最适合核能制氢的堆型。建议立足高温气冷堆制氢技术基础与条件，加强校企合作，依托高温气冷堆示范工程，近期到中期重点发展技术相对成熟、可减少碳排放的高温气冷堆耦合甲烷重整制氢中试及工程规模示范；持续开展无碳排放的碘-硫、混合硫热化学循环制氢技术攻关及中试；中远期实现以热化学循环分解水制氢技术为核心的高温堆综合能源供应，并实现与氢冶金、石油化工等大规模用氢场景的结合。

5.3 选用成熟技术，探索压水堆电解制氢应用示范

压水堆核能制氢是弥补可再生能源制氢间歇性，加速推动清洁氢产业发展的良好方式之一，其技术原理成熟，制约因素主要是经济可行性。建议挑选运行经济性好、调峰压力大的在运压水堆核电厂，开展小规模碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢示范，收集掌握核能制氢技术细节及运营经济性数据，为获得核能综合利用国际话语权、制定清洁制氢产业标准奠定基础。