大规模制氢方式首选——核能制氢

近期，美国能源部（DOE）宣布投入2000万美元，支持亚利桑那州的核能制氢示范项目，使清洁氢能成为核电站除发电以外的重要经济产品，助力在未来10年之内实现DOE“氢能攻关”科技化的制氢成本目标（1美元/千克）。

业界普遍认为，核能制氢才是大规模制氢方式的首选。然而这种制氢方式似乎进展的十分缓慢。

核能是低碳、高效的一次能源，其使用的铀资源可循环再利用。经过半个多世纪的发展，人们已经掌握了日益先进、不断成熟的核能技术，成为当前人类大规模工业制氢的最佳选择。核能制氢是将核反应堆与先进制氢工艺耦合，进行氢的大规模生产。核能制氢具有不产生温室气体、以水为原料、高效率、大规模等优点，是未来氢气大规模供应的重要解决方案。

核能制氢原理

核能制氢就是利用核反应堆产生的热作为制氢的能源，通过选择合适的工艺，实现高效、大规模的制氢；同时减少甚至消除温室气体的排放。核能制氢原理示意如图所示。


核能制氢原理示意图

核能到氢能的转化途径较多，包括以水为原料经电解、热化学循环、高温蒸汽电解制氢，以硫化氢为原料裂解制氢，以天然气、煤、生物质为原料的热解制氢等。以水原料时，整个制氢工艺过程都不产生CO₂，基本可以消除温室气体排放；以其他原料制氢时只能减少碳排放。另外，利用核电电解水只是核能发电与传统电解的简单联合，仍属于核能发电领域，一般不视为真正意义上的核能制氢技术。因此，以水为原料、全部或部分利用核热的热化学循环和高温蒸汽电解被认为是代表未来发展方向的核能制氢技术。


核能到氢能的转化途径

我国的核能制氢项目起步于“十一五”，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）在国家“863”计划支持下，于2001年建成了10MW高温气冷实验反应堆（HTR-10），2003年达到满功率运行。

2019年1月15日，中核集团、清华大学、中国宝武三方签订《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。目前中核集团的依托《框架协议》开展核能制氢冶金技术研发，对国内外氢能产业链各环节进行调研，分析氢能产业宏观布局、技术发展、经济成本等因素后明确氢能产业链的主要切入点，完成产业布局顶层设计。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。

今年9月，高温气冷堆碳中和制氢产业技术联盟在清华大学成立。该联盟的成立，其目的在于推动高温气冷堆制氢技术和产业发展，攻克关键核心技术问题，打造世界一流产学研用结合的新型协同攻关联合体。

据了解，该联盟作为一个科技、产业、金融相协同的创新联合体，由清华大学、中国核工业集团有限公司、中国华能集团有限公司、中国宝武钢铁集团有限公司、中国中信集团有限公司五方联合发起成立。

联盟以我国先进的高温气冷堆技术为基础，通过超高温气冷堆制氢的研发，开发氢冶炼、氢化工等应用技术，将高温气冷堆技术与钢铁冶炼、化工等具体应用场景相结合，打造工业规模示范项目，并在国内外开展产业化推广，努力实现相关行业的二氧化碳极低排放。

目前国际上各大发达国家都在积极的进行核能制氢项目的研究与开展，力图早日迈入氢能经济社会。国正在积极推动核能制氢技术的发展，并已进入商业示范阶段。我国在国家科技重大专项“大型先进压水堆及高温气冷堆核电站”支持下，高温堆制氢关键技术研究已取得良好进展，处于世界领先地位。在发展核氢战略中，需要政府加大政策支持和投入保障力度，尽快落实建设60万千瓦高温气冷堆核能工程；大力发展和引进核能制氢人才和研发企业，提高专业研发能力，扩大产业范围。