高温气冷堆制氢的发展现状及建议

来源：中国能源研究院 时间：2023-05-26 14:00

核能制氢技术及其发展现状

　　核能是一种可大规模利用的零排放清洁能源，不排放二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物，是实现碳中和目标的重要能源技术选项，在电力系统低碳转型、供热方案深度脱碳、支撑绿色氢能发展等方面都具有重要的战略意义。

　　按照“十四五”规划，我国核电装机容量要在2025年达到7000万千瓦。在“双碳”目标的大背景下，业内普遍预测到2030年在运核电装机规模1亿千瓦，2035年在运和在建核电装机容量合计达到2亿千瓦，核电发电量有望超过美国，核电占比将上升到10%左右。

　　与可再生能源相比，核能能量密度高，反应堆功率较大，运行稳定，一般可作为基荷使用。将核能与可再生能源合理匹配使用，可以进一步发挥各自的特长。目前核能的使用以发电为主，若能用于制氢，不但可以提供大规模、高效、稳定的氢气供应方案，还可以拓展核能的应用领域，提高经济性。

　　核能制氢主要技术路线及其特点简述如下：

　　核热辅助的碳基燃料重整。目前化石燃料转化制氢过程中，煤、天然气等既作为制氢过程原料，又作为吸热反应的燃料。如果利用高温气冷堆的工艺热，替代化石燃料或生物质热解或重整制氢过程中作为热源的部分，可以减少化石资源的用量，并降低相应的碳排放。以天然气重整为例，目前天然气蒸汽重整制氢每生产1千克氢气需要消耗3.5千克天然气，产生大约8.8千克二氧化碳。由于重整过程为强吸热反应，需要额外的燃料燃烧提供需要的热，也产生大量的二氧化碳排放。如果用高温堆工艺热作为甲烷重整热源，可以显著减少作为燃料的天然气用量。根据日本原子力机构的计算，与传统的蒸汽重整过程相比，可以减少约三分之一的用作燃烧燃料的天然气用量，也减少相应份额的二氧化碳排放。该技术成熟度高，与高温气冷堆耦合重点需要开发气体加热的甲烷重整器，可借鉴相关领域的技术，适于近期或中期布置。

　　高温热化学循环分解水。水的直接热分解是原理上最简单的制氢方法，但热力学分析表明在温度高于2500开尔文时，水的分解才比较明显；而在此条件下的材料和分离问题都很难解决，在工程上基本是不可行的。通过将两个或多个化学反应耦合、形成闭合循环过程，多个反应净结果为水分解产生氢气和氧气，这就是热化学循环分解水制氢。该方法可以在相对较低的温度下（如800摄氏度）实现水分解，具有制氢效率高、易于放大、与高温反应堆耦合特性好等特点，被认为是最适宜利用高温气冷堆工艺热的核能制氢方法。目前研究最充分、具有工业应用前景的过程包括碘硫循环和混合硫循环。目前该方法处于实验室到中试研发阶段。

　　高温蒸汽电解。用高温气冷堆或者太阳能技术给系统提供高温热、低温热或蒸汽，电能消耗可以大幅降低，实现高温下的蒸汽电解。其优点包括：热力学上需要的电能减少；电极表面反应的活化能能垒易于克服，可以提高效率；电解池中的动力学可以得到改善等。该方法处于实验室到中试过渡阶段。

　　核电电解水制氢。目前广泛应用的核反应堆为压水堆，由于其蒸汽出口温度约320摄氏度，难以与热化学循环、高温电解、甲烷蒸汽重整等方法耦合，但可以利用核电经碱性电解或质子交换膜（PEM）电解实现制氢。在电力过剩、核电经济性好或者需要高纯氢气的场合，可采用核能发电再经常规电解方法制氢。在这种情况下，反应堆与制氢过程耦合不需要像其他制氢方法那样需要流体及热力学的连接，仅通过方便的电力传输即可实现。该方法成熟度高，技术上基本不存在障碍，但从核能到氢能的整体转化效率较低。

　　核能制氢作为大规模绿氢制备的有效途径，受到美国、日本、法国、英国等核能大国的高度关注。近年来多个国家纷纷加大研发力度和产业化推广，并给予政策支持。

　　日本从上世纪八十年代即开始核能制氢研发，在热化学碘硫循环方向上进行了持续深入的研究，建成了工程材料制作的实验室规模碘硫循环试验台架，并对核能制氢安全性、经济性及制氢厂与反应堆的耦合进行了广泛研究。在日本发布的氢能研发规划中，明确将高温堆制氢作为未来氢气制备的重要方法。

　　美国一直在推进核能制氢研究，主要聚焦高温蒸汽电解、混合硫循环及碘硫循环等技术研发。2020年10月，美国能源部启动了首个利用核能的高温蒸汽电解制氢项目。

　　法国发布《制氢方法》，明确核能发电制氢具有可控和无碳双重优势，法国原子能委员会的核氢战略是集中发展可以与核电或再生能源耦合的、能够可持续生产的制氢工艺，对高温蒸汽电解技术、碘硫循环进行了深入研究。

　　英国核工业委员会2021年2月通过的《氢能路线图》提出，到2050年核能制氢将提供英国氢能总需求量的三分之一，计划使用大型核电站、小型模块化反应堆和先进模块化反应堆通过常规电解、电解高温蒸汽、高温分解水等方式制氢。英国正在研究支持核能制氢的有关政策，包括将加大先进模块化反应堆（超高温气冷堆）研发、将核能制氢归类为绿氢、将零碳发电生产绿氢作为首选方案、建立一个积极的碳价体系，以及给予设立资助、补贴计划和政府直接融资等。

　　加拿大国家核实验室、安大略理工大学等多年来一直致力于与超临界水堆耦合的铜氯循环的研发，建成闭合循环台架，并提出开展中试的计划。

　　韩国政府也在2005年提出了明确的支持高温气冷堆及相关制氢技术的研发规划，印度、俄罗斯等国也都开展核能制氢的研究。此外国际原子能机构、国际经合组织核能署等机构对核能制氢也高度关注，并支持了多个协调项目。

　　高温气冷堆及核能制氢技术发展与路线讨论

　　高温气冷堆具有固有安全性好、冷却剂出口温度高的优点，除发电外，在制氢、高温蒸汽供应等核能综合利用方面具有优势，是第四代先进核能系统的优选堆型。我国从上世纪七十年代即开始了高温气冷堆研发工作，2001年在清华大学核研院建成了10兆瓦高温气冷实验反应堆，2003年实现了满功率运行；之后开展了包括在氦风机停止运行情况下的安全性验证在内的大量研发工作。2006年，国家设立了“大型先进压水堆与高温气冷堆核电站”国家科技重大专项；在清华大学、中核集团、华能集团等单位通力合作之下，重大专项工作取得了大量重要进展与成果，2021年9月高温气冷堆示范电站首次达到临界，2022年12月达到了双堆初始满功率，实现了“两堆带一机”模式下的稳定运行，为工程投产商运奠定了基础。这些成果标志着我国在高温气冷堆领域的发展居于国际领先水平。

　　如果将高温气冷堆技术与先进制氢技术耦合，可实现大规模、高效、持续、稳定制取无碳排放的氢气，有望成为我国大规模供应氢气的重要解决方案之一，也是占领第四代核能技术、核能制氢及其综合利用制高点的重要突破口。在重大专项支持下，清华大学从2006年开始了以高温气冷堆工艺热应用为背景的热化学循环分解水制氢和高温蒸汽电解制氢技术的研发，“十二五”期间建成集成实验室规模的制氢装置并实现了连续运行，解决了制氢技术的关键工艺问题；“十三五”期间，重点开展了热化学循环制氢关键设备、中间换热器、核能制氢安全性等方面的研究，目前正在进行设备放大、中试规模制氢厂设计等工作，已具备开展中试规模验证和示范的条件。

　　当前，高温气冷堆制氢正处在研发的关键时期，关键技术有待加快突破。高温气冷堆制氢需要将出口温度从目前的750摄氏度提高到950摄氏度左右，在超高温运行状态下相关反应堆物理热工设计、安全分析、工程材料研发，以及中间换热器等关键设备研制、热化学制氢工艺中试阶段的设备放大、系统优化以及与高温堆耦合等方面面临一系列工程化挑战，后续亟需保持持续稳定、高强度的研发投入，开展高温堆制氢中试规模示范及以核能制氢为核心的氢、电、热综合供应及其在工业领域的应用研究，继续保持我国高温气冷堆领域的领先技术优势。

　　在技术路线方面，由于高温气冷堆工艺热供应方面具有独特优势，制氢技术应考虑以主要利用高温工艺热、减少甚至消除制氢过程碳排放的路线。为此，近期到中期可重点发展技术相对成熟、可减少碳排放的核热辅助的甲烷重整，进行工程规模示范；开展无碳排放的热化学循环制氢中试示范；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。

　　推进高温气冷堆制氢中试及商业示范的建议

　　核能制氢前景广阔，高温气冷堆制氢有望成为我国核能制氢产业领先世界、实现高水平科技自立自强的一个重要突破口。根据我国技术和产业发展现状，我们认为到2035年可以实现高温气冷堆制氢技术规模化发展，力争到2060年高温气冷堆制氢形成每年生产2000万吨氢的能力，供给我国15%~20%的氢能需求，与核能发电在电力供应中的地位相匹配。为此提出如下建议：

　　一是将高温气冷堆制氢作为我国氢能战略的重要组成部分。建议在研究制定国家氢能战略及发展路线图时，将核能制氢，特别是高温气冷堆制氢作为氢能战略的重要组成部分。

　　二是将高温气冷堆及其制氢技术列入新一批国家科技重大专项继续给予支持。美国、日本等相关国家已经在加快高温气冷堆研发，我国高温气冷堆、热化学循环制氢等技术的研究正在关键阶段，需要长期大量的投入。建议加大研发支持力度，统筹考虑核能发展的技术布局，将高温气冷堆及其制氢技术列入新一批国家科技重大专项，进一步巩固我国在该领域的领先地位。

　　三是加强科普及宣传工作，提升公众对核能及氢能的认知和接受度。核电长期面临公众可接受性和邻避效应问题，民众担忧与地方压力已经成为制约我国核能发展的重要因素之一，也相应影响了核能制氢技术的发展。需要面向公众加强多角度、多渠道的教育和宣传工作。（张平）

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