近期，美國(guó)能源部（DOE）宣布投入2000萬(wàn)美元，支持亞利桑那州的核能制氫示范項(xiàng)目，使清潔氫能成為核電站除發(fā)電以外的重要經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品，助力在未來(lái)10年之內(nèi)實(shí)現(xiàn)DOE“氫能攻關(guān)”科技化的制氫成本目標(biāo)（1美元/千克）。

業(yè)界普遍認(rèn)為，核能制氫才是大規(guī)模制氫方式的首選。然而這種制氫方式似乎進(jìn)展的十分緩慢。

核能是低碳、高效的一次能源，其使用的鈾資源可循環(huán)再利用。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，人們已經(jīng)掌握了日益先進(jìn)、不斷成熟的核能技術(shù)，成為當(dāng)前人類大規(guī)模工業(yè)制氫的最佳選擇。核能制氫是將核反應(yīng)堆與先進(jìn)制氫工藝耦合，進(jìn)行氫的大規(guī)模生產(chǎn)。核能制氫具有不產(chǎn)生溫室氣體、以水為原料、高效率、大規(guī)模等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)氫氣大規(guī)模供應(yīng)的重要解決方案。

核能制氫原理

核能制氫就是利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱作為制氫的能源，通過(guò)選擇合適的工藝，實(shí)現(xiàn)高效、大規(guī)模的制氫；同時(shí)減少甚至消除溫室氣體的排放。核能制氫原理示意如圖所示。


核能制氫原理示意圖

核能到氫能的轉(zhuǎn)化途徑較多，包括以水為原料經(jīng)電解、熱化學(xué)循環(huán)、高溫蒸汽電解制氫，以硫化氫為原料裂解制氫，以天然氣、煤、生物質(zhì)為原料的熱解制氫等。以水原料時(shí)，整個(gè)制氫工藝過(guò)程都不產(chǎn)生CO?，基本可以消除溫室氣體排放；以其他原料制氫時(shí)只能減少碳排放。另外，利用核電電解水只是核能發(fā)電與傳統(tǒng)電解的簡(jiǎn)單聯(lián)合，仍屬于核能發(fā)電領(lǐng)域，一般不視為真正意義上的核能制氫技術(shù)。因此，以水為原料、全部或部分利用核熱的熱化學(xué)循環(huán)和高溫蒸汽電解被認(rèn)為是代表未來(lái)發(fā)展方向的核能制氫技術(shù)。


核能到氫能的轉(zhuǎn)化途徑

我國(guó)的核能制氫項(xiàng)目起步于“十一五”，研究了當(dāng)初的主流工藝熱化學(xué)循環(huán)和高溫蒸汽電解制氫，并進(jìn)行了初步運(yùn)行試驗(yàn)。在“十二五”期間，設(shè)立了國(guó)家科技重大專項(xiàng)“先進(jìn)壓水堆與高溫氣冷堆核電站”，目的是掌握碘硫循環(huán)和高溫蒸汽電解的工藝關(guān)鍵技術(shù)。

清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院（INET）在國(guó)家“863”計(jì)劃支持下，于2001年建成了10MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（HTR-10），2003年達(dá)到滿功率運(yùn)行。

2019年1月15日，中核集團(tuán)、清華大學(xué)、中國(guó)寶武三方簽訂《核能-制氫-冶金耦合技術(shù)戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，三方將資源共享，共同打造世界領(lǐng)先的核冶金產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。目前中核集團(tuán)的依托《框架協(xié)議》開(kāi)展核能制氫冶金技術(shù)研發(fā)，對(duì)國(guó)內(nèi)外氫能產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)研，分析氫能產(chǎn)業(yè)宏觀布局、技術(shù)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)成本等因素后明確氫能產(chǎn)業(yè)鏈的主要切入點(diǎn)，完成產(chǎn)業(yè)布局頂層設(shè)計(jì)。中核集團(tuán)遠(yuǎn)期的目標(biāo)是在2030年后，利用已成熟的核能制氫和棄電制氫為產(chǎn)業(yè)源頭，開(kāi)拓儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、氫燃料電池中下游產(chǎn)業(yè)。

今年9月，高溫氣冷堆碳中和制氫產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟在清華大學(xué)成立。該聯(lián)盟的成立，其目的在于推動(dòng)高溫氣冷堆制氫技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，攻克關(guān)鍵核心技術(shù)問(wèn)題，打造世界一流產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合的新型協(xié)同攻關(guān)聯(lián)合體。

據(jù)了解，該聯(lián)盟作為一個(gè)科技、產(chǎn)業(yè)、金融相協(xié)同的創(chuàng)新聯(lián)合體，由清華大學(xué)、中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)有限公司、中國(guó)華能集團(tuán)有限公司、中國(guó)寶武鋼鐵集團(tuán)有限公司、中國(guó)中信集團(tuán)有限公司五方聯(lián)合發(fā)起成立。

聯(lián)盟以我國(guó)先進(jìn)的高溫氣冷堆技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)超高溫氣冷堆制氫的研發(fā)，開(kāi)發(fā)氫冶煉、氫化工等應(yīng)用技術(shù)，將高溫氣冷堆技術(shù)與鋼鐵冶煉、化工等具體應(yīng)用場(chǎng)景相結(jié)合，打造工業(yè)規(guī)模示范項(xiàng)目，并在國(guó)內(nèi)外開(kāi)展產(chǎn)業(yè)化推廣，努力實(shí)現(xiàn)相關(guān)行業(yè)的二氧化碳極低排放。

目前國(guó)際上各大發(fā)達(dá)國(guó)家都在積極的進(jìn)行核能制氫項(xiàng)目的研究與開(kāi)展，力圖早日邁入氫能經(jīng)濟(jì)社會(huì)。國(guó)正在積極推動(dòng)核能制氫技術(shù)的發(fā)展，并已進(jìn)入商業(yè)示范階段。我國(guó)在國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電站”支持下，高溫堆制氫關(guān)鍵技術(shù)研究已取得良好進(jìn)展，處于世界領(lǐng)先地位。在發(fā)展核氫戰(zhàn)略中，需要政府加大政策支持和投入保障力度，盡快落實(shí)建設(shè)60萬(wàn)千瓦高溫氣冷堆核能工程；大力發(fā)展和引進(jìn)核能制氫人才和研發(fā)企業(yè)，提高專業(yè)研發(fā)能力，擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)范圍。