在今年全國兩會上，全國政協(xié)委員、中核集團(tuán)科技質(zhì)量與信息化部主任錢天林在“關(guān)于支持核能制氫與綠色冶金列入國家科技重大專項(xiàng)的建議”中表示，當(dāng)前發(fā)達(dá)國家已經(jīng)在氫能生產(chǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域加快布局，我國需要積極配套政策，以贏得未來氫能時代國際競爭的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。針對核能制氫可行性和如何發(fā)展等，提出了看法和建議。
核能制氫有望成為未來制氫首選
1月15日，中核集團(tuán)、中國寶武鋼鐵集團(tuán)、清華大學(xué)三方簽訂了有關(guān)合作框架協(xié)議，共同致力于打造世界領(lǐng)先的核冶金產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。一個新的合作領(lǐng)域，由此誕生。
此處的核冶金就是利用核能制造出氫氣，再用氫氣冶金。這讓很多人不禁好奇，核能制氫到底有什么魅力，能夠促成此次強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合。
想要回答這個問題，首先要搞清楚，為什么要制氫?其中一個重要原因，是自然界中沒有純氫，需要借助其他一次能源生產(chǎn)，這也是“制氫”一詞的由來。
簡單來說，氫是清潔能源，氫能的用途也非常廣泛，在氫燃料電池交通工具、家用燃料電池、煉油和焊接及金屬加工等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。但由于氫是二次能源，需要利用一次能源來生產(chǎn)。以可持續(xù)的方式(原料來源豐富、無溫室氣體排放)實(shí)現(xiàn)氫的大規(guī)模生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)氫廣泛利用的前提。
傳統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用制氫方法主要是利用化石燃料制備(占96%)和水電解(占4%)，效率不高或帶來大量溫室氣體排放。這與當(dāng)今社會低碳、清潔的能源供應(yīng)要求是不相匹配的。隨著技術(shù)和工藝的不斷發(fā)展，核能制氫技術(shù)有望成為未來大規(guī)模制氫的重要技術(shù)選擇。
“目前世界上工業(yè)應(yīng)用的制氫方法以化石燃料重整為主，難以滿足未來氫氣制備高效、大規(guī)模、無碳排放的要求。而核能作為清潔的一次能源，核能制氫已經(jīng)發(fā)展成為一種清潔、安全、成熟的技術(shù)。核能制氫就是將核反應(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)，是未來氫氣大規(guī)模供應(yīng)的重要解決方案。”錢天林表示。
清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院副總工李富表達(dá)了相似的觀點(diǎn)，他說：“低碳的氫，結(jié)合燃料電池技術(shù)和加氫的高品質(zhì)生物質(zhì)燃料生產(chǎn)，幾乎是當(dāng)前化石液體燃料的唯一替代品。核能制氫技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氫，同時碳排放很少。”
我國核能制氫研究取得進(jìn)展
據(jù)了解，世界上的許多國家，如美國、日本、法國、加拿大都在開展核能制氫技術(shù)的研發(fā)工作。
在提到我國的核能制氫發(fā)展時，錢天林指出：“高溫氣冷堆是我國自主研發(fā)的具有固有安全性的第四代先進(jìn)核能技術(shù)，它具有安全性好、出口溫度高等優(yōu)勢，其高溫高安全性的特點(diǎn)與適合大規(guī)模制氫的熱化學(xué)循環(huán)制氫技術(shù)十分匹配。”
我國正在發(fā)展核電，在開展核電站建設(shè)的同時，也非常重視核氫技術(shù)的發(fā)展。高溫氣冷堆能夠提供高溫工藝熱，是目前最理想的高溫電解制氫的核反應(yīng)堆。在800℃下，高溫電解的理論效率高于50%，溫度升高會使效率進(jìn)一步提高。在此種方案下，高溫氣冷堆(出口溫度700℃～950℃)和超高溫氣冷堆(出口溫度950℃以上)是目前最理想的高溫電解制氫的核反應(yīng)堆。
“核能制氫在國外已有先例，主要是利用高溫氣冷堆的高溫，其優(yōu)點(diǎn)是直接用水分解產(chǎn)生氫氣，不會有溫室氣體產(chǎn)生。”中核工程咨詢有限公司劉佳鑫告訴本報記者。
據(jù)悉，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院(INET)在國家“863”計劃支持下，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。對核能制氫技術(shù)的研究也列為專項(xiàng)的研發(fā)項(xiàng)目，目前正在開展第三階段的研究工作。2012年我國已將高溫氣冷堆示范電站的建設(shè)列入國家重大專項(xiàng)。
李富告訴記者：“目前INET已建立實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的制氫裝置，正在開展工業(yè)規(guī)模的制氫技術(shù)的研究，也對氫燃料電池進(jìn)行了長時間的研究。當(dāng)前研究重點(diǎn)還包括制氫裝置與高溫氣冷堆的耦合技術(shù)，并與煉鋼等其他工業(yè)界開展合作研究。”
面臨多種制約 發(fā)展空間仍大
在談及目前核能制氫與氫能冶金的可行性時，錢天林表示，目前這一項(xiàng)目已具備基礎(chǔ)條件：“我國已建成并運(yùn)行10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆，20萬千瓦高溫氣冷堆商業(yè)示范電站預(yù)計將于2020年建成投產(chǎn)，在高溫氣冷堆技術(shù)領(lǐng)域已居世界領(lǐng)先地位?？傮w來看，當(dāng)前技術(shù)已完成了原理上的可行性研究和驗(yàn)證，總體上處于實(shí)驗(yàn)室或向中試前期過渡的階段。下一階段要針對工程材料、關(guān)鍵設(shè)備等涉及工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)研究。”
針對核能制氫，也有專家給出了不同看法。清華大學(xué)工程物理系副研究員俞冀陽在接受本報記者采訪時表示，“我認(rèn)為需要等常規(guī)工業(yè)制氫市場打開后，核能才能有所作為，純粹靠核能去推動制氫難度較大，用核能發(fā)電，然后用電力通過電解水制氫反而更劃算。天然氣作為民用能源，在儲存、運(yùn)輸、使用方面都很成熟。氫氣和天然氣類似，若氫氣產(chǎn)量足夠，修建類似天然氣管道那樣的基礎(chǔ)設(shè)施輸送氫氣，也具有可行性。”談及核能制氫的制約條件時，俞冀陽指出，“瓶頸其實(shí)就是經(jīng)濟(jì)性和市場化，以及相應(yīng)的配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。”
安全性也是制約核能制氫的一大因素之一。劉佳鑫認(rèn)為，“眾所周知，常溫常壓下，氫氣是一種極易燃燒，無色透明、無臭無味且難溶于水的氣體。氫氣是世界上已知的密度最小的氣體，氫氣的密度只有空氣的1/14，且極易燃燒。如何保證與核電偶聯(lián)的設(shè)備在氫運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)過程中的安全，是需要突破的重點(diǎn)和難點(diǎn)。”
“目前來看，核能制氫還需要加大科研、高溫材料等方面的政策支持力度。監(jiān)管這方面，目前高溫氣冷堆已經(jīng)在做了。”業(yè)內(nèi)相關(guān)專家告訴記者。
除此之外，錢天林認(rèn)為氫能冶金也將成為冶金行業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要選擇。他認(rèn)為，大量消耗燃煤的傳統(tǒng)冶金工藝路線已面臨發(fā)展瓶頸，甚至已觸及天花板。長遠(yuǎn)來看，整個冶金行業(yè)要適應(yīng)高質(zhì)量發(fā)展的要求，只能發(fā)展低碳冶煉技術(shù)，必須以新型“綠色”還原劑替代煤炭。從國際視野來看，氫能無疑是最佳選擇之一。
鑒于核能與氫能作為清潔能源在我國未來能源體系中的重要作用和地位，以及高溫氣冷堆制氫和氫冶金的技術(shù)優(yōu)勢和良好前景，錢天林給出了自己的建言：“建議將高溫氣冷堆核能制氫以及氫能冶金列入國家科技重大專項(xiàng)，加大政策支持和投入保障力度;并且盡快落實(shí)建設(shè)60萬千瓦高溫氣冷堆核能工程。”
