將核反應(yīng)堆的一部分蒸汽轉(zhuǎn)化為其他用途，有可能提升核能產(chǎn)生的“粉氫”(指利用核能生產(chǎn)的氫氣)的經(jīng)濟(jì)效益。雖然這個(gè)想法最好是通過(guò)高溫氣冷堆進(jìn)行示范，例如中國(guó)正在使用的氣冷堆或美國(guó)先進(jìn)堆供應(yīng)商X-energy開(kāi)發(fā)的堆型，但核能擁躉們?yōu)榱嗽诰薮蟮那鍧崥涫袌?chǎng)中分一杯羹，正在研究將輕水堆(LWRs)的蒸汽用于“粉氫”生產(chǎn)的更高效方法，而不僅僅是簡(jiǎn)單地為電解器供電制氫。
這一新方法的早期嘗試已經(jīng)初現(xiàn)端倪，比如美國(guó)運(yùn)營(yíng)商Xcel Energy在明尼蘇達(dá)州的Prarie Island壓水堆試點(diǎn)項(xiàng)目、法國(guó)電力公司(EDF)在英國(guó)的Sizewell C EPRs項(xiàng)目，以及輕水小型模塊堆(SMR)供應(yīng)商N(yùn)uScale Power和Rolls-Royce SMR進(jìn)行的相關(guān)研究。所有這些公司都希望找到一種高效的新型產(chǎn)氫方法，一旦被證實(shí)可行，將為能源儲(chǔ)存、交通燃料、石油精煉和鋼鐵生產(chǎn)等眾多渴望減碳的行業(yè)帶來(lái)新的機(jī)遇。
根據(jù)國(guó)際能源署(International Energy Agency)在2022年9月發(fā)布的報(bào)告，到2050年，僅僅利用氫燃料就可以將總累積碳排放量減少6%。報(bào)告指出，目前氫氣的生產(chǎn)主要依賴化石燃料技術(shù)，而以低碳方式生產(chǎn)的氫氣在2019-2021年的總產(chǎn)量中僅占不到1%的比例。另外，Wood Mackenzie在2022年6月發(fā)布的氫能報(bào)告中估計(jì)，到2050年，對(duì)低碳?xì)錃獾男枨髮哪壳皫缀鯙榱愕乃皆鲩L(zhǎng)到2.11億噸。
高溫蒸汽有助于提高電解過(guò)程的效率，該過(guò)程從水中直接分離氫氣。高溫氣冷堆能夠產(chǎn)生可直接電解的高溫蒸汽，而輕水堆在較低溫度下運(yùn)行，主要提供熱能以蒸發(fā)獨(dú)立的潔凈除鹽水給水流，并將其送往電解廠房。
商業(yè)案例示范
Xcel公司計(jì)劃于2024年下半年在Prarie Island開(kāi)始進(jìn)行高溫電解試點(diǎn)。此項(xiàng)目獲得了1000萬(wàn)美元現(xiàn)金資助，相比于美國(guó)能源部愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(INL)正在進(jìn)行其他三個(gè)低溫項(xiàng)目，這是唯一一個(gè)使用核能進(jìn)行高溫電解的項(xiàng)目。
Xcel Energy的清潔燃料副總裁Greg Chamberlain告訴Energy Intelligence，Xcel希望“既成為氫氣的生產(chǎn)者，也成為氫氣的消費(fèi)者”，并強(qiáng)調(diào)了氫氣在發(fā)電、天然氣摻混和其他清潔分子方面的優(yōu)勢(shì)。在理想情況下，當(dāng)需求低或可再生能源側(cè)產(chǎn)量高時(shí)，Xcel的工廠將供應(yīng)多余的電力和蒸汽用于氫氣生產(chǎn)。然而，能源板塊用力過(guò)猛的減碳目標(biāo)可能會(huì)限制可再生能源和核能提供多余的電力。不管怎樣，在適當(dāng)?shù)那闆r下，無(wú)論是現(xiàn)有的還是以后的核電生產(chǎn)商仍可在供應(yīng)電力和提供蒸汽產(chǎn)氫間靈活變通。
同時(shí)使用電力和蒸汽的高溫電解比僅使用電力的低溫電解能夠更高效地制氫。高溫電解可以從任何地方獲得電力保障，然而蒸汽必須盡量接近供應(yīng)源。Xcel核能創(chuàng)新工程經(jīng)理Molly Strasser在接受Energy Intelligence的采訪時(shí)表示：“電力易于傳輸，但傳輸蒸汽同時(shí)確保出口溫度符合要求并不簡(jiǎn)單”。
使用核電廠蒸汽需要將電解平臺(tái)布置在廠房附近，但同時(shí)又要保持一定安全距離。在Prarie Island項(xiàng)目中，“熱輸運(yùn)回路”將核供熱從反應(yīng)堆傳輸?shù)郊s1.0公里外的高溫蒸汽電解(HTSE)廠房。除了蒸汽輸運(yùn)的問(wèn)題，供給水也需要滿足電解制氫所要求的高標(biāo)準(zhǔn)，這會(huì)從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面影響現(xiàn)有的輕水堆進(jìn)入氫氣市場(chǎng)。Strasser說(shuō)："我們有討論過(guò)這個(gè)問(wèn)題，但我認(rèn)為還需要一些適當(dāng)?shù)臈l件才能真正解決它"。
面臨的挑戰(zhàn)
Xcel目前仍處于Prarie Island高溫電解試點(diǎn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段，其計(jì)劃從核電廠中分出240千瓦的電力和該電力產(chǎn)生的10%-15%的蒸汽到電解廠房中。然而，Strasser表示：“技術(shù)上來(lái)說(shuō)很簡(jiǎn)單，但實(shí)際上可能并不容易，因?yàn)槲覀冃枰獙煞N不同的技術(shù)結(jié)合起來(lái)。核能發(fā)電在日常運(yùn)營(yíng)中已經(jīng)表現(xiàn)得很好，所以往核電廠中再增加一個(gè)產(chǎn)氫裝置是一項(xiàng)全新的、獨(dú)特的應(yīng)用。我們?cè)趹?yīng)對(duì)這項(xiàng)新技術(shù)方面還有很多需要學(xué)習(xí)的地方。”
例如，Strasser指出，設(shè)備供應(yīng)商必須熟悉核電運(yùn)營(yíng)所需遵守的規(guī)章制度和標(biāo)準(zhǔn)。盡管已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，打通這一新興電解裝置的供應(yīng)鏈還是當(dāng)前的主要挑戰(zhàn)。“一年前電解裝置的制造被視為瓶頸問(wèn)題，”Wood Mackenzie在一份2月份的報(bào)告中表示。“但隨著2022年創(chuàng)紀(jì)錄的45千瓦電解裝置問(wèn)世，情況已經(jīng)發(fā)生改變”。盡管如此，目前仍存在許多難題，包括高揮發(fā)性氫氣的運(yùn)輸。為此，Xcel和INL合議建立一個(gè)直達(dá)終端用戶的輸氫管網(wǎng)。
2021年INL與Xcel合作完成的報(bào)告指出，盡管輕水堆產(chǎn)出最高達(dá)300°C的熱量一般視為低溫?zé)?，但該熱量已?jīng)足夠克服蒸發(fā)大量水所需的相變潛熱。“蒸發(fā)完成后，還可以使用回?zé)嵫b置和頂部加熱器來(lái)提供升溫顯熱，使蒸汽到達(dá)接近700°C-800°C的高溫蒸汽電解工作溫度。”
新興市場(chǎng)機(jī)遇
其他核能供應(yīng)商和開(kāi)發(fā)商已經(jīng)計(jì)劃在新建的小型模塊堆甚至大型堆中為產(chǎn)氫做出轉(zhuǎn)移蒸汽的準(zhǔn)備。例如，英國(guó)Sizewell C項(xiàng)目中，EDF在EPRs這種大型堆中增加了一個(gè)閥門，以方便將反應(yīng)堆產(chǎn)生的部分熱量移作他用。據(jù)一名管理人員在11月份解釋，“從Sizewell C中拿出400兆瓦的熱量對(duì)電力生產(chǎn)幾乎沒(méi)有影響，也符合安全規(guī)范，熱量的成本十分低廉。”
輕水小型模塊堆(SMRs)可能采用類似于Prarie Island的方法。NuScale Power在5月31日指出，他們進(jìn)行的研究顯示，單個(gè)NuScale SMR模塊產(chǎn)生的蒸汽可以用于各種高溫工業(yè)過(guò)程，包括氫氣生產(chǎn)。NuScale發(fā)言人Diane Hughes告訴Energy Intelligence，不需要對(duì)現(xiàn)有模塊進(jìn)行任何改動(dòng)，蒸汽可以通過(guò)“先進(jìn)固體氧化物電解池”利用，并配有回?zé)嵫b置和位于“核電站廠址邊界外”的高溫電解裝置。
本周，Rolls-Royce SMR公司與投資公司住友商事聯(lián)合公布了一項(xiàng)可行性研究的結(jié)果。該研究分析了Rolls-Royce SMR堆型熱電聯(lián)合驅(qū)動(dòng)電解器生產(chǎn)低碳?xì)錃獾目尚行?，并得出結(jié)論稱，相比其他能源他們的小型堆在生產(chǎn)低碳?xì)錃夥矫婢哂酗@著優(yōu)勢(shì)。住友商事“將利用該報(bào)告開(kāi)展場(chǎng)址適用性工作，并逐漸加深其對(duì)基于Rolls-Royce SMR堆型生產(chǎn)清潔氫氣潛力的理解。”(完)
