高溫氣冷堆耦合碘硫循環制氫的經濟性研究

倪 航，曲新鶴,2，彭 威,2,*，趙 鋼,2，張 平,2

(1.清華大學 核能與新能源技術研究院，先進核能技術協同創新中心，先進反應堆工程與安全教育部重點實驗室，北京 100084；2.清華大學-張家港氫能與先進鋰電技術聯合研究中心，北京 100084)

目前全球能源需求不斷增長，溫室效應和環境污染等問題日益加劇，“氫經濟”即能源以氫為媒介儲存、運輸和轉化的概念受到了廣泛關注。氫是一種熱值高、清潔綠色的能源載體，氫能的快速發展和廣泛應用不僅可助推我國實現“碳達峰、碳中和”的目標，而且有助于在全球范圍內緩解溫室效應[1-2]。

氫是二次能源，需要一次能源來制取。目前通過化石燃料制取的氫氣占全球氫氣產量的96%，剩下4%的氫通過電解水制得[3]。化石燃料制取氫氣不僅會消耗大量化石能源，而且還會排放溫室氣體和污染物質，電解水制氫效率較低且成本高，因此尋求清潔、高效、經濟可行的大規模制氫方法是滿足當前和未來氫氣供應的迫切需求，而核能制氫是滿足這一需求的較好選擇。

超高溫氣冷堆是目前可提供最高溫度供熱的反應堆堆型，反應堆出口溫度可達950 ℃甚至更高，在工藝熱應用上具有廣闊前景，適合用于核能制氫[4-5]。熱化學分解水制氫是核能制氫領域研究較多的制氫方法，它在不同溫度下通過幾個不同的反應階段來完成將水分解為氫氣和氧氣的總反應。整個反應過程構成了閉路循環，每一步的反應溫度與水的直接分解相比都明顯降低。

碘硫循環是一種重要的熱化學分解水制氫方法，反應的最高溫度為800～900 ℃，與超高溫氣冷堆的反應堆出口溫度較為匹配，因此碘硫循環適合與超高溫氣冷堆耦合，可充分利用超高溫氣冷堆的熱量完成制氫過程[6]。

日本原子能機構(JAEA)建成了碘硫循環制氫的原理驗證性臺架(1 NL/h)和實驗室規模臺架(設計產氫量50 NL/h，實際30 NL/h)，并進行了運行測試實驗[7]。JAEA針對熱功率600 MW、出口溫度950 ℃的高溫氣冷堆進行了GTHTR300C氫電聯產設計研究，設計產氫量為1.9 t/h[8]。JAEA還基于高溫工程實驗堆(HTTR)進行了HTTR-GT/H2的氫電聯產設計和系統性能評估[9-10]。韓國從2004年起開始執行核能制氫開發與示范(NHDD)計劃，完成了高溫氣冷堆耦合碘硫循環制氫的概念設計，建立了產氫量50 NL/h的回路，并進行了一些實驗研究[11]。

清華大學核能與新能源技術研究院(INET)對碘硫循環制氫中的Bunsen反應相分離特性、硫酸與氫碘酸的純化精餾工藝、分解反應催化劑特性等內容進行了研究，建成了原理驗證性臺架IS-10和實驗室規模臺架IS-100，并進行了連續運行測試實驗[12]。INET還對高溫氣冷堆耦合碘硫循環的氫電聯產系統進行了能量梯級利用的設計研究，高溫堆的高品位熱用于制氫，低品位熱進行發電，制氫回路所需的電由發電回路提供，多余的電輸出給電網，發電回路還可抽汽向制氫回路供熱[13]。目前，INET正在進行高溫氣冷堆制氫的關鍵設備研究，建立模擬高溫氣冷堆供給高溫工藝熱的氦氣加熱實驗回路并進行實驗驗證。后續還會進行關鍵設備放大技術研發和中試工程驗證[5]。

目前針對高溫氣冷堆耦合碘硫循環制氫的技術性研究較多，而經濟性分析較少，經濟性也是制氫工藝關注的重要方面，從經濟性角度對高溫氣冷堆耦合碘硫循環制氫進行分析對進一步的技術研究和工程建設都具有重要指導意義。

HEEP是IAEA開發的一款專用于核能制氫的經濟性分析軟件，受到眾多研究學者的關注與青睞。Ozcan等[14]利用HEEP軟件分析了混合硫熱化學循環和高溫蒸汽電解兩種制氫方式的經濟性，結果表明，與高溫蒸汽電解的方式相比，混合硫熱化學循環的氫氣平準化成本降低了約20%。El-Emam等[15-16]對HEEP提供的5個參考案例和幾個其他案例進行了經濟性分析，并將HEEP的計算結果與G4-ECONS、H2A等其他核能制氫的經濟分析軟件計算結果進行了對比，結果具有較好的一致性。李智勇等[17]運用HEEP對不同工藝與速率的核能制氫方案進行了經濟性研究，結果表明，與壓水堆加常規電解的制氫方式相比，采用高溫氣冷堆加高溫蒸汽電解或碘硫循環具有更好的經濟性。

本文擬基于HEEP軟件對高溫氣冷堆耦合碘硫循環制氫工藝進行經濟性研究，分析制氫廠能量供應方式、碘硫循環制氫效率等技術參數和時間經濟參數的影響，并比較幾種制氫方式的氫氣平準化成本，為提升高溫氣冷堆耦合碘硫循環制氫的經濟性提供參考和借鑒。

1 HEEP軟件

1.1 特點與功能

HEEP將核能制氫全過程分為4個環節：核電廠、制氫廠、儲氫和運輸氫，輸入參數集可分為3類：技術參數、成本參數、時間和經濟參數[18]。技術參數主要包括核電廠參數、制氫工藝和速率、儲氫和運輸氫的方式等，成本參數包括資本成本、燃料成本、運行維護成本和退役成本等，時間和經濟參數包括建設和運行時間、貼現率、通貨膨脹率、股權負債比、借款利率、折舊年限等。

HEEP的計算范圍非常廣泛，可計算大部分的三代和四代反應堆，如壓水堆、高溫氣冷堆、超臨界水堆等，制氫工藝方面可考慮甲烷蒸汽重整制氫、常規電解、高溫蒸汽電解、碘硫循環制氫等多種方式[19]。HEEP軟件中，核電廠和制氫廠可位于同一地點，也可相隔一定距離。核電廠可為制氫廠單獨提供熱或電，也可熱電聯供。制氫廠還可從外部電網獲取電能。

1.2 計算原理

HEEP軟件進行經濟計算的原理是基于現金流量貼現法。核電廠的運行壽命一般較長，通常為40年左右，而收益和支出在不同的時間點發生，因此有必要考慮資金的時間價值，給定貼現率，將不同時期發生的收益和支出相對于指定參考年進行現金流量的貼現。從現在起第i年發生的收入或支出終值FV與現值PV之間的計算關系如下，其中d代表貼現率。

PV=FV/(1+d)i

(1)

HEEP軟件在計算時采用氫氣平準化成本(LCHP)的概念。平準化成本是一個統一不變的價格，在核電廠和制氫廠運行的整個壽期內，以此價格出售氫氣，獲得的收益現值與所有支出的現值相等。當出售氫氣的價格高于平準化成本時，則可獲取利潤。因此計算出的氫氣平準化成本越低，盈利空間越大，該方案的經濟性越好。

從起始時間tstart到終止時間tend，任意現金流量CFi相對于任意參考時間t0的現值PV計算如下：

(2)

支出方面要計算資本成本、運行維護成本、退役成本等所有支出的現值之和：

PV[Expenditure]=PV[CFi]

(3)

按照平準化成本出售氫氣的收入現值計算如下：

LCHP×PV[H2Production]

(4)

其中，PV[H2Production]為氫氣年產量的現值之和。當收入現值與支出現值相等時滿足以下關系：

PV[Expenditure]=PV[Revenue]

(5)

PV[CFi]=LCHP×PV[H2Production]

(6)

LCHP=PV[CFi]/PV[H2Production]

(7)

當將支出現值按核電廠、制氫廠、儲氫和運輸氫4個環節劃分時，氫氣平準化成本可表示為：

LCHP=(ENPP+EH2GP+EH2S+EH2T)/

PV[H2Production]

(8)

其中：ENPP、EH2GP、EH2S、EH2T分別為核電廠、制氫廠、儲氫、運輸氫在壽期的支出現值之和。

核電廠如果只提供熱能，當產生凈熱能為Eth、總支出為Cth時，單位熱能成本按下式計算：

CkWth=Eth/Cth

(9)

當核電廠既提供熱能也提供電能時，若總支出為C2、產生熱能為E2、產生電能為We, 則單位電能成本(Cele)按下式計算：

Cele=(C2-E2×CkWth)/We

(10)

采用HEEP計算出核電廠的單位熱能成本與單位電能成本后，基于制氫廠的耗熱或耗電量計算核電廠提供給制氫廠的輸入能量成本。HEEP輸入的經濟參數還有稅率、借款利率、股權負債比等，Antony等[20]介紹了含有這些經濟參數的計算公式。

2 高溫氣冷堆耦合碘硫循環制氫的經濟性分析

HEEP內置有壓水堆加常規電解、高溫氣冷堆加高溫蒸汽電解、高溫氣冷堆加碘硫循環制氫的參考案例，El-Emam等[15-16]和李志勇等[17]都對參考案例的結果進行了對比驗證，證實了HEEP計算結果的可靠性。本文以HEEP內置的高溫氣冷堆加碘硫循環制氫的參考案例為基礎，通過改變輸入參數分析相關因素的影響，核電廠與制氫廠位于同一地點，暫不考慮氫氣的儲存和運輸環節。

2.1 制氫廠能量供應方式的影響

案例1為HEEP的高溫氣冷堆耦合碘硫循環制氫的參考案例，核電廠采用2×630.7 MWth的高溫氣冷堆，制氫廠氫氣年產量為1.26×108kg，即制氫速率為4 kg/s。核電廠兩臺機組只產生熱量且全部提供給制氫廠，制氫廠需要的電由外部電網提供，因此需考慮外部能源使用成本。

本文首先研究制氫廠能量供應方式的影響，設置了案例2，增加了核電廠機組數量，核電廠既提供熱能也提供電能，在滿足制氫廠能量供應的同時實現氫電聯產。案例2中核電廠的發電熱效率參照目前高溫氣冷堆可達到的熱效率設置，為42%[21]。

案例1、2的核電廠詳細參數列于表1，制氫廠參數列于表2，案例計算時采用如表3所列的HEEP默認的時間和經濟參數。案例1中核電廠不發電，發電基礎設施占資本成本的百分比為0。案例2中假設核電廠每個機組產生的熱能與電能相同。考慮到核電廠機組數增加，且需要發電，因此需要更多的核電設備，所以假設每臺機組的資本成本增加25%，發電基礎設施占資本成本百分比為25%[22]。另外假設燃料消耗成本、運行維護成本占比、退役成本占比不變。

表1 不同案例的核電廠詳細輸入參數Table 1 Detailed input parameters for different cases of nuclear power plant

表2 不同案例的制氫廠詳細輸入參數Table 2 Detailed input parameters for different cases of hydrogen production plant

表3 時間和經濟參數Table 3 Chronological and economic parameters

以案例1為比較基準，設案例1的相對氫氣平準化成本為1，案例2的相對氫氣平準化成本和各案例中制氫廠與核電廠成本比重如圖1所示。采用高溫氣冷堆氫電聯產，核電廠為制氫廠熱電聯供時，削減了制氫廠的外部能源使用成本，制氫廠的成本下降，總的氫氣平準化成本降低。案例2核電廠熱效率為42%時，核電廠熱電聯供與核電廠只供熱相比，氫氣平準化成本降低5.0%。

圖1 各案例的相對氫氣平準化成本Fig.1 Relative levelized cost of hydrogen production in each case

2.2 碘硫循環制氫效率的影響

碘硫循環制氫的效率通常定義為：

(11)

案例2的氫氣生產速率為4 kg/s，氫氣熱值為1.43×108J/kg，制氫耗熱量為1 261.4 MWth，耗電量為42.8 MWe，核電廠發電熱效率為42%，參考Yan等[23]對高溫氣冷堆耦合碘硫循環的制氫煉鋼項目進行的研究分析，案例2計算的制氫效率為42.0%。JAEA提出的氫電聯產GTHTR300C的設計中，碘硫循環制氫效率為45.5%[8]。張平等[5]對我國高溫堆制氫發展進行戰略研究時指出，碘硫循環預期制氫效率可達50%以上。

為進一步分析制氫效率對經濟性的影響，本文在案例2的基礎上，假定可通過優化碘硫循環制氫的熱交換網絡降低制氫工藝的耗熱量，提高制氫效率，因此設置了制氫耗熱量更低的案例3和4，同時在案例3和4中根據制氫廠的耗熱量略調整核電廠給制氫廠的供熱和核電廠電功率。案例3和4的核電廠熱效率為42%，制氫速率為4 kg/s，與案例2相同，其他參數也與案例2保持一致，具體的核電廠和制氫廠能量參數和計算的制氫效率列于表4，由表4可見，案例3和4的制氫效率分別為45.5%和50.4%。

表4 不同案例的核電廠和制氫廠的能量參數和制氫效率Table 4 Energy-related parameter of nuclear power plant and hydrogen production plant and hydrogen production efficiencies in different cases

以案例2為比較基準，設案例2的相對氫氣平準化成本為1，案例3和4的相對氫氣平準化成本與各案例核電廠與制氫廠成本比重如圖2所示。當制氫廠耗熱量減少，碘硫循環制氫效率提升時，核電廠可減少向制氫廠的供熱，核電廠輸入給制氫廠的能量成本降低，總的氫氣平準化成本顯著降低。當碘硫循環制氫效率由42.0%提升到50.4%時，氫氣平準化成本降低12.0%，因此有必要深入研究碘硫循環制氫工藝流程，設計和優化熱交換網絡，以提高制氫效率和降低氫氣的平準化成本。

圖2 不同制氫效率下的相對氫氣平準化成本Fig.2 Relative levelized cost of hydrogen production under different hydrogen production efficiencies

2.3 時間和經濟參數的影響

1) 運行時間的影響

核電廠運行時間也是核能制氫經濟性研究的重要參數，案例2中核電廠運行時間為40年，以案例2為基準，相對氫氣平準化成本為1，研究核電廠運行時間對經濟性的影響，計算結果如圖3所示。核電廠運行時間越長，相對氫氣平準化成本越低，但在核電廠較長運行時間水平下，延長核電廠的運行時間，氫氣平準化成本降低的幅度會顯著減小。

圖3 不同核電廠運行時間下的相對氫氣平準化成本Fig.3 Relative levelized cost of hydrogen production under different operating time of nuclear power plant

2) 資本成本的影響

核電廠和制氫廠的資本成本在核能制氫項目的支出中占較大比重，對核能制氫的經濟性有較大影響。本文以案例2為基準，對核電廠和制氫廠的資本成本進行靈敏度分析，計算結果如圖4所示。氫氣平準化成本隨核電廠和制氫廠資本成本的增加均基本呈線性上升的趨勢，核電廠資本成本對氫氣平準化成本的影響更大，因此降低核電廠和制氫廠的資本成本對于提高經濟性具有重要作用。

圖4 核電廠和制氫廠資本成本的靈敏度分析Fig.4 Sensitivity analysis of capital cost for nuclear power plant and hydrogen production plant

3) 貼現率和借款利率的影響

貼現率和借款利率是兩個重要的經濟參數，以案例2為基準計算不同貼現率和借款利率水平下的相對氫氣平準化成本，結果分別如圖5、6所示，氫氣平準化成本隨貼現率和借款利率的增加而上升。貼現率較低時，氫氣平準化成本上升較緩，而當貼現率較大時，氫氣平準化成本隨貼現率增加而較快上升。氫氣平準化成本隨借款利率的增加基本呈線性上升的趨勢。當貼現率和借款利率在較低水平時，高溫氣冷堆耦合碘硫循環制氫項目的經濟性更好。

圖5 貼現率對相對氫氣平準化成本的影響Fig.5 Relative levelized cost of hydrogen production vs. discount rate

圖6 借款利率對相對氫氣平準化成本的影響Fig.6 Relative levelized cost of hydrogen production vs. borrowing interest

3 不同制氫工藝的經濟性比較

不同制氫工藝之間的經濟性比較也是受到廣泛關注的問題，對未來制氫工藝的發展走向具有重要影響。本文主要針對高溫氣冷堆耦合碘硫循環的制氫方式進行經濟性分析，在本文計算的不同案例中，案例1的經濟性較差，案例4的經濟性較好。Dodds[24]在廣泛調研的基礎上綜合考慮各種制氫方式的資本成本、原料價格、能量轉化率、CO2排放稅的征收等因素，計算了甲烷蒸汽重整制氫、煤氣化制氫、生物質能制氫、電解水制氫等制氫工藝的氫氣平準化成本。將本文中案例1與4的高溫氣冷堆耦合碘硫循環制氫的氫氣平準化成本與Dodds[24]計算的其他制氫工藝的氫氣平準化成本進行比較，以經濟性較好的案例4為比較基準，設其相對氫氣平準化成本為1，比較結果示于圖7。

圖7 各種制氫工藝的相對氫氣平準化成本對比Fig.7 Comparison of relative levelized cost of hydrogen production of various hydrogen production processes

由圖7可見，不征收CO2稅時煤氣化和甲烷蒸汽重整的相對氫氣平準化成本較高溫氣冷堆耦合碘硫循環低，生物質能制氫和水電解制氫的相對氫氣平準化成本高于高溫氣冷堆耦合碘硫循環。Dodds[24]的研究表明，到2050年CO2稅可能會增加到300 $/t，以充分促使經濟合作與發展組織(OECD)經濟體減少碳排放，實現減排目標。在征收300 $/t CO2稅的情況下，煤氣化和甲烷蒸汽重整制氫的氫氣平準化成本會顯著上升，而高溫氣冷堆耦合碘硫循環、水電解制氫不排放CO2，生物質能制氫過程中釋放的CO2通過光合作用被吸收，可認為是碳中和的，因此這3種制氫工藝的相對氫氣平準化成本不受CO2稅的影響。征收300 $/t的CO2稅時，高溫氣冷堆耦合碘硫循環制氫的相對氫氣平準化成本最低，是最經濟的制氫工藝。當前在全球溫室效應不斷加劇的背景下，各國對能量利用過程中的碳排放量日益重視，我國已啟動碳交易市場，因此綜合來看，發展高溫氣冷堆耦合碘硫循環制氫工藝是更清潔且更具經濟前景的選擇。

4 結論

本文運用HEEP軟件對高溫氣冷堆耦合碘硫循環制氫工藝的經濟性進行分析，得到以下結論。

1) 核電廠為制氫廠熱電聯供與核電廠只供熱而由外部電網供電相比，可削減制氫廠的外部能源成本，總的氫氣平準化成本也因此降低。核電廠熱效率為42%時，氫氣平準化成本降低5.0%。

2) 如果能優化碘硫循環制氫工藝的熱交換網絡，降低制氫廠的耗熱量，提升制氫效率，則可減少核電廠輸入給制氫廠的能量成本，從而顯著降低總的氫氣平準化成本。當碘硫循環制氫效率由42.0%提升至50.4%時，氫氣平準化成本降低12.0%。

3) 核電廠運行時間越長，氫氣平準化成本越低，但在較長核電廠運行時間水平下，延長核電廠的運行時間，氫氣平準化成本降低的幅度會顯著減小。氫氣平準化成本隨核電廠和制氫廠的資本成本增加基本呈線性上升趨勢，核電廠的資本成本影響會更大，因此降低核電廠和制氫廠的資本成本對于提高經濟性有重要作用。

4) 氫氣平準化成本隨貼現率增加而上升，貼現率較低時，氫氣平準化成本上升較緩，貼現率較高時，氫氣平準化成本隨貼現率的增加而迅速上升。氫氣平準化成本隨借款利率的增加呈線性上升趨勢。當貼現率和借款利率在較低水平時，高溫氣冷堆耦合碘硫循環制氫的經濟性更好。

5) 不同制氫工藝下的氫氣平準化成本對比結果顯示，當不征收CO2稅時，高溫氣冷堆耦合碘硫循環的氫氣平準化成本僅次于煤氣化和甲烷蒸汽重整制氫，如果以300 $/t的價格征收CO2稅，則高溫氣冷堆耦合碘硫循環的氫氣平準化成本最低。綜合來看，高溫氣冷堆耦合碘硫循環制氫是較清潔且具有經濟前景的方式。

需要說明的是，成本參數、時間參數和經濟參數是影響經濟性的重要數據，其與氫氣平準化成本的最終計算結果密切相關，本文的研究主要是基于文獻[15]和[17]中的數據，后續將在獲得準確的成本參數、時間參數和經濟參數等實時數據的基礎上，進行更準確的分析和比較。