核能制氫可再生能源技術研究

朱雷杰，錢 彬，郭凱凱，張康鑫，高 陽，馬秦慧

（1.浙江省電力建設有限公司，浙江 寧波 315800；2.中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，杭州 310012）

氫能是理想、高效的清潔能源，其具有成為優質燃料的潛力。氫能環境友好，儲量豐富，熱值極高。近年來，以氫能為主的新能源正逐漸成為全球關注的焦點。相比傳統能源，氫能的利用將大大提高能源利用效率，改善以化石能源為主的能源結構，最終實現碳達峰碳中和目標。氫能是一種二次能源，地球上幾乎沒有現成的氫氣，必須將含氫物質（水、各種礦物燃料、各類生物質）加工轉化為氫氣。目前，我國已經是全球第一制氫大國。按照制氫原料分類，當前世界氫氣的主要來源是化石能源制氫，約占96%；剩余4%來自電解水制氫。核能是清潔的一次能源，在我國呈現良好的發展態勢。根據相關規劃，2030年、2035年我國核電裝機容量將分別達到1.31億kW、1.69億kW，發電量占比將分別達到10.0%、13.5%[1]。為實現核能的可持續發展，應加強核反應堆系統的安全性、經濟性，進一步拓展核能在其他領域的應用，如核能制氫、核能供暖等。與傳統制氫技術相比，核能制氫具有清潔、高效、經濟等優勢[2]，未來我國應不斷深化核能制氫的科學研究與產業化應用。

1 氫能的特點

1.1 資源豐富

每個水分子含有兩個氫原子和一個氧原子，以水為原料可以制取氫氣，而氫氣燃燒后僅生成水，因此，水是地球上無窮的氫礦。地球上，海水的氫含量約為l.51×1017t[3]。

1.2 熱值高

與常規能源相比，氫氣的熱值極高，約為汽油的2.7倍、甲醇的6倍、天然氣的2.4倍。同時，氫氣燃燒沒有CO2排放。常見能源的熱值和CO2排放量如表1所示[4]。

表1 常見燃料的熱值和CO2排放量

1.3 環境友好

與化石燃料相比，氫氣是一種清潔能源。氫氣燃燒不會生成NOx、SO2、粉塵、CO2等污染物，僅會生成水[5]。

2 主要制氫技術

氫氣可從多種途徑制備，制氫技術大多數比較成熟，每種制氫工藝的成本及環保程度均不相同。從氫氣來源分類，世界制取氫氣的主要方式是化石能源制氫，其主要以煤炭和天然氣為原料制取氫氣。除此之外，可再生能源制氫技術可利用水為原料制取氫氣，核能、太陽能、風能、生物質能、海洋能、潮汐能、地熱能等均可直接或間接制取氫氣。

2.1 化石能源制氫技術

傳統的煤制氫技術主要分為煤的氣化和煤的焦化。煤的氣化是在高溫、常壓或加壓下，煤炭與氣化劑發生反應，從而轉化為含H2的氣體產物。煤的焦化是在隔絕空氣條件下，利用900～1 000 ℃的高溫環境制取焦炭，從而獲得含氫55%～60%的副產品焦爐煤氣。傳統的天然氣制氫技術是天然氣重整制氫。天然氣的主要成分是甲烷（CH4），甲烷在高溫環境中經催化劑活化，與水蒸氣、氧氣反應生成H2。石油初步裂解后的產品（石腦油、重油、石油焦以及煉廠干氣）可用于制氫。石腦油制氫主要工藝過程包括石腦油脫硫轉化、CO變換、變壓吸附等。重油與水蒸氣、氧氣反應制得含H2的氣體產物，同時重油燃燒為吸熱反應提供熱量。石油焦制氫和煤的氣化過程類似，在高溫、常壓或加壓下，石油焦與氧氣發生反應生成含H2的氣體產物。煉廠干氣制氫通過輕烴蒸氣重整與變壓吸附分離制取氫氣。

2.2 可再生能源制氫技術

可再生能源中，太陽能、核能與生物質能可直接制氫或間接制氫。生物質能制氫能實現全生命周期零碳排放，生物質生長過程吸收的CO2與其制氫過程排放的CO2是平衡的。生物質能制氫是通過微生物代謝制取氫氣，該反應溫和，對環境無影響，但制氫產率低、穩定性低。風能、海洋能、潮汐能、地熱能、水能只能間接制氫，即先發電，再使用電解水制取氫氣。電解水制取氫氣的原理是化合物的鍵能被電能破壞，使其重組為氫氣分子。電力是一種重要的能源，具有來源廣泛、容易獲取的特點，電解水制氫純度高，氫氣產物的凈化要求低。光催化分解水制氫是在催化劑（半導體材料）的參與下，利用光子能量將水分子轉化為氫氣和氧氣[6]。

3 核能與制氫耦合技術研究

核能制氫就是將核反應堆與制氫相結合，核反應堆有大量多余的熱能，制氫需要額外的能量。核能到氫能的轉化途徑較多。以水為原料時，整個制氫工藝過程都不產生CO2，基本可以消除溫室氣體排放；以其他原料制氫時，只能減少碳排放。現階段，利用核能發電與電解水耦合制氫是一種具有規模化應用潛力的核能制氫技術，而以水為原料與利用核反應熱的甲烷蒸汽重整、高溫蒸汽電解和熱化學循環則是代表未來發展方向的核能制氫技術。

3.1 核能耦合甲烷蒸汽重整制氫

甲烷蒸汽重整是目前工業領域主要的制氫技術，該技術通常以天然氣為原料，成本低廉，規模大，但產生大量的溫室氣體。如式（1）所示，此反應在催化劑條件下進行，反應溫度區間為500～950 ℃，天然氣與水蒸氣在高溫下反應轉化為H2和CO2。制取的混合氣體中，氫氣體積分數最高可達74%。甲烷蒸汽重整是一個吸熱反應，需要輸入大量熱量。在甲烷蒸汽重整技術中，一部分甲烷作為原料生成H2，另一部分甲烷作為燃料燃燒為反應提供能量。因此，反應需要消耗大量天然氣并生成大量CO2。核能耦合甲烷蒸汽重整技術利用核反應堆產生的熱量為重整反應提供熱源，可以顯著減少甲烷蒸汽重整所需要的天然氣和CO2排放。

3.2 核能耦合高溫蒸汽電解制氫

高溫蒸汽電解是基于固體氧化物電解過程實現，在800 ℃高溫下，產生單位體積氫氣的耗電量為3 kW·h/m3。當反應溫度進一步升高時，耗電量會進一步下降。高溫蒸汽電解過程為固體氧化物燃料電池的逆過程。由于核反應堆提供大量反應需要的熱量，高溫蒸汽電解的效率高于常規電解水[7]。核能耦合高溫蒸汽電解技術利用核反應堆給電解系統提供熱源或蒸汽，電解的電能消耗可以顯著降低。此技術在熱力學上需要的電能減少，可以改善電解池的動力學，同時電解池中電極表面反應的活化能能壘降低，可以提高反應效率。

3.3 核能耦合熱化學循環制氫

熱化學循環將兩個或多個熱驅動的化學反應互相耦合，組成一個閉合循環，所有試劑循環使用，單個化學反應的所需溫度降低。熱化學循環反應的所需溫度是800～900 ℃。核能耦合熱化學循環技術利用核反應堆產生的熱量作為反應熱源，可以降低反應的效率損失，實現核能耦合熱化學循環的高效轉化。

3.3.1 碘硫循環

硫碘循環以本生反應為起點，與硫酸分解反應、氫碘酸分解反應相互耦合，不斷將水轉化為氫氣和氧氣[8]。一是本生反應，如式（2）所示；二是硫酸分解反應，如式（3）所示；三是氫碘酸分解反應，如式（4）所示。

3.3.2 混合硫循環

混合硫循環由二氧化硫去極化電解和硫酸分解反應組成。一是二氧化硫去極化電解，如式（5）所示；二是硫酸分解反應，如式（6）所示。

3.4 常規電解水

電解水制氫的特點是需要大量的電能。在具有廉價電力或離網可再生能源電力供應的前提下，電解水制氫具有優勢，其化學反應如式（7）所示。電解水制氫技術主要有堿水電解制氫、質子交換膜電解制氫和固體氧化物電解制氫。堿水電解制氫系統由電解液（KOH溶液）、陽極、陰極和隔膜組成，技術簡單，設備運行負荷范圍較寬，介于10%～100%都可以穩定運行。該技術目前已經比較成熟。質子交換膜制氫技術使用質子交換膜隔離陽極和陰極，克服了KOH溶液對系統的影響，但是質子交換膜電解制氫設備昂貴，暫無大范圍使用。固體氧化物制氫技術的反應溫度為600～1 000 ℃，推動電力-氫氣的轉換。該技術目前仍處于試驗階段。總體來說，在當前堿水電解制氫技術已經較為成熟的前提下，核能發電與堿水電解耦合制氫是一種可以規模化發展的核能制氫技術。

4 結論

開展以核能制氫為中心的各項技術研發與攻關，打造核能制氫、儲氫、用氫產業高地，有助于我國早日實現碳達峰碳中和目標。短期內，我國可優先發展核電+堿水電解制氫技術；在中長期，我國可擇機發展核能+甲烷蒸汽重整、核能+高溫蒸汽電解或核能+熱化學循環等技術。