美國《國家清潔氫戰略和路線圖》大力推動核能制氫

2023 年6 月，美國能源部發布《國家清潔氫戰略和路線圖》報告（以下簡稱“《報告》”），提出加快清潔氫生產、加工、交付、儲存及使用全過程的技術研發及應用示范，助力2035年電網脫碳、2050 年凈零排放目標。《報告》將核能制氫列為清潔氫生產的重要環節，有望推動美國核能制氫技術及產業發展。

1 發布背景

清潔氫是指通過低碳或無碳方式生產的氫。美國2021 年《基礎設施投資和就業法》將清潔氫定義為“每千克氫生產現場產生的碳強度等于或小于2 千克二氧化碳當量”，利用核能和可再生能源生產的氫均屬于清潔氫。清潔氫是一種應用廣泛、綠色低碳的二次能源，可作為化工原料、汽車燃料、儲能載體，也是重型運輸、鋼鐵冶煉等難以電氣化領域的潛在脫碳手段，對于推進經濟社會低碳轉型具有重要意義。

為加速推動清潔氫產業發展，美國政府于2022年9月編制并發布《國家清潔氫戰略和路線圖（草案）》征求公眾意見，并于2023 年6 月發布最終版本報告。為及時更新氫能市場的最新動態及利益相關者的反饋，《報告》將至少每三年更新一次。

2 主要內容

《報告》分析了美國清潔氫發展的需求與挑戰，提出了三項清潔氫優先發展戰略以及三方面的行動計劃。

需求與挑戰方面，《報告》預測，隨著交通、工業、電力等行業脫碳需求的增長，美國對清潔氫的需求到2030 年將達1000 萬噸（相當于目前美國的氫氣年產量），到2040 年將達2000 萬噸，到2050年將達5000萬噸。當前制約清潔氫發展的主要因素包括：缺乏氫配送基礎設施，缺乏大規模、低成本、耐用可靠的制氫技術，以及高昂的氫儲運成本。

發展戰略方面，一是推進清潔氫的戰略性、關鍵領域使用。清潔氫的主要應用領域將是難以利用電氣化手段脫碳的領域，包括化工、冶煉、重型運輸、長期儲能等。二是降低清潔氫的成本。目標是將清潔氫的生產成本到2026年降至2美元/千克、到2031年降至1美元/千克，配送成本到2030年降至2美元/千克。三是注重區域網絡發展。鼓勵氫氣最終用戶與大規模清潔氫生產商合作，就近建設清潔氫生產設施，確保清潔氫大規模、穩定生產與消納，發展和共享部分制儲運基礎設施。

圖1 美國能源部測算的清潔氫成本降低方案

行動計劃方面，主要聚焦清潔氫的生產、儲運和市場推廣三方面行動，分別設置了近中遠期目標。一是清潔氫生產，近期推進電解、熱化學等清潔制氫技術研發示范，示范可再生能源制氫、核能制氫等項目；中期部署百萬千瓦規模的制氫電解槽，擴大電解槽制造、回收和再利用規模；遠期具備1000 萬噸的清潔氫生產能力，并將生產成本降至1 美元/千克。二是儲運基礎設施建設，近期開展儲運基礎設施建設挑戰識別與分析，啟動區域清潔氫中心配套基礎設施建設；中期示范高效且先進的基礎設施組件，構建可持續發展的區域清潔氫網絡；遠期開展大規模氫氣運輸。三是終端應用及市場推廣，近期加強與監管部門合作，啟動工業項目，制定承購協議；中期部署區域清潔氫中心；遠期擴大區域清潔氫中心的規模，為未來清潔氫出口做準備。

3 核能制氫相關內容

3.1 充分肯定核能制氫的經濟性和高效性優勢

《報告》指出，核能具有高負荷因子、經濟性好、可以熱電聯產等特點，在大規模電解制氫領域具有一定優勢。基于美國能源部H2A模型對低溫電解制氫平均化成本的測算表明：清潔氫成本對電力成本高度敏感，因此將制氫設施與現有核電廠集成，進而穩定地獲得低價電力供應，可以有效降低清潔氫成本。此外，核反應堆可同時提供電能與熱能，與尚處在研發階段的固體氧化物電解池（SOEC）高溫電解制氫技術相結合，有望進一步提高制氫效率及經濟性。

3.2 美將大力推進核能制氫技術研發及應用示范

《報告》將核能列為生產清潔氫的重要能源之一，為核能制氫制定了明確的計劃目標：2022年至2023年建立一座與核設施集成的1250千瓦制氫電解槽（已于2023年2月在九英里峰核電廠實現，采用質子交換膜低溫電解制氫技術）；2024年至2028年間開展不少于10個清潔氫生產示范項目，其中必須包含核能制氫項目；掌握用于高溫電解制氫的2萬千瓦核熱提取、分配和控制技術。截至2023年8月，美國能源部已資助九英里峰核電廠、戴維斯-貝瑟核電廠（低溫電解制氫）、普雷里島核電廠（高溫電解制氫）三個核能制氫示范項目。

4 美國大力推動核能制氫的原因分析

4.1 發揮核能優勢助力清潔能源目標

一方面，核能作為清潔低碳的基荷能源，具有負荷因子高、輸出穩定等優勢，相比于負荷因子低、間歇性強的可再生能源，更有助于降低制氫成本（《報告》測算，為實現1 美元/千克的清潔氫生產成本，負荷因子至少應達90%）；另一方面，核能具有適合大規模生產、熱電聯產等優勢，核反應堆提供的熱能有助于減少電解制氫所需的電能，從而降低生產每千克氫氣所需的電力，提高制氫的效率與經濟性，增強清潔氫穩定供應能力。

4.2 增加在運核電廠收入來源

在未來的能源市場中，在運核電廠將面臨包括可再生能源、化石燃料電廠在內的多種電廠的激烈競爭。規模化的核能制氫有望提高核電廠生產高附加值產品的能力。美國能源部估計，一座100 萬千瓦反應堆，在配備制氫設施后，每年可產生15 萬噸氫氣，約占當前美國氫氣總產量的1.5%，這些氫氣可出售給區域內的化肥、煉油、鋼鐵冶煉企業，為核電廠提供給新的收入來源。

5 啟示與建議

5.1 加強頂層謀劃，制定我國核能制氫發展規劃

核能制氫具有無碳排放特性，是保障國家清潔能源供應安全穩定的重要方式。建議加快制定我國核能制氫發展規劃，由國家能源主管部門牽頭，主要核電企業為研發和示范推廣主體，遵循研發攻關、應用示范、產業化推廣的發展路線，加快推動核能制氫示范工程項目建設及核能制氫全產業鏈協同發展。

5.2 利用現有優勢，加快高溫氣冷堆核能制氫技術攻關及工程試驗

高溫氣冷堆是我國自主研發的先進核能技術，它具有安全性好、堆芯冷卻劑出口溫度高等優勢，其高溫高壓的特點與適合大規模制氫的熱化學循環制氫技術十分匹配，被公認為是最適合核能制氫的堆型。建議立足高溫氣冷堆制氫技術基礎與條件，加強校企合作，依托高溫氣冷堆示范工程，近期到中期重點發展技術相對成熟、可減少碳排放的高溫氣冷堆耦合甲烷重整制氫中試及工程規模示范；持續開展無碳排放的碘-硫、混合硫熱化學循環制氫技術攻關及中試；中遠期實現以熱化學循環分解水制氫技術為核心的高溫堆綜合能源供應，并實現與氫冶金、石油化工等大規模用氫場景的結合。

5.3 選用成熟技術，探索壓水堆電解制氫應用示范

壓水堆核能制氫是彌補可再生能源制氫間歇性，加速推動清潔氫產業發展的良好方式之一，其技術原理成熟，制約因素主要是經濟可行性。建議挑選運行經濟性好、調峰壓力大的在運壓水堆核電廠，開展小規模堿性電解水制氫、質子交換膜電解水制氫示范，收集掌握核能制氫技術細節及運營經濟性數據，為獲得核能綜合利用國際話語權、制定清潔制氫產業標準奠定基礎。