将核反应堆的一部分蒸汽转化为其他用途，有可能提升核能产生的“粉氢”(指利用核能生产的氢气)的经济效益。虽然这个想法最好是通过高温气冷堆进行示范，例如中国正在使用的气冷堆或美国先进堆供应商X-energy开发的堆型，但核能拥趸们为了在巨大的清洁氢市场中分一杯羹，正在研究将轻水堆(LWRs)的蒸汽用于“粉氢”生产的更高效方法，而不仅仅是简单地为电解器供电制氢。

这一新方法的早期尝试已经初现端倪，比如美国运营商Xcel Energy在明尼苏达州的Prarie Island压水堆试点项目、法国电力公司(EDF)在英国的Sizewell C EPRs项目，以及轻水小型模块堆(SMR)供应商NuScale Power和Rolls-Royce SMR进行的相关研究。所有这些公司都希望找到一种高效的新型产氢方法，一旦被证实可行，将为能源储存、交通燃料、石油精炼和钢铁生产等众多渴望减碳的行业带来新的机遇。

根据国际能源署(International Energy Agency)在2022年9月发布的报告，到2050年，仅仅利用氢燃料就可以将总累积碳排放量减少6%。报告指出，目前氢气的生产主要依赖化石燃料技术，而以低碳方式生产的氢气在2019-2021年的总产量中仅占不到1%的比例。另外，Wood Mackenzie在2022年6月发布的氢能报告中估计，到2050年，对低碳氢气的需求将从目前几乎为零的水平增长到2.11亿吨。

(资料图)

高温蒸汽有助于提高电解过程的效率，该过程从水中直接分离氢气。高温气冷堆能够产生可直接电解的高温蒸汽，而轻水堆在较低温度下运行，主要提供热能以蒸发独立的洁净除盐水给水流，并将其送往电解厂房。

商业案例示范

Xcel公司计划于2024年下半年在Prarie Island开始进行高温电解试点。此项目获得了1000万美元现金资助，相比于美国能源部爱达荷国家实验室(INL)正在进行其他三个低温项目，这是唯一一个使用核能进行高温电解的项目。

Xcel Energy的清洁燃料副总裁Greg Chamberlain告诉Energy Intelligence，Xcel希望“既成为氢气的生产者，也成为氢气的消费者”，并强调了氢气在发电、天然气掺混和其他清洁分子方面的优势。在理想情况下，当需求低或可再生能源侧产量高时，Xcel的工厂将供应多余的电力和蒸汽用于氢气生产。然而，能源板块用力过猛的减碳目标可能会限制可再生能源和核能提供多余的电力。不管怎样，在适当的情况下，无论是现有的还是以后的核电生产商仍可在供应电力和提供蒸汽产氢间灵活变通。

同时使用电力和蒸汽的高温电解比仅使用电力的低温电解能够更高效地制氢。高温电解可以从任何地方获得电力保障，然而蒸汽必须尽量接近供应源。Xcel核能创新工程经理Molly Strasser在接受Energy Intelligence的采访时表示：“电力易于传输，但传输蒸汽同时确保出口温度符合要求并不简单”。

使用核电厂蒸汽需要将电解平台布置在厂房附近，但同时又要保持一定安全距离。在Prarie Island项目中，“热输运回路”将核供热从反应堆传输到约1.0公里外的高温蒸汽电解(HTSE)厂房。除了蒸汽输运的问题，供给水也需要满足电解制氢所要求的高标准，这会从技术和经济方面影响现有的轻水堆进入氢气市场。Strasser说："我们有讨论过这个问题，但我认为还需要一些适当的条件才能真正解决它"。

面临的挑战

Xcel目前仍处于Prarie Island高温电解试点项目的设计阶段，其计划从核电厂中分出240千瓦的电力和该电力产生的10%-15%的蒸汽到电解厂房中。然而，Strasser表示：“技术上来说很简单，但实际上可能并不容易，因为我们需要将两种不同的技术结合起来。核能发电在日常运营中已经表现得很好，所以往核电厂中再增加一个产氢装置是一项全新的、独特的应用。我们在应对这项新技术方面还有很多需要学习的地方。”

例如，Strasser指出，设备供应商必须熟悉核电运营所需遵守的规章制度和标准。尽管已经取得了一些进展，打通这一新兴电解装置的供应链还是当前的主要挑战。“一年前电解装置的制造被视为瓶颈问题，”Wood Mackenzie在一份2月份的报告中表示。“但随着2022年创纪录的45千瓦电解装置问世，情况已经发生改变”。尽管如此，目前仍存在许多难题，包括高挥发性氢气的运输。为此，Xcel和INL合议建立一个直达终端用户的输氢管网。

2021年INL与Xcel合作完成的报告指出，尽管轻水堆产出最高达300°C的热量一般视为低温热，但该热量已经足够克服蒸发大量水所需的相变潜热。“蒸发完成后，还可以使用回热装置和顶部加热器来提供升温显热，使蒸汽到达接近700°C-800°C的高温蒸汽电解工作温度。”

新兴市场机遇

其他核能供应商和开发商已经计划在新建的小型模块堆甚至大型堆中为产氢做出转移蒸汽的准备。例如，英国Sizewell C项目中，EDF在EPRs这种大型堆中增加了一个阀门，以方便将反应堆产生的部分热量移作他用。据一名管理人员在11月份解释，“从Sizewell C中拿出400兆瓦的热量对电力生产几乎没有影响，也符合安全规范，热量的成本十分低廉。”

轻水小型模块堆(SMRs)可能采用类似于Prarie Island的方法。NuScale Power在5月31日指出，他们进行的研究显示，单个NuScale SMR模块产生的蒸汽可以用于各种高温工业过程，包括氢气生产。NuScale发言人Diane Hughes告诉Energy Intelligence，不需要对现有模块进行任何改动，蒸汽可以通过“先进固体氧化物电解池”利用，并配有回热装置和位于“核电站厂址边界外”的高温电解装置。

本周，Rolls-Royce SMR公司与投资公司住友商事联合公布了一项可行性研究的结果。该研究分析了Rolls-Royce SMR堆型热电联合驱动电解器生产低碳氢气的可行性，并得出结论称，相比其他能源他们的小型堆在生产低碳氢气方面具有显著优势。住友商事“将利用该报告开展场址适用性工作，并逐渐加深其对基于Rolls-Royce SMR堆型生产清洁氢气潜力的理解。”(完)