據杰西卡·桑德杰羅希(Jessica Sondgeroth)6月中在美《能源情報》(Energy Intelligence)網上報道[1]，Xcel能源公司在明尼蘇達州普雷島(Prairie Island)核電廠開展的試點項目，以及NuScale能源公司和英國Rolls-Royce SMR公司的相關研究，都是利用“輕水堆”產生的蒸汽生產“粉氫”[2]的努力。國際能源署(IEA)稱，到本世紀中葉，氫基燃料的使用可以幫助減少6%的碳排放。現代輕水堆集中在世界核能大國，特別是中國，關注、研究輕水堆“制氫”技術和經濟性，還有特殊意義……

從動力堆轉移輸出部分蒸汽，有可能提高核能衍生“粉氫”生產的經濟性。雖然這一主張最好通過高溫氣冷堆加以證明，但渴望從潛在的巨大清潔氫市場中分得“一杯羹”的核電倡導者，正在研究如何將輕水堆(LWR)的蒸汽轉移到粉氫生產中，而不僅僅是為電解槽供電。

從美國運營商Xcel能源公司位于明尼蘇達州普雷島壓水堆試點項目、法國電力公司(EDF)在英國Sizewell C EPR的計劃[3]，以及“輕水”小型模塊化反應堆(iSMR)供應商NuScale能源公司和Rolls-Royce SMR公司開展的研究中，都能看到這些早期的努力。所有這些公司都希望確認一種新型制氫方法的效能。如果這種方法得到證實，就有可能為眾多希望除碳的行業帶來活力，包括能源儲存、運輸燃料、石油提煉和鋼鐵生產。

國際能源署(IEA)在2022年9月的一份報告中指出，到2050年，僅氫基燃料一項就可使累計總排放量減少6%。“目前的氫氣生產主要基于化石燃料技術，”而低排放“生產占2019～2021年氫氣總產量的比例不到1%”。伍德麥肯茲(Wood Mackenzie)在2022年6月的一份氫報告中估計，到2050年，對低碳氫的需求量將從目前的近乎零增長到2.11億噸。

高溫蒸汽有助于提高從水中分離氫的電解過程的效率。高溫氣冷堆可隨時獲得高溫蒸汽，而低溫反應堆的運行溫度較低，需要提供熱能來汽化電解廠的單獨清潔脫鹽給水流。

商業示范案例

Xcel能源公司預計，普雷島核電廠高溫電解試點項目將于 2024 年下半年開始運營。它是美國能源部愛達荷國家實驗室(INL)利用核能開展的三個低溫電解項目中唯一的高溫項目，已獲得1,000萬美元的現金獎勵。

Xcel能源公司負責清潔燃料的副總裁雷格·張伯倫(Greg Chamberlain)告訴《能源情報》，Xcel希望“既成為氫氣的生產者，也成為氫氣的消費者”，并指出氫氣在發電、天然氣混合和其他清潔分子方面的優勢。理想情況下，當需求量較低或可再生能源產量較高時，發電廠將提供多余的電力和蒸汽制氫，但電力部門激進的除碳目標可減少限制可再生能源和核能的過剩量。不過，在適當的情況下，現有和未來的核電生產商可以靈活地進行電力供應，同時仍然為制氫提供蒸汽。

與僅使用電力的低溫電解法相比，高溫電解法不僅使用電力，還使用蒸汽更有效地生產氫氣。幸運的是，高溫電解可以從任何地方獲得電力，而蒸汽供應則必須相對靠近。Xcel核創新工程經理莫莉·斯特拉瑟(Molly Strasser)告訴《能源情報》，“電力很容易運輸”，但“蒸汽就不那么容易運輸了，而且要確保最終溫度合適”。

使用核電廠的蒸汽需要在附近設置一個電解“滑撬”(skid)或平臺，但要與核電廠本身保持安全距離。在普雷島核電廠，一條“熱輸送環路”將把核工藝熱能從反應堆廠房輸送到約1公里外的高溫蒸汽電解(HTSE)廠。除了用作熱能的蒸汽外，給水供應還必須滿足電解氫氣的高標準，這可能會影響現有輕水堆尋求進入氫氣市場的技術和經濟性能。斯特拉瑟說，“因此，這是我們討論過的問題，但我認為我們需要在適當的情況下才能真正解決這個問題。”

未來的挑戰

Xcel能源公司普雷島核電廠的高溫電解試驗項目仍處于設計階段，計劃把這個電廠生產的240 MW電力和用于發電的10%～15%的蒸汽轉移到電解廠。斯特拉瑟說，“從技術上講，這很容易，但在現實中，在實際操作上，也許并不那么容易。” “這是嘗試著把兩種不同的技術耦合在一起。單就核能而言，我們很熟悉，日常工作‘得心應手’;但把‘氫撬’與核電裝置整合在一起卻是突破了常規，是個首創。在處理這項技術中，在這兩方面都有一個學習過程。”

斯特拉瑟指出，例如，設備供應商必須熟悉核運營商必須遵守的規則、法規和標準。主要挑戰之一是建立新生的電解槽供應鏈，盡管目前取得了一些進展。伍德麥肯茲公司2月份的一份報告中指出，“一年前，電解槽制造看起來還是個瓶頸。這種情況似乎已不復存在，2022年宣布的發電量將達到創紀錄的45 GW。”但是仍然有許多障礙，包括氫氣運輸，因為氫氣極不穩定。Xcel和INL提議建個管道網絡，將氫氣輸送到終端用戶。

2021年，INL與Xcel合作編寫了一份報告，其中總結道：盡管認為輕水堆產生的熱能“在高達300°C的溫度下仍然是低品位的”，但這種熱能可“用來克服大量水蒸發所需的大量潛熱能”。“汽化后，可利用熱回收和頂層加熱器提供顯熱，將蒸汽提升到高溫蒸汽電解(HTSE)的工作溫度(接近700 °C～800 °C)。”

新市場機遇

其他核電供應商和開發商已在計劃至少創建一種選擇，即從計劃的小型堆甚至大型堆中轉移蒸汽用于制氫。例如，在法國電力公司正在計劃在英國新建的Sizewell C核電廠中，為EPR增設一個閥門，以便將這個巨型反應堆產生的部分熱量轉移出去。一位高管解釋說，“如果從Sizewell C帶走400 MW熱能(這與安全情況相符)，那么對電力輸出的影響非常小，而得到的熱能會非常便宜。”

小型模塊式輕水堆(SMR)可能會采用與正在部署中的普雷島相類似的方法。NuScale能源公司5月31日表示，該公司進行的研究表明，“單個”NuScale SMR模塊產生的蒸汽可用于“各種高溫工藝流程”，包括制氫。NuScale發言人黛安娜·休斯(Diane Hughes)告訴《能源情報》，不需要對模塊進行任何改動，蒸汽可通過“先進的固態氧化物電解槽”進行“熱回收”，高溫電解槽位于“核電廠邊界之外”。

隨后，Rolls-Royce SMR公司宣布了與投資公司住友商事(Sumitomo Corporation)聯合開展的可行性研究結果。這家總部位于英國的SMR供應商在6月14日的一份聲明中表示，這項研究分析了利用Rolls-Royce SMR公司熱能和電能運行電解槽生產低碳氫氣的情況，發現其 SMR“在生產低碳氫氣方面比其他能源更具有顯著優勢”。住友“現在將使用這份報告，支持選址適宜性工作，并進一步了解在英國利用Rolls-Royce SMR以及清潔制氫設施的潛力”。

見解與思考

1. 除了藍氫和綠氫，還有一種利用核能生產的粉氫，在很大程度上被忽視了。與綠氫一樣，粉氫的生產過程也包括電解，但關鍵區別在于它使用核能進行生產。隨著世界各地能源公司和政府都在積極尋找化石燃料的替代品，粉氫可能會像綠氫一樣獲得關注。

2. 綠氫依賴可再生能源提供動力的電解，將水分解為氫和氧。相比之下，粉氫使用核能生產，雖然也使其不含碳，但由于核能歸類為不可再生能源，因此在技術上并非綠色。然而，粉氫的碳污染水平被認為與使用可再生能源生產的綠氫近似。

3. 國際原子能機構(IAEA)制定了氫經濟評估計劃(HEEP)，以支持全球粉紅氫項目的開發。它是一個免費工具，用于評估大規模粉氫生產的經濟性。

參考資料與注釋

[1] Jessica Sondgeroth, Economics: Enabling Pink Hydrogen from LWRs, ENERGY INTELLIGENCE, Jun 16, 2023.

[2] “粉氫”是利用核能給水電解提供動力而產生的氫，也稱之為紫氫，或紅氫。

[3] 指EDF還在建造中的Sizewell C EPR型壓水堆核電廠的制氫計劃。