將核反應堆的一部分蒸汽轉化為其他用途，有可能提升核能產(chǎn)生的“粉氫”(指利用核能生產(chǎn)的氫氣)的經(jīng)濟效益。雖然這個(gè)想法最好是通過(guò)高溫氣冷堆進(jìn)行示范，例如中國正在使用的氣冷堆或美國先進(jìn)堆供應商X-energy開(kāi)發(fā)的堆型，但核能擁躉們?yōu)榱嗽诰薮蟮那鍧崥涫袌?chǎng)中分一杯羹，正在研究將輕水堆(LWRs)的蒸汽用于“粉氫”生產(chǎn)的更高效方法，而不僅僅是簡(jiǎn)單地為電解器供電制氫。
這一新方法的早期嘗試已經(jīng)初現端倪，比如美國運營(yíng)商Xcel Energy在明尼蘇達州的Prarie Island壓水堆試點(diǎn)項目、法國電力公司(EDF)在英國的Sizewell C EPRs項目，以及輕水小型模塊堆(SMR)供應商NuScale Power和Rolls-Royce SMR進(jìn)行的相關(guān)研究。所有這些公司都希望找到一種高效的新型產(chǎn)氫方法，一旦被證實(shí)可行，將為能源儲存、交通燃料、石油精煉和鋼鐵生產(chǎn)等眾多渴望減碳的行業(yè)帶來(lái)新的機遇。
根據國際能源署(International Energy Agency)在2022年9月發(fā)布的報告，到2050年，僅僅利用氫燃料就可以將總累積碳排放量減少6%。報告指出，目前氫氣的生產(chǎn)主要依賴(lài)化石燃料技術(shù)，而以低碳方式生產(chǎn)的氫氣在2019-2021年的總產(chǎn)量中僅占不到1%的比例。另外，Wood Mackenzie在2022年6月發(fā)布的氫能報告中估計，到2050年，對低碳氫氣的需求將從目前幾乎為零的水平增長(cháng)到2.11億噸。
高溫蒸汽有助于提高電解過(guò)程的效率，該過(guò)程從水中直接分離氫氣。高溫氣冷堆能夠產(chǎn)生可直接電解的高溫蒸汽，而輕水堆在較低溫度下運行，主要提供熱能以蒸發(fā)獨立的潔凈除鹽水給水流，并將其送往電解廠(chǎng)房。
商業(yè)案例示范
Xcel公司計劃于2024年下半年在Prarie Island開(kāi)始進(jìn)行高溫電解試點(diǎn)。此項目獲得了1000萬(wàn)美元現金資助，相比于美國能源部愛(ài)達荷國家實(shí)驗室(INL)正在進(jìn)行其他三個(gè)低溫項目，這是唯一一個(gè)使用核能進(jìn)行高溫電解的項目。
Xcel Energy的清潔燃料副總裁Greg Chamberlain告訴Energy Intelligence，Xcel希望“既成為氫氣的生產(chǎn)者，也成為氫氣的消費者”，并強調了氫氣在發(fā)電、天然氣摻混和其他清潔分子方面的優(yōu)勢。在理想情況下，當需求低或可再生能源側產(chǎn)量高時(shí)，Xcel的工廠(chǎng)將供應多余的電力和蒸汽用于氫氣生產(chǎn)。然而，能源板塊用力過(guò)猛的減碳目標可能會(huì )限制可再生能源和核能提供多余的電力。不管怎樣，在適當的情況下，無(wú)論是現有的還是以后的核電生產(chǎn)商仍可在供應電力和提供蒸汽產(chǎn)氫間靈活變通。
同時(shí)使用電力和蒸汽的高溫電解比僅使用電力的低溫電解能夠更高效地制氫。高溫電解可以從任何地方獲得電力保障，然而蒸汽必須盡量接近供應源。Xcel核能創(chuàng )新工程經(jīng)理Molly Strasser在接受Energy Intelligence的采訪(fǎng)時(shí)表示：“電力易于傳輸，但傳輸蒸汽同時(shí)確保出口溫度符合要求并不簡(jiǎn)單”。
使用核電廠(chǎng)蒸汽需要將電解平臺布置在廠(chǎng)房附近，但同時(shí)又要保持一定安全距離。在Prarie Island項目中，“熱輸運回路”將核供熱從反應堆傳輸到約1.0公里外的高溫蒸汽電解(HTSE)廠(chǎng)房。除了蒸汽輸運的問(wèn)題，供給水也需要滿(mǎn)足電解制氫所要求的高標準，這會(huì )從技術(shù)和經(jīng)濟方面影響現有的輕水堆進(jìn)入氫氣市場(chǎng)。Strasser說(shuō)："我們有討論過(guò)這個(gè)問(wèn)題，但我認為還需要一些適當的條件才能真正解決它"。
面臨的挑戰
Xcel目前仍處于Prarie Island高溫電解試點(diǎn)項目的設計階段，其計劃從核電廠(chǎng)中分出240千瓦的電力和該電力產(chǎn)生的10%-15%的蒸汽到電解廠(chǎng)房中。然而，Strasser表示：“技術(shù)上來(lái)說(shuō)很簡(jiǎn)單，但實(shí)際上可能并不容易，因為我們需要將兩種不同的技術(shù)結合起來(lái)。核能發(fā)電在日常運營(yíng)中已經(jīng)表現得很好，所以往核電廠(chǎng)中再增加一個(gè)產(chǎn)氫裝置是一項全新的、獨特的應用。我們在應對這項新技術(shù)方面還有很多需要學(xué)習的地方。”
例如，Strasser指出，設備供應商必須熟悉核電運營(yíng)所需遵守的規章制度和標準。盡管已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，打通這一新興電解裝置的供應鏈還是當前的主要挑戰。“一年前電解裝置的制造被視為瓶頸問(wèn)題，”Wood Mackenzie在一份2月份的報告中表示。“但隨著(zhù)2022年創(chuàng )紀錄的45千瓦電解裝置問(wèn)世，情況已經(jīng)發(fā)生改變”。盡管如此，目前仍存在許多難題，包括高揮發(fā)性氫氣的運輸。為此，Xcel和INL合議建立一個(gè)直達終端用戶(hù)的輸氫管網(wǎng)。
2021年INL與Xcel合作完成的報告指出，盡管輕水堆產(chǎn)出最高達300°C的熱量一般視為低溫熱，但該熱量已經(jīng)足夠克服蒸發(fā)大量水所需的相變潛熱。“蒸發(fā)完成后，還可以使用回熱裝置和頂部加熱器來(lái)提供升溫顯熱，使蒸汽到達接近700°C-800°C的高溫蒸汽電解工作溫度。”
新興市場(chǎng)機遇
其他核能供應商和開(kāi)發(fā)商已經(jīng)計劃在新建的小型模塊堆甚至大型堆中為產(chǎn)氫做出轉移蒸汽的準備。例如，英國Sizewell C項目中，EDF在EPRs這種大型堆中增加了一個(gè)閥門(mén)，以方便將反應堆產(chǎn)生的部分熱量移作他用。據一名管理人員在11月份解釋?zhuān)?ldquo;從Sizewell C中拿出400兆瓦的熱量對電力生產(chǎn)幾乎沒(méi)有影響，也符合安全規范，熱量的成本十分低廉。”
輕水小型模塊堆(SMRs)可能采用類(lèi)似于Prarie Island的方法。NuScale Power在5月31日指出，他們進(jìn)行的研究顯示，單個(gè)NuScale SMR模塊產(chǎn)生的蒸汽可以用于各種高溫工業(yè)過(guò)程，包括氫氣生產(chǎn)。NuScale發(fā)言人Diane Hughes告訴Energy Intelligence，不需要對現有模塊進(jìn)行任何改動(dòng)，蒸汽可以通過(guò)“先進(jìn)固體氧化物電解池”利用，并配有回熱裝置和位于“核電站廠(chǎng)址邊界外”的高溫電解裝置。
本周，Rolls-Royce SMR公司與投資公司住友商事聯(lián)合公布了一項可行性研究的結果。該研究分析了Rolls-Royce SMR堆型熱電聯(lián)合驅動(dòng)電解器生產(chǎn)低碳氫氣的可行性，并得出結論稱(chēng)，相比其他能源他們的小型堆在生產(chǎn)低碳氫氣方面具有顯著(zhù)優(yōu)勢。住友商事“將利用該報告開(kāi)展場(chǎng)址適用性工作，并逐漸加深其對基于Rolls-Royce SMR堆型生產(chǎn)清潔氫氣潛力的理解。”(完)
