隨著新能源和先進技術(shù)的使用，能源供應(yīng)、需求和分配不斷發(fā)展。但世界上大多數(shù)能源基礎(chǔ)設(shè)施都有很多“慣性”——即需要數(shù)年或數(shù)十年才能更換——而且長期發(fā)展將影響未來幾十年的能源經(jīng)濟。

核電站也在不斷發(fā)展，并經(jīng)歷了技術(shù)進步以使其更加通用。先進的核電站將作為電力系統(tǒng)的一部分發(fā)揮作用，這與目前在用的核電站建設(shè)過程中存在的電力系統(tǒng)大不相同。

另一項正在經(jīng)歷技術(shù)進步以變得更加通用的技術(shù)是氫氣熱電聯(lián)產(chǎn)，隨著能源經(jīng)濟的發(fā)展，氫氣生產(chǎn)正在獲得全球知名度和政治支持。

隨著市場迅速納入風(fēng)能和太陽能等可再生能源，維持供需平衡變得越來越困難。白天的能源需求各不相同，早上短暫下降，傍晚人們下班回家時達到峰值。一般來說，核電站滿負荷運行，但理論上它們?nèi)匀荒軌驅(qū)崿F(xiàn)更高的運行靈活性。運行靈活性使核電站能夠動態(tài)響應(yīng)季節(jié)性需求變化或每小時市場定價變化。

在實踐中，最近國際原子能機構(gòu)的計劃中包括了更有前景的核能應(yīng)用，包括制氫和高溫工藝熱。它在 2018 年表示，“經(jīng)合組織核能機構(gòu)、歐洲原子能組織和第四代國際論壇都表示對專注于先進的下一代和革命性核反應(yīng)堆的非電力核電應(yīng)用感興趣”。根據(jù) IAEA 的 Ibrahim Khamis 的說法，熱電聯(lián)產(chǎn)的驅(qū)動因素包括但不限于提高經(jīng)濟性、滿足對能源密集型非電力產(chǎn)品的需求、確保工業(yè)綜合體的能源供應(yīng)、適應(yīng)電力需求的季節(jié)性波動以及匹配小型和具有可訪問的大型電網(wǎng)的中型電網(wǎng)。

核電和氫氣熱電聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)勢

每年，全世界消耗大約 50 公噸的氫氣。核電站和制氫系統(tǒng)很好地結(jié)合在一起，使核能比傳統(tǒng)的制氫能源更具經(jīng)濟優(yōu)勢。核電站可以在不產(chǎn)生任何碳排放的情況下提供所需的熱量和電力。生產(chǎn)氫氣將用作能量儲存，并使電力生產(chǎn)與電力消耗脫鉤。儲存的氫氣既可以用作基于燃燒的發(fā)電機的燃料，也可以出售用于其他工業(yè)用途。

在 2017 年的一項研究中，氫氣生產(chǎn)也被視為一種儲能技術(shù)(Coleman、Bragg-Sitton 和 Dufek，2017 年)。麻省理工學(xué)院能源計劃 (MITEI) 研究員 Jesse Jenkins 和他在阿貢國家實驗室的同事考慮將可再生資源與靈活的核電站配對。在 Applied Energy 的一篇論文中，Jenkins 聲稱以較低的性能運行核電站并盡可能多地吸收自由風(fēng)和陽光更有意義。通過這種方式，核能可以靈活運行以整合可再生能源并減少二氧化碳排放。靈活的運營通過減少廢燃料量、提高系統(tǒng)質(zhì)量和降低客戶能源成本來提高反應(yīng)堆擁有收入。

根據(jù)發(fā)表在可持續(xù)發(fā)展期刊(Noussan、Raimondi、Scita 和 Hafner，2021 年)上的一篇論文，與化石燃料燃燒產(chǎn)生的排放相比，氫能源存儲系統(tǒng)的開發(fā)可以減少發(fā)電排放。他們表示，在運輸部門將燃料電池與氫氣相結(jié)合，并使用能量儲存來緩解峰值發(fā)電量，可以減少二氧化碳排放，前提是唯一的氫氣燃燒副產(chǎn)品是水。

然而，氫燃料電池生命周期的碳排放取決于主要能源和制氫過程。在制氫中使用水也可能對環(huán)境產(chǎn)生重大影響。然而，當(dāng)氫與燃料電池中的氧重新結(jié)合以發(fā)電時，會產(chǎn)生水并且可以返回到原始來源。

有毒金屬，例如鈀，用于制氫過程中的電極和催化劑。因此，廢舊燃料電池的處理是必須徹底監(jiān)控的另一個方面，以減少對環(huán)境的不利影響。最近，鈀的回收和再加工一直是研究的重點，目的是減少其對環(huán)境的負面影響。

如果核能被視為制氫的主要能源，它應(yīng)該產(chǎn)生最小的排放量并對環(huán)境的影響最小。

美國的一個公私合作項目旨在展示使用熱電的 HTSE，可能在草原島核電站(照片來源：Xcel Energy)

核電和氫氣熱電聯(lián)產(chǎn)的挑戰(zhàn)

核電熱電聯(lián)產(chǎn)面臨重大挑戰(zhàn)，包括核能和熱能市場之間的差異。還有一些具體問題和擔(dān)憂需要解決，其設(shè)計已經(jīng)改變，使其更適合生產(chǎn)氫氣(結(jié)算、規(guī)劃所需的時間、建設(shè)和財務(wù)風(fēng)險)、特定行業(yè)核電站的示范和定制核裝置的許可。

核能發(fā)電可行且經(jīng)濟可行;然而，任何核反應(yīng)堆都會受到一系列由核反應(yīng)堆物理學(xué)引起的操作限制，這些限制與傳統(tǒng)煤或天然氣發(fā)電廠的技術(shù)限制不同。例如，如果在燃料輻照周期內(nèi)，核反應(yīng)堆的最低穩(wěn)定性能發(fā)生變化，則在不裝載核燃料棒和反應(yīng)堆本身的情況下，產(chǎn)量不能過快地增加或減少。

在高功率水平下，有多余的能量可用，削減它被認為在很大程度上對發(fā)電廠不利。如果工廠靈活運行以適應(yīng)需求管理，可用的剩余能源將受到影響。

結(jié)論

核氫相對于其他來源的潛在好處是顯著的，并且可能導(dǎo)致未來全球能源經(jīng)濟中氫生產(chǎn)的份額越來越大。然而，核氫工藝在技術(shù)上是不確定的，需要全面的研究和強大的開發(fā)工作。安全問題以及氫的儲存和輸送是促進氫經(jīng)濟繁榮發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域。

在評估綠色氫的成本時，即使用低碳能源通過電解水生產(chǎn)的氫(可能的替代方案，通過蒸汽重整和碳捕獲從甲烷生產(chǎn)被稱為“藍色”氫)，分析必須考慮成本電解槽的效率、電池堆的更換、氫氣的壓縮和儲存、運輸氫氣的成本以及分配氫氣的效率。

在脫碳世界中，與氫的未來有關(guān)的最終問題之一是電解槽制氫的成本相對于為運輸、肥料、工業(yè)用途和其他事物提供氫的替代方法。

準(zhǔn)確計算氫的成本作為生命周期成本可以讓您解決不同的商業(yè)模式，例如在飛機、垃圾車、公共汽車和其他電動汽車無法實現(xiàn)的交通工具上使用氫燃料。您還可以將電解槽的氫氣成本與蒸汽甲烷反應(yīng)器的氫氣成本進行比較;評估分布式制氫與集中制氫的成本和收益;并衡量在電力成本低的時期生產(chǎn)氫氣的策略的有效性。