快速發展的氫能經濟將為核能帶來機遇，不過這一機遇也將給開發商帶來復雜的挑戰。

1、氫能迅速發展

氫是核能的機遇，但也面臨挑戰。

氫能已經成為一個大生意了。

根據國際能源機構(IEA)2021全球氫能審查，2020年全球需求量為1.3億噸。

目前產量的三分之二用于工業目的，包括在化肥生產的早期階段生產氨。

剩下三分之一主要用于混合氣體的一部分，如合成氣，用于燃料或其他化學品的原料。

目前，絕大多數氫是通過蒸汽重整從甲烷中產生的。

這些用途并沒有消失，恰恰相反。

未來，預計將有更多的行業轉向氫，以取代煉鋼等行業的化石燃料。

預計氫在其他不能用電的部門脫碳方面也很重要，例如重型運輸，包括卡車運輸和鐵路服務。

它也是長期儲能和管理電力供應的重要選擇，例如燃氣輪機中的氫氣替代甲烷。IEA估計，到2050年，氫氣產量將不得不增加到每年5億噸以上。

美國核管理委員會(U.S.Nuclear Regulatory Commission)認為，這一潛力是其兩倍。

2、無碳生產氫氣

使用可再生能源生產氫氣，使其整個過程都不含二氧化碳。

為了發揮氫能的作用，必須生產無碳排放的氫氣。

表上有兩個選項，傳統的甲烷重整方法——使用700–1,000℃的蒸汽生產氫氣，另一種方法——自熱重整，是一種尚未大規模應用的化學工藝。

為了符合低碳標準，它必須與碳捕獲和存儲相結合，從而增加部署的成本和風險。

加快使用甲烷重整的另一個問題是，在氣候和能源領域的重要支持者看來，將氫工業建立在持續使用甲烷的基礎上只能是短期解決辦法。

人們對電解槽越來越感興趣，電解槽利用電池將水分解成氫氣和氧氣。

福島氫能研究場(FH2R)，這里的綠色氫能設施每小時可產生多達1200標準立方米的氫氣，將為車輛和固定地點的燃料電池供電。

如果使用的電力是低碳的，并且是由核能或可再生能源生產的，那么它們具有簡單的吸引力。

電解槽目前正在世界各地以示范或商業前規模安裝，最高可達幾MW。

在電解中，當然需要很大的功率容量。

IEA估計，要實現其氫氣目標，到2030年，電解裝機容量將達到850 GW左右，到2050年將達到近3600 GW。

這一數字可能被低估了：可能會使用專用設備，電解槽也可能會間歇性使用，有時會出現發電過剩的情況，從而提高了整體產能需求。

但甲烷重整和電解都對系統提出了其他要求——對熱量、氣體，尤其是水。

“整個系統”的觀點揭示了結合核能和氫能基礎設施的一些好處和復雜性。

熱量、天然氣和水是關鍵的輸入，當涉及到輸出時，僅僅生產氫氣是不夠的;它還必須交付給用戶。

3、核氫結合

塞茲韋爾是一座新的核電站，該電站已被指定用于可能的氫氣生產(圖源：Fotogenix)

在實踐中，核能與氫的關系是如何結合在一起的?

英國是這場討論的一個有趣的試驗場，因為有政治支持，英國既有新的反應堆大軍，也有支持將氫轉化為脫碳工業和運輸。

英國宣布了建造十幾座新反應堆的雄心壯志，并為氫的生產和使用提供了研發資金。這些重點是沿海地區現有的幾個“產業集群”。

最后，英國是一個相對較小的地區(為此目的，禁止新核能的蘇格蘭可以被排除在外)，因此潛在的核電站相對靠近，相距數十英里而不是數百英里。

雖然電力顯然可以在全國范圍內輸送給電解槽，但核電的關鍵供熱不能以同樣的方式輸送。

即使對于電力而言，有限的電網容量也已經造成了巨大的限制成本，而新建電網是一個緩慢且成本高昂的過程。這意味著選址問題是決定核能作為氫生產商角色成敗的關鍵。

位于東南海岸的塞茲韋爾(Sizewell)就是一個很好的例子，因為最近在現場批準了一個新反應堆塞茲韋爾C項目的開發許可。EDF此前表示，氫是塞茲韋爾C項目的潛在副產品。

核熱制氫

除了電力，核能還能產生更多的熱量，這也為制氫提供了機會。

顧名思義，熱量對蒸汽甲烷重整至關重要。

在當前部署中，熱量是通過使用額外的氣體產生蒸汽來提供的。雖然有優勢，但是會增加三分之一的天然氣消耗，所以不使用化石燃料的替代熱源很有吸引力。

但在電解中，高溫蒸汽的可用性改變了行業規則。提高電解溫度可顯著提高工藝效率，從100℃時的40%左右提高到850℃時約60%。

核能提供的更高溫度提供了另一種選擇：高溫蒸汽電解，在接近100℃的溫度下，將氫和氧從蒸汽中而不是水中分離出來，從而將制氫效率提高到80%左右。

利用核能發電生產氫氣，在選址上相對靈活，因為它可以在全國范圍內傳輸。利用核能的熱量正好相反：實際上，它不能遠距離運輸。

用水需求

英國水壓力圖揭示了制氫的潛在問題(圖源：網絡)

根據PA Consulting的數據，目前，市面上可買到的兩種主要電解槽(堿性和質子電子膜技術)的用水量為每千克產氫9-14千克(取決于所需的脫礦量)，有些估計高達每千克氫18千克水。

甲烷重整需要每千克氫氣6-13千克水。換言之，一個典型的估計是，當持續工作時，1 MW電解槽每天將產生約400 kg氫氣。這表明每天用水量為3.6-5.2立方米。

事實上，在塞茲韋爾，EDF對氫的熱情已經降溫，因為在滿足現場用水需求方面存在潛在問題。

塞茲韋爾B項目每天的淡水需求量為800立方米，與海水需求量(每秒50立方米)相比相形見絀，但僅在當地集水區，它仍占清潔水需求量的7%左右。塞茲韋爾C項目每天的淡水需求量更大，約為2000立方米。

盡管英國多雨，但環境監管機構環境署(Environment Agency)稱，該國東部和南部為“缺水”地區。

為了滿足塞茲韋爾C項目的淡水需求，EDF計劃安裝一條管道，從18公里外的Waveney河取水。

然而，當地水務公司埃塞克斯(Essex)和薩福克水務公司(Suffolk Water)預計，到21世紀40年代塞茲韋爾C項目運營時，該地區將處于“缺水”狀態，預計到那時，環境署將把其從Waveney河的取水許可證減少到目前水平的一半以下。

塞茲韋爾C項目還有另一個選項來滿足發電廠的用水需求——建造一個海水淡化廠。這樣它就可以使用海水來代替海水，不過這個選項已經遭到反對。

這使得提取更多的水用于制氫成為一個問題。一臺額定功率超過100 MW的商用電解槽可能會使現場對淡水的需求翻一番。

英國其他幾個核電站也位于“缺水”地區，通常位于該國南部和東部。但英國氣候變化委員會預計，除非用水發生重大變化，否則這些地區未來將擴大。

IEA表示，在沿海地區，使用海水是一種替代方法，使用反滲透進行海水淡化。

IEA表示，每立方米水的電力需求高達4 kWh，如果需要脫鹽，制氫總成本將增加0.01–0.02美元/kg H2。

基于這些理由，這遠不是不可能的，但陸上脫鹽，在處理脫鹽水旁邊產生的鹽水時會引發環境問題。

正如其他地方所建議的那樣，在海上風電場生產氫氣和在陸上管道輸送氫氣的方式是不同的。

沒有使用當地淡水的選擇，因此需要脫鹽，海上鹽水的處理問題較小。

管道問題

海瑟姆核電站(圖源：網絡)

雖然供水過去一直是核電站選址的主要考慮問題，供熱用戶的潛力也是如此，但核開發商過去不需要考慮天然氣運輸基礎設施的可用性。

如果核能被用作主要的氫氣生產商，情況就會發生變化。

利用核能促進甲烷重整，需要該工廠能夠長期獲得天然氣供應。

電解當然不需要氣體輸入。但這兩種方案都需要天然氣出口基礎設施。

今天，氫通過管道從生產點運輸到使用點，并通過低溫液體罐車或氣體管道拖車在公路上運輸。管道部署在需求旺盛的地區(每天數百噸)，預計幾十年內將保持穩定。

這意味著，使用甲烷重整路線的氫氣生產商，必須確保其使用的天然氣資產具有長期甲烷供應，這不包括可能轉換為運輸氫氣的管道。這實際上使甲烷重整器靠近甲烷進口終端。

所有這些都給新的核電站帶來了更為復雜的選址挑戰，這些核電站將在未來與電力并肩(或替代)生產氫氣，并為不同的客戶提供服務。

天然氣、水、氫和熱量的要求都必須在滿足核設施廣泛限制的場所得到滿足。

在英國，對現有天然氣網絡、產業集群和現有核設施的比較，表面上顯示出一些一致性。但如果放大，就會出現更復雜的畫面。

西北部的HyNET是氫氣增長區，用戶眾多。

海瑟姆核電站位于英國西北部氫中心海涅特附近，但距離熱量輸送仍太遠。

天然氣網絡也為其提供了良好的服務，目前正在考慮將其重新用于氫運輸。但最近的現有核電站是海瑟姆(Heysham)核電站，距離約60英里，中間有利物浦等大型城市中心。

通過使用新的核方案，這些問題將得到緩解。

較小的反應堆將有較小的水足跡。但它們也產生較少的氫氣，而體積較小又限制了氫氣運輸的選擇，因為管道變得不經濟。

如果“本地”反應堆有其他電力用戶，則需要本地氫用戶，以及管理間歇性氫供應的方法。

其他地點，如南部或東部海岸，離資源和消費者都很遠。

英國目前的核規劃框架在很大程度上限制了現有場地的新核設施。

事實上，該框架已經失效，預計會有一個新的選址框架。這可能會開辟新的核電站，盡管英國此前發現很難將其核電站池擴大到現有的核電站之外。

這些問題對電力資產經理來說都不是新問題。例如，熱電聯產項目定期管理熱電客戶，并可能包括一個蓄熱室以提供靈活性。

水供應有限的問題是眾所周知的，至少對于依賴河水冷卻的內陸核運營商來說是如此。氫能方案中的不確定性仍將給核投資者帶來新的挑戰。

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