幾乎所有的清潔能源轉(zhuǎn)型場(chǎng)景都賦予了氫在我們未來的關(guān)鍵作用。隨著地緣政治對(duì)天然氣價(jià)格的影響加速了核能制氫的經(jīng)濟(jì)前景，核能機(jī)會(huì)的巨大規(guī)模令人驚嘆。
1、氫能需求增長(zhǎng)
如今，全球每年產(chǎn)生約9,000萬噸氫氣，但為了實(shí)現(xiàn)凈零排放，預(yù)計(jì)未來幾十年對(duì)氫氣的需求將大幅增加。
根據(jù)國(guó)際能源署(IEA)最近的一項(xiàng)分析，在化石燃料替代品需求的推動(dòng)下，到2050年，氫需求可能達(dá)到5億噸或更多。
今天生產(chǎn)的絕大多數(shù)氫氣來自天然氣的蒸汽重整，使得當(dāng)今市場(chǎng)上可獲得的大部分氫氣基本上是化石燃料。
然而，低碳替代品——所謂的可再生能源電解產(chǎn)生的綠色氫氣，或核能電解產(chǎn)生的粉色氫氣——價(jià)格昂貴得令人望而卻步。
隨著烏克蘭沖突的地緣政治影響推動(dòng)全球天然氣價(jià)格高企，并加倍關(guān)注低碳替代品和能源供應(yīng)安全，核能氫的機(jī)會(huì)比以往任何時(shí)候都大。
甚至在烏克蘭崩潰和北溪天然氣管道遭到破壞等事件發(fā)生之前，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)2021年的一份報(bào)告就得出結(jié)論：如果“天然氣價(jià)格上漲到每百萬英國(guó)熱單位(BTU)20美元以上，最佳的制氫方法是由核能和可再生能源混合提供電解動(dòng)力” 。
然而，最近，經(jīng)合組織核能機(jī)構(gòu)(NEA)的一份題為《核電在氫經(jīng)濟(jì)中的作用：成本和競(jìng)爭(zhēng)力》的分析得出結(jié)論，鑒于當(dāng)前天然氣價(jià)格波動(dòng)和總體政策野心，如果采取適當(dāng)?shù)呐e措，氫經(jīng)濟(jì)中核電的前景將是一個(gè)重大機(jī)遇。
2、核能成本機(jī)會(huì)
蘇格蘭格蘭杰默斯煉油廠等大型工業(yè)中心可能是當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的核能的一個(gè)有吸引力的市場(chǎng)。
NEA的報(bào)告強(qiáng)調(diào)了成本差異的變化，這是競(jìng)爭(zhēng)性核能制氫出現(xiàn)的關(guān)鍵因素。
當(dāng)然，在沖突之前，甲烷的蒸汽重整成本更低，但現(xiàn)在這種情況不僅發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，而且在可預(yù)見的未來很可能會(huì)繼續(xù)。
根據(jù)NEA的說法，隨著水分離技術(shù)的不斷改進(jìn)和成熟，化石燃料蒸汽重整和水電解之間的競(jìng)爭(zhēng)差距預(yù)計(jì)將在2025年前縮小。
然而，考慮到目前的市場(chǎng)動(dòng)態(tài)，這一經(jīng)濟(jì)差距可能會(huì)比之前預(yù)期的要快得多。
盡管NEA認(rèn)為“到2035年，世界上大多數(shù)地方很難實(shí)現(xiàn)低于每千克氫氣2.5美元的大規(guī)模電解氫生產(chǎn)”，但他們指出天然氣價(jià)格的極度波動(dòng)。
假設(shè)天然氣價(jià)格為100美元/MWh，實(shí)際上低于2022年第二季度世界某些地區(qū)的價(jià)格，他們得出結(jié)論，蒸汽甲烷重整制氫成本預(yù)計(jì)將大幅增加。
NEA分析得出結(jié)論，“利用碳捕獲、利用和儲(chǔ)存(CCUS)進(jìn)行蒸汽甲烷重整的氫氣生產(chǎn)成本估計(jì)為每千克氫氣5.87美元，比最不具競(jìng)爭(zhēng)力的方案貴65%”。
盡管該分析確定了海上風(fēng)電是成本最低的方案，但他們注意到，氫氣市場(chǎng)可能會(huì)變得越來越分散，區(qū)域資源的可用性將在很大程度上決定氫氣的主要生產(chǎn)技術(shù)和最終成本。
此外，由于核電既可調(diào)度，又具有規(guī)模，因此與工業(yè)共址相關(guān)的額外機(jī)會(huì)也存在。
這種方法將最大限度地降低氫儲(chǔ)存、運(yùn)輸和分配的基礎(chǔ)設(shè)施成本。
事實(shí)上，該報(bào)告估計(jì)，對(duì)于滿足大型工業(yè)綜合體持續(xù)需求的500MWe系統(tǒng)，基于核的價(jià)值鏈的基礎(chǔ)設(shè)施成本約為每千克氫氣0.16美元。
當(dāng)在類似應(yīng)用中考慮可變產(chǎn)量可再生能源生產(chǎn)時(shí)，NEA估計(jì)這些額外成本約為每千克氫氣0.77美元。
因此，考慮到整個(gè)價(jià)值鏈和生產(chǎn)成本，核能作為一種有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案脫穎而出。
事實(shí)上，NEA表示，“在給定的電解槽規(guī)模下，基于核能的氫價(jià)值鏈的更大容量和連續(xù)生產(chǎn)允許成本高效地部署所有基礎(chǔ)設(shè)施。”
3、政策
盡管市場(chǎng)基本面是積極的，長(zhǎng)期前景是明確的，但如果核電要實(shí)現(xiàn)其潛力，就必須應(yīng)對(duì)一些挑戰(zhàn)。
技術(shù)、政策和監(jiān)管障礙仍然是實(shí)現(xiàn)氫經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期擴(kuò)張的主要障礙。
這需要雄心勃勃的政策舉措來支持氫氣部署，并在短期內(nèi)讓利益相關(guān)者參與進(jìn)來。
NEA表示，研究、開發(fā)和示范計(jì)劃的成功，堅(jiān)定和持續(xù)的政治承諾，以及利益相關(guān)者制定和商定的氫處理、交易技術(shù)和監(jiān)管框架，這些都是未來氫部署的關(guān)鍵。
NEA概述了實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模粉氫必須采取的若干政策建議。
例如，他們認(rèn)為，作為第一步，必須證明大規(guī)模低碳水電解是現(xiàn)有碳密集型制氫技術(shù)的可行替代方案。
他們進(jìn)一步指出，需要雄心勃勃的示范計(jì)劃來回答大型低碳制氫工廠和價(jià)值鏈所提出的經(jīng)濟(jì)、工程和監(jiān)管問題，無論這些系統(tǒng)是基于可再生能源、當(dāng)前的第三代輕水反應(yīng)堆還是其組合。
NEA還建議制定政策框架，允許廣泛生產(chǎn)低碳?xì)洹?/p>
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們建議制定參考凈零路徑，強(qiáng)調(diào)快速擴(kuò)大低碳?xì)渖a(chǎn)的重要性。
NEA指出：“限制能源生產(chǎn)低碳?xì)?，將在短期?nèi)限制部署，并在長(zhǎng)期內(nèi)導(dǎo)致額外的系統(tǒng)成本。”
另一項(xiàng)建議是，通過估算儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)化、運(yùn)輸和配送成本，確保將氫氣生產(chǎn)和配送的全部成本考慮在內(nèi)，這“可能意味著氫氣配送的巨大額外成本”。
他們指出，必須考慮整個(gè)價(jià)值鏈要求，以評(píng)估項(xiàng)目的整體業(yè)務(wù)案例并設(shè)計(jì)成本效益高的基礎(chǔ)設(shè)施。
最后，NEA建議，在中期內(nèi)，應(yīng)增加提高氫氣生產(chǎn)效率的研究和開發(fā)，因?yàn)?ldquo;甲烷熱解或水熱化學(xué)循環(huán)，可能與第四代反應(yīng)堆技術(shù)相結(jié)合，是有希望的低碳選擇，可以降低氫氣生產(chǎn)的一次能源需求” 。
4、核能氫的發(fā)展
鑒于這樣機(jī)會(huì)的規(guī)模，全世界對(duì)核能制氫的興趣已經(jīng)越來越大。
例如，在英國(guó)，最近有報(bào)道稱，化工巨頭INEOS正在與勞斯萊斯(Rolls-Royce)進(jìn)行探索性談判，可能會(huì)看到SMR技術(shù)生產(chǎn)出蘇格蘭格蘭杰默斯(Grangemouth)大型煉油廠脫碳所需的氫氣。
按照NEA的建議，也有積極的政策發(fā)展。
今年，德國(guó)北萊茵-威斯特法倫州政府確認(rèn)了77萬歐元的資金，以支持在科隆INEOS工廠建設(shè)100 MW水電解廠生產(chǎn)綠色氫氣的可行性研究。
INEOS此前披露了在歐洲范圍內(nèi)實(shí)施20億歐元綠色氫項(xiàng)目的計(jì)劃。
與此同時(shí)，美國(guó)總統(tǒng)拜登(Joe Biden)最近簽署的具有里程碑意義的《通脹削減法案》(Inflation Reduction Act)為清潔氫生產(chǎn)撥款95億美元，美國(guó)能源部的評(píng)估顯示，核能可能產(chǎn)生高達(dá)全國(guó)總需求的15%。
NEA最新研究的中心結(jié)論是，核能可以以具有競(jìng)爭(zhēng)力的成本大規(guī)模生產(chǎn)低碳?xì)洹?/p>
但從根本上講，未來氫經(jīng)濟(jì)的巨大規(guī)模為核能提供了巨大的機(jī)會(huì)。
電解過程通常需要約50 kWh的電力來產(chǎn)生1kg氣體。
鑒于目前的氫氣產(chǎn)量約為9000萬噸，僅脫碳一項(xiàng)就需要每年4500 TWh的低碳電力。
IEA預(yù)測(cè)，到2030年，每年將通過電解生產(chǎn)約8000萬噸氫氣，這意味著額外的電力需求為4050 TWh，約為整個(gè)歐洲當(dāng)前年需求的1.5倍。
法國(guó)的一個(gè)氫充電站(圖片：McPhy)
將氫氣產(chǎn)量提高到5億噸不可避免地意味著將專用清潔能源產(chǎn)量提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這些數(shù)字表明了機(jī)遇的規(guī)模和挑戰(zhàn)的艱巨性。
5、未來發(fā)展
IAEA在其對(duì)全球核能力的最新預(yù)測(cè)中，其高風(fēng)險(xiǎn)情景與一年前相比增加了10%，并于2021首次修訂了自十年前日本福島第一核電站核災(zāi)難以來的年度增長(zhǎng)預(yù)測(cè)。
在高發(fā)展情景下，IAEA現(xiàn)在預(yù)計(jì)，到2050年，世界核能發(fā)電量將增加一倍以上，達(dá)到873 GWe，而目前的水平約為390 GWe。
正如IAEA總干事拉斐爾·馬里亞諾·格洛西所說：“我們正處于世界向更安全、穩(wěn)定和負(fù)擔(dān)得起的能源未來過渡的關(guān)鍵時(shí)刻。”
核能制氫可能是清潔能源未來的重要組成部分。
(本文編譯《Price shift boosts prospects for nuclear hydrogen》)
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