氫能可以為核運營商提供價格對沖和新的收入源，對此，美國正在對該期權進行投資。

1、氫能開發項目

美國九英里角核電站(圖源：Constellation)

在美國紐約州的九英里角(Nine Mile Point)核電站，美國能源部(DOE)和發電廠運營商Constellation公司共同支持建設的一個項目，發電廠使用電解槽將水分解為氫氣和氧氣，以滿足發電廠的氫氣需求，并將此產品送入發電站現有的儲氫系統和配套基礎設施。

Constellation公司已獲得DOE 580萬美元的撥款，與內爾氫能公司(Nel Hydrogen)、阿貢國家實驗室、愛達荷州國家實驗室和國家可再生能源實驗室合作，探索現場制氫的潛在好處。

在九英里角電站運行的清潔制氫系統額定功率為1.25MW，每天產生560公斤氫氣，足以滿足工廠的運行氫氣使用。

九英里角核電站的清潔制氫系統(圖源：Constellation)

這也將有助于為在Constellation公司的其他清潔能源中心進行大規模部署奠定基礎，將清潔氫氣生產與儲存和其他現場用途結合起來。

很明顯，擁有強大發電能力的核電站將能夠自行發電來生產氫氣以滿足其需求。

事實上，到目前為止，九英里角電站所用氫氣都是通過卡車運送到現場——就像其他核反應堆一樣。

氫氣都是通過天然氣的蒸汽甲烷重整生產的，大多數工業氫氣也是如此。事實上，目前美國95%的氫氣來自化石燃料。

2、氫能作用

氫氣在脫碳方面有幾個重要作用。

氫能是脫碳行業的基礎，在氫能生產工藝(如煉鋼或混凝土)中，必須創造非常高的溫度環境，目前主要是通過燃燒化石燃料(通常是天然氣)來實現。

在其他所謂的“難以脫碳”領域，如運輸(尤其是重型貨車)，氫氣也是化石燃料的潛在直接替代品。

在電力部門和核工業中也有應用，氫能是一個重要的部分。

為什么氫氣是可再生能源行業的一個重要機會?

如果使用依賴天氣變化的可再生能源，則意味著在條件有利的時候——晴天的光伏發電場和大風期的風電場——會產生供過于求的電力，產生各種影響。

在供過于求的時候，能源價格會大幅下降(有時被稱為價格相殘)，而在歐洲，現貨市場價格已經遠遠低于成本價，因為可用的電力超過了系統的傳輸能力。

大規模太陽能——無論是安裝在屋頂和(法國現在要求的)停車場雨棚上，還是作為“公用事業規模”的地面太陽能發電場——在陽光明媚的日子里隨著發電量的增減而短暫滿足所有需求，很多地區已經實現了這種自給自足。

在其他時候，當天氣不利時，電能價格會大幅上漲，但可再生能源無法利用這一點。

這些管理生產和需求的問題，對于核電領域來說，已經十分熟悉了，它們也無法對電力市場狀況做出反應——在這種情況下，核電站在滿功率下運行效率最高。

有了大量的核容量，在需求下降的時候，比如夜間，可能會出現電力過剩。

使用直接還原法生產鋼鐵是氫氣的一個關鍵應用。

電力公司通過在夜間提供更便宜的電費來解決這一問題，主要但不限于有24小時需求的工業用戶。

制氫可以解決這兩種低碳發電方式的問題。

如果以低(甚至負)價格產生多余的電力，則可以通過電解槽生產氫氣進行儲能。

這同時避免了核運營商通過低價尋找其他客戶銷售電力。同時，重要的是，這是一種相對容易儲存的產品。

他們和可再生能源運營商一樣，不僅應該將其視為一個過剩電力的市場，還應該將其看作是對電價暴跌時期的對沖。

應該注意到，氧氣也是電解水的副產品，即使氫能市場消沉，那么也應該注意的是，根據Future Market Insights的數據，2023年美國工業氧氣的銷售額達到近700億美元，同比增長近9%。氧氣市場依然不容小覷。

這顯然吸引了Constellation公司在九英里角電站之外的興趣：該公司表示，它正在與代表氫氣價值鏈各個階段的公共和私營實體合作，以發展區域氫氣生產和分銷中心，并承諾到2025年投資9億美元，用于利用核能進行商業清潔氫氣生產。

這包括參與中西部清潔氫氣聯盟(MachH2)、東北清潔氫氣中心和大西洋中部氫氣中心，所有這些都在探索與DOE合作開發氫氣基礎設施的項目。

3、不斷增長的市場

豐田使用氫燃料電池驅動的傳動系。運輸可能是核氫的一個關鍵市場。

解決可變性問題的需求，將是氫市場需求成倍增長的主要因素。

可變性是電力系統運營商的一個主要問題，根據時間尺度有幾種解決方案。

在一到兩個小時的時間里，電池可以吸收或釋放多余的電力。

電池還有其他收入來源，因為它們的快速響應意味著它們還能夠幫助網絡運營商保持在頻率變化的限制范圍內。

例如，英國是建設海上風電場的全球領導者，也在建設大規模太陽能。

在電池存儲的幫助下，兩者在很大程度上是互補的，英國市場目前有超過60 GW的短期存儲在運行或計劃中，超過了典型的峰值負載。

如果用于取代燃氣輪機或燃氣發動機中的甲烷，氫氣是管理短期變化的另一種選擇。

它也有助于解決持續時間更長的可變性這一更困難的問題。

英國就是一個很好的例子。英國雄心勃勃的目標是到2030年將主要位于北海的海上風電容量提高到50GW。

在滿功率的時候，將滿足英國的大部分需求。但在某些年份，在最冷的冬季——1月和2月——英國和北海作為一個整體會出現長達兩三周的寒冷、無風的天氣。

對于一個越來越依賴可再生能源的系統來說，這被稱為“風旱”——英國不能依靠鄰國來填補這一缺口，因為它們也嚴重依賴受相同天氣條件影響的北海風電場。

這就是為什么氫氣市場預計將快速增長，也是為什么它是核運營商的重要市場。

日本原子能機構和三菱重工將在日本茨城縣大洗町的高溫試驗堆建立一個示范氫氣生產項目。

目前，利用核能電解生產的氫氣正與甲烷生產的氫氣進行技術準備競賽，只有將碳捕獲和儲存納入該過程，甲烷才能被描述為低碳。

核能也在與利用可再生能源電解生產的氫氣競爭。

在這種情況下，這兩種選擇具有一些共同的技術開發目標，例如降低電解槽的成本。

但他們對該系統的提供是有區別的，因為核能有兩個額外的潛在優勢：高溫，這允許使用更高效的電解槽;以及其大型旋轉機械(以渦輪發電機的形式)，其提供了寶貴的穩定性以將電力供應保持在電壓和頻率限制內。

電解使用三種技術之一：堿性法、PEM或固體氧化物電解槽(SOECs)。

德國全球首套MW級風電PEM水電解制氫示范項目

堿性工藝已經使用了一個多世紀，PEM可以在亞秒響應時間的一系列負載下有效運行，這使得它們與太陽能和風能等可變能源特別兼容。

SOEC在高溫下使用陶瓷電解質，是三種技術中商業化程度最低的，但它們的電效率高于其他兩種系統，并且“在有高溫熱量的情況下，例如核電站和集中太陽能，可能更具成本效益”。

4、美國核能計劃

在啟動了一項60億美元的計劃以支持現有核電站的持續運營后，DOE又啟動了95億美元清潔氫技術投資計劃，其中包括核能的使用。這兩項倡議都是兩黨基礎設施法的一部分。

美國氫能計劃已經成功啟動。

美國核能部助理部長凱瑟琳博士說，九英里角電站實驗“有力地證明了我們國家現有的反應堆艦隊今天可以生產清潔的氫氣”。

“DOE很自豪能夠支持這樣的成本分擔項目，以提供負擔得起的清潔氫氣。我們現在開始通過兩黨基礎設施法和通脹削減法案進行的投資將進一步擴大清潔氫市場，為核能創造新的經濟和環境效益。”

Constellation公司總裁兼CEO喬·多明格斯在一份聲明中表示：“氫能將是解決氣候危機不可或缺的工具，而九英里角電站將向世界表明，核能是從無碳資源中生產核能的最高效、最具成本效益的方式。”

他進一步補充道，“通過與DOE和其他機構的合作，我們看到這項技術為仍然嚴重依賴化石燃料的行業脫碳創造了一條途徑，同時創造了清潔能源就業機會，加強了國內能源安全。”

氫氣是DOE《通脹削減法案》中的一項關鍵技術，該法案包括開發和促進清潔氫氣生產商業化的措施。

2021年6月7日，氫能被宣布為DOE所謂的“能源攻關”( “Energy Earthshots”)計劃中的第一個，該計劃旨在通過解決特定障礙來加快向清潔能源的轉變。

氫能計劃催化了“任何有潛力實現可再生能源、核能和熱轉化等目標的氫途徑的創新，為全國不同地區提供了激勵”。

其主要目標是在十年內將清潔氫氣的成本降低80%，降至1美元/公斤，低于目前使用可再生能源電解生產的氫氣的約5美元/公斤。

DOE表示，“實現氫能計劃80%的成本降低目標可以打開氫氣的新市場，包括鋼鐵制造、清潔氨、儲能和重型卡車運輸”，并有可能將低碳氫氣市場增加500%。

5、氫能路線圖

繼氫能計劃宣布后，去年12月最終確定了美國的氫能路線圖。

在路線圖中，將氫描述為“通過長期儲能實現可再生能源，并為清潔發電(如今天的核能)以及先進的核能和其他創新技術提供靈活性和多種收入來源”。

路線圖指出，高溫電解需要與核電站等熱源進行集成和優化，以提高氫氣生產效率。

報告稱，美國目前擁有約1600英里(2575公里)的專用氫氣管道和三個地質洞穴，其中包括世界上最大的洞穴，可儲存相當于350 GWh的熱能。

它指出了將氫氣生產和儲存地點設在靠近客戶的地方的重要性，無論是對于氫氣還是其衍生物，如氨，它都提出了一系列目標。

路線圖的目標包括：

2022-2023年：1.25 MW電解槽與核能集成用于制氫(由九英里角電站項目滿足);

2024-2028年：至少10個氫能示范項目，包括核示范項目，以及20MW的電解核熱提取、分配和控制;

2029-2036年：美國每年生產1000萬噸清潔氫氣。

在討論工業規模擴張過程中可能出現的挑戰時，核能的潛在重要作用也很明顯。特別是在2027年至2034年期間。

屆時，DOE預計，清潔電力將面臨競爭。不僅存在對電解制氫的預期需求，而且預計還會出現其他需求領域。

包括直接空氣捕獲，這可能與建筑和交通的電氣化同時發展。

DOE表示，“到2030年，將需要多達200GW的額外可再生能源，通過水電解為清潔氫氣供電”，但核能可以減少這一數量。

拜登-哈里斯政府已通過DOE提供7.5億美元的資金，用于研究、開發和示范工作，以大幅降低清潔氫氣的成本。

DOE計劃通過一系列項目資金呼吁來分配資金，這些項目將持續兩到五年。第一個資助階段的申請截止到7月中旬。

如果該行業能夠應對挑戰，那么這一切都為低碳氫和核能的未來發展提供了一個令人信服的理由。

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