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近日,英国核工业协会(NIA)宣布其《氢能路线图》已获得英国核工业委员会(NIC)通过,设定了到2050年英国核能制氢的目标,即1/3的氢需求(75太瓦时/年)由核能生产。《氢能路线图》概述了大规模和小型模块化反应堆(SMR)如何为生产无碳氢(即绿氢)提供电力和热量,现有大型核电站可通过电解法大规模生产氢气,而SMR预计将在未来十年内部署,使在工业集群附近制氢成为可能。路线图提出了发展核能制氢、实现低成本绿氢的政策建议。
(来源:微信公众号“先进能源科技战略情报研究中心” ID:CASEnergy 作者: CASEnergy)
关键要点如下:
一、核能制氢愿景目标
到2050年,英国有75太瓦时的氢由核能生产,约占总需求的1/3,达到上述产量约需12-13吉瓦的核能装机容量。
当前英国超过3/4的能源由化石燃料提供,根据气候变化委员会的分析,2050年氢能消费需达到225太瓦时,才能实现英国脱碳目标。英国“绿色工业革命10项计划”(Ten Point Plan)设定了到2030年低碳氢装机容量达到5吉瓦的目标,能够生产42太瓦时的氢气,约占2050年目标的20%,意味着2030-2050年期间绿氢生产能力需加速增长。
要实现这一宏伟目标,核能应成为英国生产绿氢的主要来源之一,其原因在于:(1)现有及在建核反应堆可以为冷水电解提供电力,在常温下生产绿氢,模块化反应堆也利用这一技术;(2)新型核反应堆的低碳热量可为水蒸气电解提供能量,从而更高效生产绿氢;(3)根据“绿色工业革命10项计划”的设想,正在开发的先进模块化反应堆(AMR)可在600-900℃下运行,因而可以进行高温水解制氢。
二、核能制氢途径及潜力
1、核能制低碳氢的主要途径
(1)冷水电解。通过核能为冷水电解提供电力,该过程已得到了小规模验证,在现有技术中成本最低。
(2)蒸汽电解。高温蒸汽电解温度约在600-1000℃,其能耗比冷水电解少1/3,因此有望实现更高效率。低温热也可提高电解效率,如150-200℃的低温热电解已被证明在技术上可行,其效率也高于冷水电解。
(3)热化学水解。利用AMR产生的600-900℃热量,在使用化学催化剂的情况下可使水分解为氢气,且具备较高效率。现有反应堆无法产生足够高温用于该过程,但政府正开发AMR以支持该项应用。
(4)化石燃料重整。通过核能废热为化石燃料蒸汽重整制氢提供高温热,但需配备碳捕集和封存(CCS)设施。
2、核能制氢的潜力
目前,英国核工业供应链的能力可促进核能制氢的发展,如将核研究设施用于制氢化学和材料研究;短期内,政府应支持核能电解制氢示范项目,以探索核能制氢的快速部署机遇;长期内,政府可通过支持SMR和AMR进一步提高效率、降低成本,以促进此类核能制氢技术在商业上可行,并实现在2030年代初期进行示范的目标。此外,还可通过聚变能提供高品位热,英国政府已在核聚变发电原型“球形托卡马克能源计划”(STEP)第一阶段中投入了2.2亿英镑。
核能具有热电联产潜力,为构建灵活的脱碳系统增加了更多可能,如将核能输出为氢能,或是基于氢能生产合成燃料(如氨)。用于热电联产或专用于制氢的反应堆可在棕地上建造,如废弃化石燃料电厂和退役核电站等。AMR可建造在大型工厂附近用于制氢,尤其适用于难以通过电气化脱碳的行业,如钢铁业等。
3、核能制氢的经济优势
基于上述举措,核能制氢可在如下方面改善制氢经济性:(1)提供可靠、稳定的零碳电力,确保电解槽全年都能实现高负荷率,从而降低制氢成本;(2)通过加热提高氢电解生产效率,以相同成本实现更高产量;(3)未来核反应堆的低碳热以及电力(热电联产)可扩大核能制氢工业用途;(3)通过使用核能产生的热力和电力,将部分核能设施用途在支持氢能生产和满足电力需求之间切换,有可能降低系统成本。
三、促进核能制氢部署的政策建议
当前绿氢不具备成本竞争力,尤其在许多并未实施碳定价的地方。通过实行鼓励投资的举措,可促进核能制氢的部署。
(1)通过氢能战略促进发展核能制氢,包括:将核能制氢归类为绿氢;将零碳发电生产绿氢作为首选方案;从灰氢(化石燃料制氢)向绿氢过渡。
(2)政府应根据先前承诺,在氢能咨询委员会中加入核工业界代表,以确保将核能制氢纳入英国氢经济的总体构想中。
(3)以本路线图的核能制氢愿景为战略目标,以促进行业创新。
(4)通过系统性基础设施挑战分析,确定电气化的最大程度以及氢气的应用范围,以明确部署氢能的主要挑战。
(5)采取核能制氢和其他绿氢的投资激励措施,以推动创新和降低成本。包括:①设立拨款及资助计划,鼓励研究和开发,以降低电解槽的成本。②引入新型融资模式以降低核项目相关的资本成本,降低其发电价格。可以通过政府直接融资或其他融资模式实现,如受监管资产基础(RAB)。③政府应与英国天然气电力市场办公室(Ofgem)合作,探索一项新方案,对零碳发电实行限制性付款,逐步限制发电的同时支持制氢。作为参考,对波动性可再生能源的限制性付款在2019年达到近4.5亿英镑。通过该方法,可将清洁能源转移到制氢,而非在供应过剩时关闭设施。④建立积极的碳定价体系,以支持英国净零排放目标。⑤解决核能制氢不受英国“可再生交通燃料义务法”(RTFO)支持的问题。⑥将各种核能制氢形式均纳入最近宣布的净零氢生产基金。⑦制定AMR开发时间表,包括氢气生产技术的示范,提供为期五年的研发资助,以确保稳定的技术开发。
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