据杰西卡·桑德杰罗希(Jessica Sondgeroth)6月中在美《能源情报》(Energy Intelligence)网上报道[1]，Xcel能源公司在明尼苏达州普雷岛(Prairie Island)核电厂开展的试点项目，以及NuScale能源公司和英国Rolls-Royce SMR公司的相关研究，都是利用“轻水堆”产生的蒸汽生产“粉氢”[2]的努力。国际能源署(IEA)称，到本世纪中叶，氢基燃料的使用可以帮助减少6%的碳排放。现代轻水堆集中在世界核能大国，特别是中国，关注、研究轻水堆“制氢”技术和经济性，还有特殊意义……
从动力堆转移输出部分蒸汽，有可能提高核能衍生“粉氢”生产的经济性。虽然这一主张最好通过高温气冷堆加以证明，但渴望从潜在的巨大清洁氢市场中分得“一杯羹”的核电倡导者，正在研究如何将轻水堆(LWR)的蒸汽转移到粉氢生产中，而不仅仅是为电解槽供电。
从美国运营商Xcel能源公司位于明尼苏达州普雷岛压水堆试点项目、法国电力公司(EDF)在英国Sizewell C EPR的计划[3]，以及“轻水”小型模块化反应堆(iSMR)供应商NuScale能源公司和Rolls-Royce SMR公司开展的研究中，都能看到这些早期的努力。所有这些公司都希望确认一种新型制氢方法的效能。如果这种方法得到证实，就有可能为众多希望除碳的行业带来活力，包括能源储存、运输燃料、石油提炼和钢铁生产。
国际能源署(IEA)在2022年9月的一份报告中指出，到2050年，仅氢基燃料一项就可使累计总排放量减少6%。“目前的氢气生产主要基于化石燃料技术，”而低排放“生产占2019～2021年氢气总产量的比例不到1%”。伍德麦肯兹(Wood Mackenzie)在2022年6月的一份氢报告中估计，到2050年，对低碳氢的需求量将从目前的近乎零增长到2.11亿吨。
高温蒸汽有助于提高从水中分离氢的电解过程的效率。高温气冷堆可随时获得高温蒸汽，而低温反应堆的运行温度较低，需要提供热能来汽化电解厂的单独清洁脱盐给水流。
商业示范案例
Xcel能源公司预计，普雷岛核电厂高温电解试点项目将于 2024 年下半年开始运营。它是美国能源部爱达荷国家实验室(INL)利用核能开展的三个低温电解项目中唯一的高温项目，已获得1,000万美元的现金奖励。
Xcel能源公司负责清洁燃料的副总裁雷格·张伯伦(Greg Chamberlain)告诉《能源情报》，Xcel希望“既成为氢气的生产者，也成为氢气的消费者”，并指出氢气在发电、天然气混合和其他清洁分子方面的优势。理想情况下，当需求量较低或可再生能源产量较高时，发电厂将提供多余的电力和蒸汽制氢，但电力部门激进的除碳目标可减少限制可再生能源和核能的过剩量。不过，在适当的情况下，现有和未来的核电生产商可以灵活地进行电力供应，同时仍然为制氢提供蒸汽。
与仅使用电力的低温电解法相比，高温电解法不仅使用电力，还使用蒸汽更有效地生产氢气。幸运的是，高温电解可以从任何地方获得电力，而蒸汽供应则必须相对靠近。Xcel核创新工程经理莫莉·斯特拉瑟(Molly Strasser)告诉《能源情报》，“电力很容易运输”，但“蒸汽就不那么容易运输了，而且要确保最终温度合适”。
使用核电厂的蒸汽需要在附近设置一个电解“滑撬”(skid)或平台，但要与核电厂本身保持安全距离。在普雷岛核电厂，一条“热输送环路”将把核工艺热能从反应堆厂房输送到约1公里外的高温蒸汽电解(HTSE)厂。除了用作热能的蒸汽外，给水供应还必须满足电解氢气的高标准，这可能会影响现有轻水堆寻求进入氢气市场的技术和经济性能。斯特拉瑟说，“因此，这是我们讨论过的问题，但我认为我们需要在适当的情况下才能真正解决这个问题。”
未来的挑战
Xcel能源公司普雷岛核电厂的高温电解试验项目仍处于设计阶段，计划把这个电厂生产的240 MW电力和用于发电的10%～15%的蒸汽转移到电解厂。斯特拉瑟说，“从技术上讲，这很容易，但在现实中，在实际操作上，也许并不那么容易。” “这是尝试着把两种不同的技术耦合在一起。单就核能而言，我们很熟悉，日常工作‘得心应手’;但把‘氢撬’与核电装置整合在一起却是突破了常规，是个首创。在处理这项技术中，在这两方面都有一个学习过程。”
斯特拉瑟指出，例如，设备供应商必须熟悉核运营商必须遵守的规则、法规和标准。主要挑战之一是建立新生的电解槽供应链，尽管目前取得了一些进展。伍德麦肯兹公司2月份的一份报告中指出，“一年前，电解槽制造看起来还是个瓶颈。这种情况似乎已不复存在，2022年宣布的发电量将达到创纪录的45 GW。”但是仍然有许多障碍，包括氢气运输，因为氢气极不稳定。Xcel和INL提议建个管道网络，将氢气输送到终端用户。
2021年，INL与Xcel合作编写了一份报告，其中总结道：尽管认为轻水堆产生的热能“在高达300°C的温度下仍然是低品位的”，但这种热能可“用来克服大量水蒸发所需的大量潜热能”。“汽化后，可利用热回收和顶层加热器提供显热，将蒸汽提升到高温蒸汽电解(HTSE)的工作温度(接近700 °C～800 °C)。”
新市场机遇
其他核电供应商和开发商已在计划至少创建一种选择，即从计划的小型堆甚至大型堆中转移蒸汽用于制氢。例如，在法国电力公司正在计划在英国新建的Sizewell C核电厂中，为EPR增设一个阀门，以便将这个巨型反应堆产生的部分热量转移出去。一位高管解释说，“如果从Sizewell C带走400 MW热能(这与安全情况相符)，那么对电力输出的影响非常小，而得到的热能会非常便宜。”
小型模块式轻水堆(SMR)可能会采用与正在部署中的普雷岛相类似的方法。NuScale能源公司5月31日表示，该公司进行的研究表明，“单个”NuScale SMR模块产生的蒸汽可用于“各种高温工艺流程”，包括制氢。NuScale发言人黛安娜·休斯(Diane Hughes)告诉《能源情报》，不需要对模块进行任何改动，蒸汽可通过“先进的固态氧化物电解槽”进行“热回收”，高温电解槽位于“核电厂边界之外”。
随后，Rolls-Royce SMR公司宣布了与投资公司住友商事(Sumitomo Corporation)联合开展的可行性研究结果。这家总部位于英国的SMR供应商在6月14日的一份声明中表示，这项研究分析了利用Rolls-Royce SMR公司热能和电能运行电解槽生产低碳氢气的情况，发现其 SMR“在生产低碳氢气方面比其他能源更具有显著优势”。住友“现在将使用这份报告，支持选址适宜性工作，并进一步了解在英国利用Rolls-Royce SMR以及清洁制氢设施的潜力”。
见解与思考
1. 除了蓝氢和绿氢，还有一种利用核能生产的粉氢，在很大程度上被忽视了。与绿氢一样，粉氢的生产过程也包括电解，但关键区别在于它使用核能进行生产。随着世界各地能源公司和政府都在积极寻找化石燃料的替代品，粉氢可能会像绿氢一样获得关注。
2. 绿氢依赖可再生能源提供动力的电解，将水分解为氢和氧。相比之下，粉氢使用核能生产，虽然也使其不含碳，但由于核能归类为不可再生能源，因此在技术上并非绿色。然而，粉氢的碳污染水平被认为与使用可再生能源生产的绿氢近似。
3. 国际原子能机构(IAEA)制定了氢经济评估计划(HEEP)，以支持全球粉红氢项目的开发。它是一个免费工具，用于评估大规模粉氢生产的经济性。
参考资料与注释
[1] Jessica Sondgeroth, Economics: Enabling Pink Hydrogen from LWRs, ENERGY INTELLIGENCE, Jun 16, 2023.
[2] “粉氢”是利用核能给水电解提供动力而产生的氢，也称之为紫氢，或红氢。
[3] 指EDF还在建造中的Sizewell C EPR型压水堆核电厂的制氢计划。
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