鉅大LARGE | 點擊量：716次 | 2022年10月28日
核能制氫有望打開氫燃料動力電池發(fā)展源泉
近幾個月來國家密集出臺政策支持燃料電池汽車產業(yè)，燃料電池概念炙手可熱。但氫氣作為一種二次能源，需要利用一次能源來生產。以可持續(xù)的方式實現(xiàn)氫的大規(guī)模生產是實現(xiàn)氫廣泛利用的前提。隨著技術和工藝的不斷進步，核能制氫有望打開氫燃料電池發(fā)展源泉。
氫氣：優(yōu)異的二次能源
氫氣是一種多用途的能源載體，可以從各種能源中生產，并在整個能源部門的多個應用中使用。因為它是一種化學燃料，所以它能夠以電力無法實現(xiàn)的方式進行交易和儲存，這使得一些化石能源滲透最深的行業(yè)能夠以最小的代價來切換到氫能源，包括鋼鐵生產、化工、供熱和長途運輸
氫氣的來源比較廣泛，既可以借助傳統(tǒng)化石能源如煤炭、石油、天然氣等通過化工方法制備，也可以由風電、太陽能的可再生能源發(fā)電后電解得到，甚至可以通過核能制取，能夠滿足各種場景對氫能的需求。
氫氣的能量密度高，燃燒熱位居當前主流燃料之冠。同等質量下氫氣的燃燒熱是液化石油氣的2.4倍、汽油的2.7倍、酒精的4.5倍。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
氫氣儲存與運輸比較方便，可以實現(xiàn)持續(xù)供應、遠距離輸送和快速補充。各種一次能源都可以轉化為氫氣，方便就地取材，轉化儲運。比如將多余的電力轉化為氫氣，然后以壓縮氣體、液化、金屬氰化物、碳質吸附等方式儲存起來，像傳統(tǒng)化石能源一樣通過管道、公路、船舶、鐵路等方式進行運輸。
值得注意的是，氫氣是一種二次能源，是載體而不是能源本身。雖然氫作為一種分子成分在自然界中很豐富，但人們需要消耗能量來產生純氫氣。氫本身不含碳，在氫能的消費過程中，比如用于燃料電池或在熱機中燃燒時，水是唯一的排放物。然而，氫能整個生命周期的碳排放量由一次能源和制氫過程決定，在量化氣候效益時需要通盤考慮，不能武斷地說氫是一種清潔能源。
氫燃料電池汽車
目前氫能的產業(yè)化應用還處于探索階段，氫能的主要有以下幾個應用場景：作為一種高能燃料，用于航天飛機、火箭等航天工業(yè)設備及城市公共汽車中；作為保護氣用于電子工業(yè)中，比如在集成電路、電子管、顯像管等的制備過程中；在煉油工業(yè)中對石腦油、燃料油、粗柴油、重油等進行加氫精制；在冶金工業(yè)中還可以作為還原劑將金屬氧化物還原為金屬；在食品工業(yè)中，食用的色拉油就是對植物油進行加氫處理的產物；氫氣也是化工工業(yè)中重要的合成原料。近年來興起的氫燃料電池汽車是氫能應用的一個重要方向。
氫能源汽車包括氫內燃車和氫燃料電池車兩大類。其中，前者是將氫當做化石能源的替代，利用內燃機將化學能轉化為動能。而氫燃料電池車是使氫或含氫物質及空氣中的氧通過燃料電池以產生電力，再以電力推動電動機，由電動機推動車輛。氫燃料電池具有清潔高效的特點，是普及利用氫能的關鍵技術。
燃料電池有別于原電池，優(yōu)點在于透過穩(wěn)定供應氧和燃料來源，即可持續(xù)不間斷的提供穩(wěn)定電力，直至燃料耗盡，不像一般非充電電池一樣用完就丟棄，也不像充電電池一樣，用完須繼續(xù)充電。甚至透過電堆串連后，可以媲美發(fā)電量百萬瓦(MW)級的發(fā)電廠。
截至2018年4月，全球燃料電池電動汽車（FCEV）達到8000輛。美國以4500輛汽車位居榜首，主要注冊在加州。日本位列第二，擁有2400輛氫燃料汽車，其次是德國和法國。在中國，燃料電池汽車的數(shù)目正在增長。截至2018年6月，中國約有2000輛中型卡車和280輛公共汽車。在歐洲，燃料電池和氫聯(lián)合企業(yè)正在實施一個燃料電池公交車項目，其目標是到2022年在20個城市部署大約300輛公交車。
核能：大規(guī)模制氫首選
在全球低碳能源革命的進程中，大規(guī)模清潔制氫技術將是核能利用的發(fā)展源泉。目前比較成熟的制氫技術中，通過蒸汽重整技術和氣化技術從化石燃料中制氫是較為經濟的選擇，適用于工業(yè)上大規(guī)模生產，但缺點是會造成二氧化碳的排放，與直接使用化石燃料差別不大，與全球能源低碳轉型的方向相左。
缺點
蒸汽重整：用熱和蒸汽分解碳氫化合物。
大型化原理清晰，技術成熟，適于大規(guī)模商業(yè)化生產，原料來源廣泛，經濟性強，是集中生產的理想選擇。
小型裝置還未商業(yè)化；有二氧化碳排放；氫氣含有一些雜質；一次燃料本可直接使用；受天然氣價格波動影響。
氣化：將重烴和生物質分解成氫氣和其他氣體。
大型化原理清晰；可用于固體和液體；豐富的（煤）資源。
比甲烷富氫少；效率低；煤中二氧化碳排放量高；原料需要預處理；使用前需要清洗；生物質氣化仍處于中試規(guī)模；生物質的能量密度低。
電解水
原理清晰；商用化技術成熟；產生高純度氫；模塊化；方便利用可再生電力；是分布式生產的理想選擇。
電價對氫氣的成本影響很大；整個技術鏈條的效率較低；需要開發(fā)耐用的高溫電解模塊；與直接使用可再生電力的存在競爭。
熱化學循環(huán)：利用核能或太陽能產生的廉價高溫熱能將水分解。
潛在的低成本大規(guī)模生產；無溫室氣體排放；高效率（預計約50%），研發(fā)和部署方面的國際合作。
未商業(yè)化；侵蝕性的化學物質；工藝和材料技術仍需要大量的研發(fā)工作；高資本成本；需要部署高溫核反應堆。
生物生產：藻類和細菌在一定條件下直接產生氫氣。
潛在的巨大資源；不需要原料。
制氫速度慢，占地面積大；低效率；尚未發(fā)現(xiàn)合適的生物體；仍處于研發(fā)水平。
單個核電反應堆的功率一般在百萬千瓦左右，特種適用于大規(guī)模集中生產能源，特種可以作為基荷電源運行。核能源供應的一個主要優(yōu)勢是消除供應的不確定性和能源價格對石油、天然氣和其他燃料價格波動的敏感性。核能，高效清潔，幾乎不排放空氣污染物，顯然是大規(guī)模集中生產氫氣的理想選擇。
目前制定的六種四代核電技術標準中，有四種堆型都引入了核能制氫的設計。我國在這方面走在了世界前列，2012年12月底，高溫氣冷堆示范項目在石島灣開工建設，預計于2019年完工；2018年，釷基熔鹽堆實驗堆落戶甘肅武威，預計2020年底建成。這兩種堆型都可以利用反應堆產生的高溫制氫。
核能不僅可以通過直接的高溫反應來介入氫氣的制備過程，核能產生的熱量還可以介入蒸汽重整制氫、高溫電解等反應，甚至可以先通過核能發(fā)電，再用電解法制氫。
我國已經有專家提出了核能制氫的呼吁，在今年全國兩會上，全國政協(xié)委員、中核集團科技質量與信息化部主任錢天林在“關于支持核能制氫與綠色冶金列入國家科技重大專項的建議”中表示，當前發(fā)達國家已經在氫能生產與應用領域加快布局，我國需要積極配套政策，以贏得未來氫能時代國際競爭的戰(zhàn)略制高點。
錢天林還表示，“目前世界上工業(yè)應用的制氫方法以化石燃料重整為主，難以滿足未來氫氣制備高效、大規(guī)模、無碳排放的要求。而核能作為清潔的一次能源，核能制氫已經發(fā)展成為一種清潔、安全、成熟的技術。核能制氫就是將核反應堆與先進制氫工藝耦合，進行氫的大規(guī)模生產。核能制氫具有不產生溫室氣體、以水為原料、高效率、大規(guī)模等優(yōu)點，是未來氫氣大規(guī)模供應的重要解決方案?！?/p>
清華大學核能與新能源技術研究院副總工李富表達了相似的觀點，他說：“低碳的氫，結合燃料電池技術和加氫的高品質生物質燃料生產，幾乎是當前化石液體燃料的唯一替代品。核能制氫技術，可以實現(xiàn)大規(guī)模制氫，同時碳排放很少?！?/p>
核能制氫的未來
根據世界原子能機構的研究，氫的未來和核能制氫的潛力將由以下主要因素驅動：
-石油和天然氣的生產量；
-關于全球氣候變化氣體和二氧化碳排放的社會共識和政府決策；
-需要節(jié)約化石資源，以便在以后的環(huán)境友好應用中使用；
-來自擴展燃料儲備的能源安全和外國石油不確定性的獨立性；
-經濟大規(guī)模制氫和輸送。
一般認為，當前核能制氫的瓶頸在于經濟性和市場化。核能要有所作為，需要在常規(guī)工業(yè)制氫市場打開之后，純粹靠核能去推動制氫難度較大，用核能發(fā)電，然后用電力通過電解水制氫反而更劃算。天然氣作為民用能源，在儲存、運輸、使用方面都很成熟。氫氣和天然氣類似，如果氫氣產量足夠，修建類似天然氣管道那樣的基礎設施輸送氫氣，也具有可行性。
安全性也是制約核能制氫的一大因素之一。眾所周知，常溫常壓下，氫氣是一種極易燃燒，無色透明、無臭無味且難溶于水的氣體。氫氣是世界上已知的密度最小的氣體，氫氣的密度只有空氣的1/14，且極易燃燒。如何保證與核電偶聯(lián)的設備在氫運輸?shù)认嚓P過程中的安全，是需要突破的重點和難點。
我們認為，隨著低碳能源革命的深入，氫氣市場的打開，核能制氫將很快突破瓶頸，成為氫燃料電池的發(fā)展源泉。
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