核能制氢，有经济性吗？

来源：市场资讯

（来源：中国化工信息周刊）

关键词 | 核能制氢 储存与运输

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随着能源需求的日益增加和全球变暖等环境问题的逐步恶劣，许多国家早已开始发展核能和可再生能源。相比于传统的化石能源，氢气由于不含碳、不会导致全球变暖和可储可输等优异特性引起了国内外广泛的关注，被认为是一种很有希望的可再生的能源载体。同时还有助于扩大可再生能源和核能的资源市场，许多专家预测氢将成为解决当前能源和环境问题的重要物质。

氢元素在自然界中以水的形式大量存在，但利用时需要将其分离出来，为此需要以可持续和环保的方式来生产氢气。现阶段氢气的生产方法主要有天然气重整、煤气化、水电解和热化学分解。核能作为清洁能源可以大规模提供制氢所需的电或热，为此与核能耦合的制氢工艺也引起了广泛研究。现阶段核能制氢的主要工艺有低温电解、高温电解、热化学循环和混合工艺。

低温电解（CE）利用核能产生的电直接将水分解成氢和氧，所需的能量较大，为此耗电量较高。高温电解也称高温蒸气电解（HTSE），由于电解蒸气所需的能量低于电解液态水所需的能量，为此考虑将液态的水先加热为800~1 000℃的高温蒸气，然后再电解高温蒸气，相比于低温电解，高温电解由于电解所需的能量较低、耗电量较少且将热直接作为能源的一部分可以获得更高的制氢效率。

热化学循环基于一系列的化学反应，利用核能产生的热量将水分解成氢气和其他副产品。现阶段研究的重点循环有硫-碘热化学循环（SI）、硫酸混合循环（HyS）、铜-氯热化学混合循环（Cu-Cl）、镁氯循环（Mg-Cl）和钙溴循环（Ca-Br）等。

但基于安全方面的考虑，核电厂通常在沿海地区建设，同时对周边的工业园区还有一定的距离限制，因此核能制氢到最终的用户之间还存在氢气储运的问题。对核能制氢的不同储运方案进行经济性评价，从经济性的角度给出不同储存和运输方案的优势和劣势，具有重要的意义。为此，本文中基于IAEA开发的氢经济评价程序（HEEP），重点分析了不同堆型及制氢工艺、制氢的速率和运输距离对储运方案的影响。

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HEEP特性

IAEA开发的HEEP作为一款全面的氢经济性评价软件，将寿命期内产生的一系列支出和收入相对于指定参考年的现值进行贴现，运用平准化成本的概念来计算氢气从生产到分配到最终用户所需的成本。HEEP不仅可以用于评估分析与核电厂耦合的制氢工艺的经济性，还可以评估不同工艺下氢气的储存和运输方案的经济性，为用户提供了全流程的制氢经济性分析。软件覆盖的堆型广泛，还可以与不同的制氢工艺和储运方案耦合，同时除热能和电力成本外，还对各阶段的资本成本、燃料成本、退役成本、运行和维护成本以及其他耗材进行了成本估算和评估。考虑的储氢方案主要有压缩气体（CG）、液化（LQ）和金属氢化物（MH），运输方案主要有管道（P）和车辆（V）。

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方案设计

为比较不同储存和运输方案对核能制氢成本的影响，本文中考虑与先进压水堆（APWR）和高温气冷堆（HTGR）2种堆型耦合的制氢工艺，制氢的方式考虑常规电解、高温蒸气电解和SI循环，同时还考虑制氢速率的影响，具体方案如表1所示。

表1 对比方案

方案1~3为低温电解，为此核电站只需要提供制氢所需的电力，方案4为高温蒸气电解，核电站提供制氢所需的电和热，方案5中的高温气冷堆只提供制氢所需的热量，制氢所需的电由外界供应，为此有一部分外接能源使用成本。不同方案核电厂和制氢厂的详细参数如表2所示。

表2 不同方案中核电厂和制氢厂输入参数

方案1~3考虑相同的堆型和制氢工艺，通过改变制氢的速率来研究不同的制氢规模适合的储运方案。方案1、方案4和方案5在相同的制氢规模下考虑不同的堆型和制氢工艺对氢气储运成本的影响。同时每个方案可以考虑不同的储存方案和运输方案对制氢成本的影响，氢气默认在20 MPa的压力下储存168 h。

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结果和讨论

3.1 不同堆型及制氢工艺的影响

为研究不同堆型及制氢工艺对制氢成本的影响，考虑氢气的储运方式都为压缩气体储存和管道运输。根据设置的案例，核电厂和制氢厂，其建设期按5 a，运营期按40 a考虑，贴现率取5%，计算结果如表3所示。

表3 核能制氢不同工艺成本对比

从表3中可以看出，在产氢速率和储运方案一定的条件下，与高温气冷堆耦合的高温蒸气电解制氢的平准化成本最低，其次是与高温气冷堆耦合的硫-碘热化学循环。但与常规的电解工艺相比，高温蒸气电解和硫-碘热化学循环由于高温和化学循环的复杂性对材料的性能和反应的控制要求较高，导致其制氢厂的成本明显高于常规的电解。

另外，在整个氢气的平准化成本当中，与APWR堆型相比，HTGR堆型的核电厂成本占比较低，主要原因在于高温气冷堆属于先进堆型，整体的经济性有所提高，从表3的核电厂参数中也可以看出，同样生产1 MW的热量，HTGR的成本明显低于APWR。同为压缩气体储存和管道运输，在不考虑后端氢气储运的情况下，计算核能制氢的总热效率。

与HTGR耦合的高温蒸气电解和硫-碘热化学循环的核能制氢总热效率达到了52.3%和42.5%，明显高于与APWR耦合的常规电解。在相同的制氢速率下，同为HTGR堆型，高温蒸气电解的制氢平准化成本更低，主要原因在于硫-碘热化学循环的总热效率只有42.5%，而高温蒸气电解的总热效率达到了52.3%，较高的热效率降低了反应堆的单位热容量，从而降低了总体的制氢成本。另一个原因在于硫-碘热化学循环需要从商业电网中购买部分电力，相比于直接利用核电厂本身产生的电力，成本有所提高。

3.2 制氢速率的影响

APWR与常规电解耦合的制氢工艺，采用压缩气体储存和管道运输时不同的制氢速率对氢气平准化成本的影响可知。对于常规电解，氢气的总成本随制氢速率的增加而降低，为此可以作为一种规模效应来预测，即产能的提升有助降低氢气生产及储运的总成本。采用压缩气体储存和管道运输时，氢气的总平准化成本随制氢速率的增加而降低，当制氢的速率从4 kg/s增加到12 kg/s时，氢气的总平准化成本降低了34%；其中核电厂的成本降幅最大为39%，其次是氢气的运输，降幅达21%。主要原因在于对于APWR与常规电解耦合的制氢工艺，氢气的总平准化成本大部分来自核电厂，而核电厂的建造能体现出规模效应，但制氢厂主要为电解槽的成品模块组合，基本没有规模效应。

同时，随着制氢规模的增加，氢气的储运成本逐步降低，主要原因在于管道的运输具有规模优势，相比于车辆运输的间接性问题，管道输送能提供不间断的输送能力，且产能的提升有助于降低运输成本，为此对于核能大规模制氢，可以采用管道输送以提升整体的经济性。

3.3 储运方案的影响

为研究不同储运方案的影响，考虑在核电厂、制氢厂以及产氢速率一定时，采用压缩气体储存、液体储存和金属氢化物储存以及管道或车辆运输时对氢气平准化成本的影响，运输距离取200 km。

对于氢气的储存，采用压缩气体或液体储存时成本区别不大，且占氢气总平准化成本的比重较小，均低于7%；但对于金属氢化物储存，储存的成本不仅远高于压缩气体储存和液体储存，且占氢气总平准化成本的比重较大，达到了35%，主要原因在于金属氢化物的制取成本较高。对于氢气的运输，管道输送明显比车辆运输更具成本优势，主要原因在于车辆运输存在间歇性、运输能力受限等问题，且车辆主要适合液态氢气或金属氢化物运输，而管道天然适合压缩气体输送。

3.4 运输距离的影响

在相同的核电厂和制氢厂以及产氢速率下不同的运输距离对氢气平准化成本的影响。随着距离的增加，氢气的运输成本有所增大，与管道输送相比，车辆输送的成本对运距的敏感性较强。当运输距离从200 km增加到1 000 km时，管道输送的成本增幅小于5%，而车辆运输的成本不论是运输液态氢还是金属氢化物，成本增幅均大于70%。导致车辆运输成本大幅增加的原因主要在于车辆的燃油成本，这表明对于短距离的输送，可以考虑车辆运输，但对于远距离的输送，还是管道更具有经济性优势。

另外，由于管道输送主要适合压缩气体，对于有液态氢或金属氢化物需求的特殊场合以及小规模或短距离的输送，可以考虑车辆运输。对于大工业园区以及大规模的氢气用户，通常对氢气的需求较大且需要保持不间断，为此可以建立输送管网充分利用管道的规模优势，但对于氢气需求不连续且最终用户分散的地区，可以考虑车辆运输的灵活性。

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结 论

基于IAEA开发的HEEP软件，对核能制氢不同储存和运输方案的经济性进行了研究，通过计算分析得到如下结论。

（1）与APWR堆型相比，HTGR堆型由于效率更高更具成本优势。特别的，当氢气的生产速率和储运方案一定时，与HTGR堆型耦合的高温蒸气电解制氢的平准化成本最低。

（2）对于常规的电解，氢气的总平准化成本随制氢规模的增大而降低，即提升产能有利于提升经济性。同时相比于车辆运输，管道输送更具有规模优势，更适合大规模制氢。

（3）氢气采用金属氢化物储存的成本远高于压缩气体或液体储存，且金属氢化物储存对氢气的总平准化成本贡献较大。对于氢气的运输，管道输送明显比车辆运输更具成本优势，且车辆运输存在间歇性和运输能力受限等问题。

（4）运输距离的增加对管道输送的成本影响较小，但对车辆运输的成本影响较大。对于短距离、小规模的输送，可以考虑管道或车辆输送，但对于远距离和大规模的氢气输送，管道输送更能体现规模效应和经济性优势。