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我国核能制氢研究取得进展 有望成为未来制氢首选

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  • 时间:2019-03-12
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  在2019年全国两会上,全国政协委员、中核集团科技质量与信息化部主任钱天林在“关于支持核能制氢与绿色冶金列入国家科技重大专项的建议”中表示,当前发达国家已经在氢能生产与应用领域加快布局,我国需要积极配套政策,以赢得未来氢能时代国际竞争的战略制高点。针对核能制氢可行性和如何发展等,提出了看法和建议。

  核能制氢有望成为未来制氢首选

  1月15日,中核集团、中国宝武钢铁集团、清华大学三方签订了有关合作框架协议,共同致力于打造世界领先的核冶金产业联盟。一个新的合作领域,由此诞生。

  此处的核冶金就是利用核能制造出氢气,再用氢气冶金。这让很多人不禁好奇,核能制氢到底有什么魅力,能够促成此次强强联合。

  想要回答这个问题,首先要搞清楚,为什么要制氢?其中一个重要原因,是自然界中没有纯氢,需要借助其他一次能源生产,这也是“制氢”一词的由来。

  简单来说,氢是清洁能源,氢能的用途也非常广泛,在氢燃料电池交通工具、家用燃料电池、炼油和焊接及金属加工等领域发挥重要作用。但由于氢是二次能源,需要利用一次能源来生产。以可持续的方式(原料来源丰富、无温室气体排放)实现氢的大规模生产是实现氢广泛利用的前提。

  传统的工业应用制氢方法主要是利用化石燃料制备(占96%)和水电解(占4%),效率不高或带来大量温室气体排放。这与当今社会低碳、清洁的能源供应要求是不相匹配的。随着技术和工艺的不断发展,核能制氢技术有望成为未来大规模制氢的重要技术选择。

  “目前世界上工业应用的制氢方法以化石燃料重整为主,难以满足未来氢气制备高效、大规模、无碳排放的要求。而核能作为清洁的一次能源,核能制氢已经发展成为一种清洁、安全、成熟的技术。核能制氢就是将核反应堆与先进制氢工艺耦合,进行氢的大规模生产。核能制氢具有不产生温室气体、以水为原料、高效率、大规模等优点,是未来氢气大规模供应的重要解决方案。”钱天林表示。

  清华大学核能与新能源技术研究院副总工李富表达了相似的观点,他说:“低碳的氢,结合燃料电池技术和加氢的高品质生物质燃料生产,几乎是当前化石液体燃料的唯一替代品。核能制氢技术,可以实现大规模制氢,同时碳排放很少。”

  我国核能制氢研究取得进展

  据了解,世界上的许多国家,如美国、日本、法国、加拿大都在开展核能制氢技术的研发工作。

  在提到我国的核能制氢发展时,钱天林指出:“高温气冷堆是我国自主研发的具有固有安全性的第四代先进核能技术,它具有安全性好、出口温度高等优势,其高温高安全性的特点与适合大规模制氢的热化学循环制氢技术十分匹配。”

  我国正在发展核电,在开展核电站建设的同时,也非常重视核氢技术的发展。高温气冷堆能够提供高温工艺热,是目前最理想的高温电解制氢的核反应堆。在800℃下,高温电解的理论效率高于50%,温度升高会使效率进一步提高。在此种方案下,高温气冷堆(出口温度700℃~950℃)和超高温气冷堆(出口温度950℃以上)是目前最理想的高温电解制氢的核反应堆。

  “核能制氢在国外已有先例,主要是利用高温气冷堆的高温,其优点是直接用水分解产生氢气,不会有温室气体产生。”中核工程咨询有限公司刘佳鑫表示。

  据悉,清华大学核能与新能源技术研究院(INET)在国家“863”计划支持下,于2001年建成了10MW高温气冷实验反应堆(HTR-10),2003年达到满功率运行。对核能制氢技术的研究也列为专项的研发项目,目前正在开展第三阶段的研究工作。2012年我国已将高温气冷堆示范电站的建设列入国家重大专项。

  李富称:“目前INET已建立实验室规模的制氢装置,正在开展工业规模的制氢技术的研究,也对氢燃料电池进行了长时间的研究。当前研究重点还包括制氢装置与高温气冷堆的耦合技术,并与炼钢等其他工业界开展合作研究。”

  面临多种制约 发展空间仍大

  在谈及目前核能制氢与氢能冶金的可行性时,钱天林表示,目前这一项目已具备基础条件:“我国已建成并运行10兆瓦高温气冷实验堆,20万千瓦高温气冷堆商业示范电站预计将于2020年建成投产,在高温气冷堆技术领域已居世界领先地位。总体来看,当前技术已完成了原理上的可行性研究和验证,总体上处于实验室或向中试前期过渡的阶段。下一阶段要针对工程材料、关键设备等涉及工程应用的关键技术进行攻关研究。”

  针对核能制氢,也有专家给出了不同看法。清华大学工程物理系副研究员俞冀阳表示,“我认为需要等常规工业制氢市场打开后,核能才能有所作为,纯粹靠核能去推动制氢难度较大,用核能发电,然后用电力通过电解水制氢反而更划算。天然气作为民用能源,在储存、运输、使用方面都很成熟。氢气和天然气类似,若氢气产量足够,修建类似天然气管道那样的基础设施输送氢气,也具有可行性。”谈及核能制氢的制约条件时,俞冀阳指出,“瓶颈其实就是经济性和市场化,以及相应的配套基础设施建设。”

  安全性也是制约核能制氢的一大因素之一。刘佳鑫认为,“众所周知,常温常压下,氢气是一种极易燃烧,无色透明、无臭无味且难溶于水的气体。氢气是世界上已知的密度最小的气体,氢气的密度只有空气的1/14,且极易燃烧。如何保证与核电偶联的设备在氢运输等相关过程中的安全,是需要突破的重点和难点。”

  “目前来看,核能制氢还需要加大科研、高温材料等方面的政策支持力度。监管这方面,目前高温气冷堆已经在做了。”业内相关专家表示。

  除此之外,钱天林认为氢能冶金也将成为冶金行业实现高质量发展的重要选择。他认为,大量消耗燃煤的传统冶金工艺路线已面临发展瓶颈,甚至已触及天花板。长远来看,整个冶金行业要适应高质量发展的要求,只能发展低碳冶炼技术,必须以新型“绿色”还原剂替代煤炭。从国际视野来看,氢能无疑是最佳选择之一。

  鉴于核能与氢能作为清洁能源在我国未来能源体系中的重要作用和地位,以及高温气冷堆制氢和氢冶金的技术优势和良好前景,钱天林给出了自己的建言:“建议将高温气冷堆核能制氢以及氢能冶金列入国家科技重大专项,加大政策支持和投入保障力度;并且尽快落实建设60万千瓦高温气冷堆核能工程。”中国环境报
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