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核能制氫是怎么回事

媒體:經(jīng)濟(jì)日報  作者:石磊, 張明
專業(yè)號:碳匯資訊
2019/5/24 6:42:23

進(jìn)入21世紀(jì),全球應(yīng)對氣候變化的壓力持續(xù)增大。人們迫切需要尋找新的潔凈能源,以逐步替代現(xiàn)有化石燃料,減少污染物與溫室氣體的排放,最終實現(xiàn)零排放的目的。而氫能以其熱值高、無污染、不產(chǎn)生溫室氣體等獨特優(yōu)勢,逐漸引起人們越來越多的關(guān)注。

氫能是絕對零污染的二次能源。采用氫能發(fā)電,是通過氫和氧元素之間的電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成電能和水,在這個過程中不排放二氧化碳和氮化合物,沒有任何污染。由于儲運方便,氫能可廣泛應(yīng)用于燃料電池汽車等儲能發(fā)電領(lǐng)域,也可以通過直接燃燒氫氣用于推進(jìn)飛機(jī)、汽車等交通運輸工具,甚至用來發(fā)射火箭,實現(xiàn)對石油、天然氣等化石燃料的替代。然而,氫能是一種二次能源。由于氫的化學(xué)性質(zhì)非?;顫?,自然界沒有純氫存在,必須利用其他能源才能生產(chǎn)。目前,全球95%以上的氫能來源于化石能源,在生產(chǎn)氫氣的過程中,難免會對環(huán)境帶來污染。并且,化石燃料日趨枯竭,需要尋找一種更潔凈、更可持續(xù)的一次能源制造氫氣。

而核能是低碳、高效的一次能源,其使用的鈾資源可循環(huán)再利用。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展,人們已經(jīng)掌握了日益先進(jìn)、不斷成熟的核能技術(shù),成為當(dāng)前人類大規(guī)模工業(yè)制氫的最佳選擇。與其他制氫技術(shù)相比,核能制氫具有無溫室氣體排放、高效、可實現(xiàn)大規(guī)模制氫等諸多優(yōu)勢。核能與氫能的結(jié)合,將使能源生產(chǎn)和利用的過程基本實現(xiàn)潔凈化。目前,核能制氫主要有電解水制氫與熱化學(xué)制氫兩種方式。

電解水制氫是利用核電給電解水裝置供電,讓水發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),分解成氫氣和氧氣。電解水制氫是一種較為方便的氫氣制取方法,但制氫效率偏低,如若采用美國開發(fā)的SPE法可將電解效率提升至90%。以目前大多數(shù)核電站的熱電轉(zhuǎn)換效率僅為35%左右計算,這種方式的核能制氫總效率約為30%。

熱化學(xué)制氫是將核反應(yīng)堆與熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置耦合,以核反應(yīng)堆提供的高溫作為熱源,使水在800℃至1000℃下催化熱分解,從而制取氫和氧。目前,國際上公認(rèn)最具應(yīng)用前景的催化熱分解方式是由美國開發(fā)的硫碘循環(huán),其中的硫循環(huán)從水中分離出氧氣,碘循環(huán)分離出氫氣。日本、法國、韓國和中國都在開展硫碘循環(huán)的研究。

與電解水制氫相比,熱化學(xué)制氫效率較高,高溫?zé)峄瘜W(xué)制氫的總效率預(yù)計可達(dá)50%以上,如將熱化學(xué)制氫與發(fā)電相結(jié)合,還能將效率提高到60%。根據(jù)熱化學(xué)制氫對工作溫度的要求,目前全球正在積極研發(fā)的第四代核能系統(tǒng)的高溫氣冷堆,適于為熱化學(xué)制氫過程供熱。高溫氣冷堆被國際核能界公認(rèn)為是一種具有良好安全特性的堆型,堆芯出口溫度為850℃至1000℃,具有核能制氫的商業(yè)應(yīng)用前景。

目前,我國在高溫氣冷堆技術(shù)領(lǐng)域已居于世界領(lǐng)先地位。在國家“863”計劃支持下,我國于2001年建成了10兆瓦高溫氣冷實驗反應(yīng)堆,并在2003年達(dá)到滿功率運行。而200兆瓦高溫氣冷堆商業(yè)示范電站建設(shè)項目已被列入國家科技重大專項,預(yù)計將于2020年建成投產(chǎn),將具備核能制氫條件。

美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家相繼將發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)提升到國家能源戰(zhàn)略高度。有預(yù)測表明,2025年全球能源需求中,可再生能源比重會提升至36%,其中氫能占11%;2050年,可再生能源比重會提升至69%,其中氫能占34%。核能制氫最終實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用將為“氫能時代”的到來開辟道路。

總之,核能制氫是實現(xiàn)節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的有效途徑,通過核能制氫,有利于推動我國形成綠色發(fā)展方式和生活方式,為百姓創(chuàng)造良好生產(chǎn)生活環(huán)境,為全球生態(tài)安全作出貢獻(xiàn)。

(作者石磊系中國核科技信息與經(jīng)濟(jì)研究院工程師,張明系副研究員)

 

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