在今年全國(guó)兩會(huì)上，全國(guó)政協(xié)委員、中核集團(tuán)科技質(zhì)量與信息化部主任錢(qián)天林在“關(guān)于支持核能制氫與綠色冶金列入國(guó)家科技重大專項(xiàng)的建議”中表示，當(dāng)前發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)在氫能生產(chǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域加快布局，我國(guó)需要積極配套政策，以贏得未來(lái)氫能時(shí)代國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。針對(duì)核能制氫可行性和如何發(fā)展等，提出了看法和建議。
核能制氫有望成為未來(lái)制氫首選
1月15日，中核集團(tuán)、中國(guó)寶武鋼鐵集團(tuán)、清華大學(xué)三方簽訂了有關(guān)合作框架協(xié)議，共同致力于打造世界領(lǐng)先的核冶金產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。一個(gè)新的合作領(lǐng)域，由此誕生。
此處的核冶金就是利用核能制造出氫氣，再用氫氣冶金。這讓很多人不禁好奇，核能制氫到底有什么魅力，能夠促成此次強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合。
想要回答這個(gè)問(wèn)題，首先要搞清楚，為什么要制氫?其中一個(gè)重要原因，是自然界中沒(méi)有純氫，需要借助其他一次能源生產(chǎn)，這也是“制氫”一詞的由來(lái)。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，氫是清潔能源，氫能的用途也非常廣泛，在氫燃料電池交通工具、家用燃料電池、煉油和焊接及金屬加工等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。但由于氫是二次能源，需要利用一次能源來(lái)生產(chǎn)。以可持續(xù)的方式(原料來(lái)源豐富、無(wú)溫室氣體排放)實(shí)現(xiàn)氫的大規(guī)模生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)氫廣泛利用的前提。
傳統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用制氫方法主要是利用化石燃料制備(占96%)和水電解(占4%)，效率不高或帶來(lái)大量溫室氣體排放。這與當(dāng)今社會(huì)低碳、清潔的能源供應(yīng)要求是不相匹配的。隨著技術(shù)和工藝的不斷發(fā)展，核能制氫技術(shù)有望成為未來(lái)大規(guī)模制氫的重要技術(shù)選擇。
“目前世界上工業(yè)應(yīng)用的制氫方法以化石燃料重整為主，難以滿足未來(lái)氫氣制備高效、大規(guī)模、無(wú)碳排放的要求。而核能作為清潔的一次能源，核能制氫已經(jīng)發(fā)展成為一種清潔、安全、成熟的技術(shù)。核能制氫就是將核反應(yīng)堆與先進(jìn)制氫工藝耦合，進(jìn)行氫的大規(guī)模生產(chǎn)。核能制氫具有不產(chǎn)生溫室氣體、以水為原料、高效率、大規(guī)模等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)氫氣大規(guī)模供應(yīng)的重要解決方案。”錢(qián)天林表示。
清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院副總工李富表達(dá)了相似的觀點(diǎn)，他說(shuō)：“低碳的氫，結(jié)合燃料電池技術(shù)和加氫的高品質(zhì)生物質(zhì)燃料生產(chǎn)，幾乎是當(dāng)前化石液體燃料的唯一替代品。核能制氫技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氫，同時(shí)碳排放很少。”
我國(guó)核能制氫研究取得進(jìn)展
據(jù)了解，世界上的許多國(guó)家，如美國(guó)、日本、法國(guó)、加拿大都在開(kāi)展核能制氫技術(shù)的研發(fā)工作。
在提到我國(guó)的核能制氫發(fā)展時(shí)，錢(qián)天林指出：“高溫氣冷堆是我國(guó)自主研發(fā)的具有固有安全性的第四代先進(jìn)核能技術(shù)，它具有安全性好、出口溫度高等優(yōu)勢(shì)，其高溫高安全性的特點(diǎn)與適合大規(guī)模制氫的熱化學(xué)循環(huán)制氫技術(shù)十分匹配。”
我國(guó)正在發(fā)展核電，在開(kāi)展核電站建設(shè)的同時(shí)，也非常重視核氫技術(shù)的發(fā)展。高溫氣冷堆能夠提供高溫工藝熱，是目前最理想的高溫電解制氫的核反應(yīng)堆。在800℃下，高溫電解的理論效率高于50%，溫度升高會(huì)使效率進(jìn)一步提高。在此種方案下，高溫氣冷堆(出口溫度700℃～950℃)和超高溫氣冷堆(出口溫度950℃以上)是目前最理想的高溫電解制氫的核反應(yīng)堆。
“核能制氫在國(guó)外已有先例，主要是利用高溫氣冷堆的高溫，其優(yōu)點(diǎn)是直接用水分解產(chǎn)生氫氣，不會(huì)有溫室氣體產(chǎn)生。”中核工程咨詢有限公司劉佳鑫告訴本報(bào)記者。
據(jù)悉，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院(INET)在國(guó)家“863”計(jì)劃支持下，于2001年建成了10MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(HTR-10)，2003年達(dá)到滿功率運(yùn)行。對(duì)核能制氫技術(shù)的研究也列為專項(xiàng)的研發(fā)項(xiàng)目，目前正在開(kāi)展第三階段的研究工作。2012年我國(guó)已將高溫氣冷堆示范電站的建設(shè)列入國(guó)家重大專項(xiàng)。
李富告訴記者：“目前INET已建立實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的制氫裝置，正在開(kāi)展工業(yè)規(guī)模的制氫技術(shù)的研究，也對(duì)氫燃料電池進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的研究。當(dāng)前研究重點(diǎn)還包括制氫裝置與高溫氣冷堆的耦合技術(shù)，并與煉鋼等其他工業(yè)界開(kāi)展合作研究。”
面臨多種制約 發(fā)展空間仍大
在談及目前核能制氫與氫能冶金的可行性時(shí)，錢(qián)天林表示，目前這一項(xiàng)目已具備基礎(chǔ)條件：“我國(guó)已建成并運(yùn)行10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆，20萬(wàn)千瓦高溫氣冷堆商業(yè)示范電站預(yù)計(jì)將于2020年建成投產(chǎn)，在高溫氣冷堆技術(shù)領(lǐng)域已居世界領(lǐng)先地位。總體來(lái)看，當(dāng)前技術(shù)已完成了原理上的可行性研究和驗(yàn)證，總體上處于實(shí)驗(yàn)室或向中試前期過(guò)渡的階段。下一階段要針對(duì)工程材料、關(guān)鍵設(shè)備等涉及工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)研究。”
針對(duì)核能制氫，也有專家給出了不同看法。清華大學(xué)工程物理系副研究員俞冀陽(yáng)在接受本報(bào)記者采訪時(shí)表示，“我認(rèn)為需要等常規(guī)工業(yè)制氫市場(chǎng)打開(kāi)后，核能才能有所作為，純粹靠核能去推動(dòng)制氫難度較大，用核能發(fā)電，然后用電力通過(guò)電解水制氫反而更劃算。天然氣作為民用能源，在儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用方面都很成熟。氫氣和天然氣類似，若氫氣產(chǎn)量足夠，修建類似天然氣管道那樣的基礎(chǔ)設(shè)施輸送氫氣，也具有可行性。”談及核能制氫的制約條件時(shí)，俞冀陽(yáng)指出，“瓶頸其實(shí)就是經(jīng)濟(jì)性和市場(chǎng)化，以及相應(yīng)的配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。”
安全性也是制約核能制氫的一大因素之一。劉佳鑫認(rèn)為，“眾所周知，常溫常壓下，氫氣是一種極易燃燒，無(wú)色透明、無(wú)臭無(wú)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(shè)備在氫運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)過(guò)程中的安全，是需要突破的重點(diǎn)和難點(diǎn)。”
“目前來(lái)看，核能制氫還需要加大科研、高溫材料等方面的政策支持力度。監(jiān)管這方面，目前高溫氣冷堆已經(jīng)在做了。”業(yè)內(nèi)相關(guān)專家告訴記者。
除此之外，錢(qián)天林認(rèn)為氫能冶金也將成為冶金行業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要選擇。他認(rèn)為，大量消耗燃煤的傳統(tǒng)冶金工藝路線已面臨發(fā)展瓶頸，甚至已觸及天花板。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，整個(gè)冶金行業(yè)要適應(yīng)高質(zhì)量發(fā)展的要求，只能發(fā)展低碳冶煉技術(shù)，必須以新型“綠色”還原劑替代煤炭。從國(guó)際視野來(lái)看，氫能無(wú)疑是最佳選擇之一。
鑒于核能與氫能作為清潔能源在我國(guó)未來(lái)能源體系中的重要作用和地位，以及高溫氣冷堆制氫和氫冶金的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和良好前景，錢(qián)天林給出了自己的建言：“建議將高溫氣冷堆核能制氫以及氫能冶金列入國(guó)家科技重大專項(xiàng)，加大政策支持和投入保障力度;并且盡快落實(shí)建設(shè)60萬(wàn)千瓦高溫氣冷堆核能工程。”
