朱雷杰，钱 彬，郭凯凯，张康鑫，高 阳，马秦慧
（1.浙江省电力建设有限公司，浙江 宁波 315800；
2.中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，杭州 310012）
氢能是理想、高效的清洁能源，其具有成为优质燃料的潜力。氢能环境友好，储量丰富，热值极高。近年来，以氢能为主的新能源正逐渐成为全球关注的焦点。相比传统能源，氢能的利用将大大提高能源利用效率，改善以化石能源为主的能源结构，最终实现碳达峰碳中和目标。氢能是一种二次能源，地球上几乎没有现成的氢气，必须将含氢物质（水、各种矿物燃料、各类生物质）加工转化为氢气。目前，我国已经是全球第一制氢大国。按照制氢原料分类，当前世界氢气的主要来源是化石能源制氢，约占96%；
剩余4%来自电解水制氢。核能是清洁的一次能源，在我国呈现良好的发展态势。根据相关规划，2030年、2035年我国核电装机容量将分别达到1.31亿kW、1.69亿kW，发电量占比将分别达到10.0%、13.5%[1]。为实现核能的可持续发展，应加强核反应堆系统的安全性、经济性，进一步拓展核能在其他领域的应用，如核能制氢、核能供暖等。与传统制氢技术相比，核能制氢具有清洁、高效、经济等优势[2]，未来我国应不断深化核能制氢的科学研究与产业化应用。
1.1 资源丰富
每个水分子含有两个氢原子和一个氧原子，以水为原料可以制取氢气，而氢气燃烧后仅生成水，因此，水是地球上无穷的氢矿。地球上，海水的氢含量约为l.51×1017t[3]。
1.2 热值高
与常规能源相比，氢气的热值极高，约为汽油的2.7倍、甲醇的6倍、天然气的2.4倍。同时，氢气燃烧没有CO2排放。常见能源的热值和CO2排放量如表1所示[4]。
表1 常见燃料的热值和CO2排放量
1.3 环境友好
与化石燃料相比，氢气是一种清洁能源。氢气燃烧不会生成NOx、SO2、粉尘、CO2等污染物，仅会生成水[5]。
氢气可从多种途径制备，制氢技术大多数比较成熟，每种制氢工艺的成本及环保程度均不相同。从氢气来源分类，世界制取氢气的主要方式是化石能源制氢，其主要以煤炭和天然气为原料制取氢气。除此之外，可再生能源制氢技术可利用水为原料制取氢气，核能、太阳能、风能、生物质能、海洋能、潮汐能、地热能等均可直接或间接制取氢气。
2.1 化石能源制氢技术
传统的煤制氢技术主要分为煤的气化和煤的焦化。煤的气化是在高温、常压或加压下，煤炭与气化剂发生反应，从而转化为含H2的气体产物。煤的焦化是在隔绝空气条件下，利用900～1 000 ℃的高温环境制取焦炭，从而获得含氢55%～60%的副产品焦炉煤气。传统的天然气制氢技术是天然气重整制氢。天然气的主要成分是甲烷（CH4），甲烷在高温环境中经催化剂活化，与水蒸气、氧气反应生成H2。石油初步裂解后的产品（石脑油、重油、石油焦以及炼厂干气）可用于制氢。石脑油制氢主要工艺过程包括石脑油脱硫转化、CO变换、变压吸附等。重油与水蒸气、氧气反应制得含H2的气体产物，同时重油燃烧为吸热反应提供热量。石油焦制氢和煤的气化过程类似，在高温、常压或加压下，石油焦与氧气发生反应生成含H2的气体产物。炼厂干气制氢通过轻烃蒸气重整与变压吸附分离制取氢气。
2.2 可再生能源制氢技术
可再生能源中，太阳能、核能与生物质能可直接制氢或间接制氢。生物质能制氢能实现全生命周期零碳排放，生物质生长过程吸收的CO2与其制氢过程排放的CO2是平衡的。生物质能制氢是通过微生物代谢制取氢气，该反应温和，对环境无影响，但制氢产率低、稳定性低。风能、海洋能、潮汐能、地热能、水能只能间接制氢，即先发电，再使用电解水制取氢气。电解水制取氢气的原理是化合物的键能被电能破坏，使其重组为氢气分子。电力是一种重要的能源，具有来源广泛、容易获取的特点，电解水制氢纯度高，氢气产物的净化要求低。光催化分解水制氢是在催化剂（半导体材料）的参与下，利用光子能量将水分子转化为氢气和氧气[6]。
核能制氢就是将核反应堆与制氢相结合，核反应堆有大量多余的热能，制氢需要额外的能量。核能到氢能的转化途径较多。以水为原料时，整个制氢工艺过程都不产生CO2，基本可以消除温室气体排放；
以其他原料制氢时，只能减少碳排放。现阶段，利用核能发电与电解水耦合制氢是一种具有规模化应用潜力的核能制氢技术，而以水为原料与利用核反应热的甲烷蒸汽重整、高温蒸汽电解和热化学循环则是代表未来发展方向的核能制氢技术。
3.1 核能耦合甲烷蒸汽重整制氢
甲烷蒸汽重整是目前工业领域主要的制氢技术，该技术通常以天然气为原料，成本低廉，规模大，但产生大量的温室气体。如式（1）所示，此反应在催化剂条件下进行，反应温度区间为500～950 ℃，天然气与水蒸气在高温下反应转化为H2和CO2。制取的混合气体中，氢气体积分数最高可达74%。甲烷蒸汽重整是一个吸热反应，需要输入大量热量。在甲烷蒸汽重整技术中，一部分甲烷作为原料生成H2，另一部分甲烷作为燃料燃烧为反应提供能量。因此，反应需要消耗大量天然气并生成大量CO2。核能耦合甲烷蒸汽重整技术利用核反应堆产生的热量为重整反应提供热源，可以显著减少甲烷蒸汽重整所需要的天然气和CO2排放。
3.2 核能耦合高温蒸汽电解制氢
高温蒸汽电解是基于固体氧化物电解过程实现，在800 ℃高温下，产生单位体积氢气的耗电量为3 kW·h/m3。当反应温度进一步升高时，耗电量会进一步下降。高温蒸汽电解过程为固体氧化物燃料电池的逆过程。由于核反应堆提供大量反应需要的热量，高温蒸汽电解的效率高于常规电解水[7]。核能耦合高温蒸汽电解技术利用核反应堆给电解系统提供热源或蒸汽，电解的电能消耗可以显著降低。此技术在热力学上需要的电能减少，可以改善电解池的动力学，同时电解池中电极表面反应的活化能能垒降低，可以提高反应效率。
3.3 核能耦合热化学循环制氢
热化学循环将两个或多个热驱动的化学反应互相耦合，组成一个闭合循环，所有试剂循环使用，单个化学反应的所需温度降低。热化学循环反应的所需温度是800～900 ℃。核能耦合热化学循环技术利用核反应堆产生的热量作为反应热源，可以降低反应的效率损失，实现核能耦合热化学循环的高效转化。
3.3.1 碘硫循环
硫碘循环以本生反应为起点，与硫酸分解反应、氢碘酸分解反应相互耦合，不断将水转化为氢气和氧气[8]。一是本生反应，如式（2）所示；
二是硫酸分解反应，如式（3）所示；
三是氢碘酸分解反应，如式（4）所示。
3.3.2 混合硫循环
混合硫循环由二氧化硫去极化电解和硫酸分解反应组成。一是二氧化硫去极化电解，如式（5）所示；
二是硫酸分解反应，如式（6）所示。
3.4 常规电解水
电解水制氢的特点是需要大量的电能。在具有廉价电力或离网可再生能源电力供应的前提下，电解水制氢具有优势，其化学反应如式（7）所示。电解水制氢技术主要有碱水电解制氢、质子交换膜电解制氢和固体氧化物电解制氢。碱水电解制氢系统由电解液（KOH溶液）、阳极、阴极和隔膜组成，技术简单，设备运行负荷范围较宽，介于10%～100%都可以稳定运行。该技术目前已经比较成熟。质子交换膜制氢技术使用质子交换膜隔离阳极和阴极，克服了KOH溶液对系统的影响，但是质子交换膜电解制氢设备昂贵，暂无大范围使用。固体氧化物制氢技术的反应温度为600～1 000 ℃，推动电力-氢气的转换。该技术目前仍处于试验阶段。总体来说，在当前碱水电解制氢技术已经较为成熟的前提下，核能发电与碱水电解耦合制氢是一种可以规模化发展的核能制氢技术。
开展以核能制氢为中心的各项技术研发与攻关，打造核能制氢、储氢、用氢产业高地，有助于我国早日实现碳达峰碳中和目标。短期内，我国可优先发展核电+碱水电解制氢技术；
在中长期，我国可择机发展核能+甲烷蒸汽重整、核能+高温蒸汽电解或核能+热化学循环等技术。