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核能制氫是怎麼回事
2019-05-05 08:19:26 來源: 經濟日報
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  進入21世紀,全球應對氣候變化的壓力持續增大。人們迫切需要尋找新的潔凈能源,以逐步替代現有化石燃料,減少污染物與溫室氣體的排放,最終實現零排放的目的。而氫能以其熱值高、無污染、不産生溫室氣體等獨特優勢,逐漸引起人們越來越多的關注。

  氫能是絕對零污染的二次能源。採用氫能發電,是通過氫和氧元素之間的電化學反應轉化成電能和水,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,氫能可廣泛應用于燃料電池汽車等儲能發電領域,也可以通過直接燃燒氫氣用于推進飛機、汽車等交通運輸工具,甚至用來發射火箭,實現對石油、天然氣等化石燃料的替代。然而,氫能是一種二次能源。由于氫的化學性質非常活潑,自然界沒有純氫存在,必須利用其他能源才能生産。目前,全球95%以上的氫能來源于化石能源,在生産氫氣的過程中,難免會對環境帶來污染。並且,化石燃料日趨枯竭,需要尋找一種更潔凈、更可持續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再利用。經過半個多世紀的發展,人們已經掌握了日益先進、不斷成熟的核能技術,成為當前人類大規模工業制氫的最佳選擇。與其他制氫技術相比,核能制氫具有無溫室氣體排放、高效、可實現大規模制氫等諸多優勢。核能與氫能的結合,將使能源生産和利用的過程基本實現潔凈化。目前,核能制氫主要有電解水制氫與熱化學制氫兩種方式。

  電解水制氫是利用核電給電解水裝置供電,讓水發生電化學反應,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,如若採用美國開發的SPE法可將電解效率提升至90%。以目前大多數核電站的熱電轉換效率僅為35%左右計算,這種方式的核能制氫總效率約為30%。

  熱化學制氫是將核反應堆與熱化學循環制氫裝置耦合,以核反應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,國際上公認最具應用前景的催化熱分解方式是由美國開發的硫碘循環,其中的硫循環從水中分離出氧氣,碘循環分離出氫氣。日本、法國、韓國和中國都在開展硫碘循環的研究。

  與電解水制氫相比,熱化學制氫效率較高,高溫熱化學制氫的總效率預計可達50%以上,如將熱化學制氫與發電相結合,還能將效率提高到60%。根據熱化學制氫對工作溫度的要求,目前全球正在積極研發的第四代核能係統的高溫氣冷堆,適于為熱化學制氫過程供熱。高溫氣冷堆被國際核能界公認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應用前景。

  目前,我國在高溫氣冷堆技術領域已居于世界領先地位。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堆,並在2003年達到滿功率運行。而200兆瓦高溫氣冷堆商業示范電站建設項目已被列入國家科技重大專項,預計將于2020年建成投産,將具備核能制氫條件。

  美國、德國、日本等發達國家相繼將發展氫能産業提升到國家能源戰略高度。有預測表明,2025年全球能源需求中,可再生能源比重會提升至36%,其中氫能佔11%;2050年,可再生能源比重會提升至69%,其中氫能佔34%。核能制氫最終實現商業應用將為“氫能時代”的到來開辟道路。

  總之,核能制氫是實現節約資源和保護環境的有效途徑,通過核能制氫,有利于推動我國形成綠色發展方式和生活方式,為百姓創造良好生産生活環境,為全球生態安全作出貢獻。

  (作者石磊係中國核科技信息與經濟研究院工程師,張明係副研究員)

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【糾錯】 責任編輯: 劉佳
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