氢能与核能机遇

氢能可以为核运营商提供价格对冲和新的收入源，对此，美国正在对该期权进行投资。

1、氢能开发项目

美国九英里角核电站(图源：Constellation)

在美国纽约州的九英里角(Nine Mile Point)核电站，美国能源部(DOE)和发电厂运营商Constellation公司共同支持建设的一个项目，发电厂使用电解槽将水分解为氢气和氧气，以满足发电厂的氢气需求，并将此产品送入发电站现有的储氢系统和配套基础设施。

Constellation公司已获得DOE 580万美元的拨款，与内尔氢能公司(Nel Hydrogen)、阿贡国家实验室、爱达荷州国家实验室和国家可再生能源实验室合作，探索现场制氢的潜在好处。

在九英里角电站运行的清洁制氢系统额定功率为1.25MW，每天产生560公斤氢气，足以满足工厂的运行氢气使用。

九英里角核电站的清洁制氢系统(图源：Constellation)

这也将有助于为在Constellation公司的其他清洁能源中心进行大规模部署奠定基础，将清洁氢气生产与储存和其他现场用途结合起来。

很明显，拥有强大发电能力的核电站将能够自行发电来生产氢气以满足其需求。

事实上，到目前为止，九英里角电站所用氢气都是通过卡车运送到现场——就像其他核反应堆一样。

氢气都是通过天然气的蒸汽甲烷重整生产的，大多数工业氢气也是如此。事实上，目前美国95%的氢气来自化石燃料。

2、氢能作用

氢气在脱碳方面有几个重要作用。

氢能是脱碳行业的基础，在氢能生产工艺(如炼钢或混凝土)中，必须创造非常高的温度环境，目前主要是通过燃烧化石燃料(通常是天然气)来实现。

在其他所谓的“难以脱碳”领域，如运输(尤其是重型货车)，氢气也是化石燃料的潜在直接替代品。

在电力部门和核工业中也有应用，氢能是一个重要的部分。

为什么氢气是可再生能源行业的一个重要机会?

如果使用依赖天气变化的可再生能源，则意味着在条件有利的时候——晴天的光伏发电场和大风期的风电场——会产生供过于求的电力，产生各种影响。

在供过于求的时候，能源价格会大幅下降(有时被称为价格相残)，而在欧洲，现货市场价格已经远远低于成本价，因为可用的电力超过了系统的传输能力。

大规模太阳能——无论是安装在屋顶和(法国现在要求的)停车场雨棚上，还是作为“公用事业规模”的地面太阳能发电场——在阳光明媚的日子里随着发电量的增减而短暂满足所有需求，很多地区已经实现了这种自给自足。

在其他时候，当天气不利时，电能价格会大幅上涨，但可再生能源无法利用这一点。

这些管理生产和需求的问题，对于核电领域来说，已经十分熟悉了，它们也无法对电力市场状况做出反应——在这种情况下，核电站在满功率下运行效率最高。

有了大量的核容量，在需求下降的时候，比如夜间，可能会出现电力过剩。

使用直接还原法生产钢铁是氢气的一个关键应用。

电力公司通过在夜间提供更便宜的电费来解决这一问题，主要但不限于有24小时需求的工业用户。

制氢可以解决这两种低碳发电方式的问题。

如果以低(甚至负)价格产生多余的电力，则可以通过电解槽生产氢气进行储能。

这同时避免了核运营商通过低价寻找其他客户销售电力。同时，重要的是，这是一种相对容易储存的产品。

他们和可再生能源运营商一样，不仅应该将其视为一个过剩电力的市场，还应该将其看作是对电价暴跌时期的对冲。

应该注意到，氧气也是电解水的副产品，即使氢能市场消沉，那么也应该注意的是，根据Future Market Insights的数据，2023年美国工业氧气的销售额达到近700亿美元，同比增长近9%。氧气市场依然不容小觑。

这显然吸引了Constellation公司在九英里角电站之外的兴趣：该公司表示，它正在与代表氢气价值链各个阶段的公共和私营实体合作，以发展区域氢气生产和分销中心，并承诺到2025年投资9亿美元，用于利用核能进行商业清洁氢气生产。

这包括参与中西部清洁氢气联盟(MachH2)、东北清洁氢气中心和大西洋中部氢气中心，所有这些都在探索与DOE合作开发氢气基础设施的项目。

3、不断增长的市场

丰田使用氢燃料电池驱动的传动系。运输可能是核氢的一个关键市场。

解决可变性问题的需求，将是氢市场需求成倍增长的主要因素。

可变性是电力系统运营商的一个主要问题，根据时间尺度有几种解决方案。

在一到两个小时的时间里，电池可以吸收或释放多余的电力。

电池还有其他收入来源，因为它们的快速响应意味着它们还能够帮助网络运营商保持在频率变化的限制范围内。

例如，英国是建设海上风电场的全球领导者，也在建设大规模太阳能。

在电池存储的帮助下，两者在很大程度上是互补的，英国市场目前有超过60 GW的短期存储在运行或计划中，超过了典型的峰值负载。

如果用于取代燃气轮机或燃气发动机中的甲烷，氢气是管理短期变化的另一种选择。

它也有助于解决持续时间更长的可变性这一更困难的问题。

英国就是一个很好的例子。英国雄心勃勃的目标是到2030年将主要位于北海的海上风电容量提高到50GW。

在满功率的时候，将满足英国的大部分需求。但在某些年份，在最冷的冬季——1月和2月——英国和北海作为一个整体会出现长达两三周的寒冷、无风的天气。

对于一个越来越依赖可再生能源的系统来说，这被称为“风旱”——英国不能依靠邻国来填补这一缺口，因为它们也严重依赖受相同天气条件影响的北海风电场。

这就是为什么氢气市场预计将快速增长，也是为什么它是核运营商的重要市场。

日本原子能机构和三菱重工将在日本茨城县大洗町的高温试验堆建立一个示范氢气生产项目。

目前，利用核能电解生产的氢气正与甲烷生产的氢气进行技术准备竞赛，只有将碳捕获和储存纳入该过程，甲烷才能被描述为低碳。

核能也在与利用可再生能源电解生产的氢气竞争。

在这种情况下，这两种选择具有一些共同的技术开发目标，例如降低电解槽的成本。

但他们对该系统的提供是有区别的，因为核能有两个额外的潜在优势：高温，这允许使用更高效的电解槽;以及其大型旋转机械(以涡轮发电机的形式)，其提供了宝贵的稳定性以将电力供应保持在电压和频率限制内。

电解使用三种技术之一：碱性法、PEM或固体氧化物电解槽(SOECs)。

德国全球首套MW级风电PEM水电解制氢示范项目

碱性工艺已经使用了一个多世纪，PEM可以在亚秒响应时间的一系列负载下有效运行，这使得它们与太阳能和风能等可变能源特别兼容。

SOEC在高温下使用陶瓷电解质，是三种技术中商业化程度最低的，但它们的电效率高于其他两种系统，并且“在有高温热量的情况下，例如核电站和集中太阳能，可能更具成本效益”。

4、美国核能计划

在启动了一项60亿美元的计划以支持现有核电站的持续运营后，DOE又启动了95亿美元清洁氢技术投资计划，其中包括核能的使用。这两项倡议都是两党基础设施法的一部分。

美国氢能计划已经成功启动。

美国核能部助理部长凯瑟琳博士说，九英里角电站实验“有力地证明了我们国家现有的反应堆舰队今天可以生产清洁的氢气”。

“DOE很自豪能够支持这样的成本分担项目，以提供负担得起的清洁氢气。我们现在开始通过两党基础设施法和通胀削减法案进行的投资将进一步扩大清洁氢市场，为核能创造新的经济和环境效益。”

Constellation公司总裁兼CEO乔·多明格斯在一份声明中表示：“氢能将是解决气候危机不可或缺的工具，而九英里角电站将向世界表明，核能是从无碳资源中生产核能的最高效、最具成本效益的方式。”

他进一步补充道，“通过与DOE和其他机构的合作，我们看到这项技术为仍然严重依赖化石燃料的行业脱碳创造了一条途径，同时创造了清洁能源就业机会，加强了国内能源安全。”

氢气是DOE《通胀削减法案》中的一项关键技术，该法案包括开发和促进清洁氢气生产商业化的措施。

2021年6月7日，氢能被宣布为DOE所谓的“能源攻关”( “Energy Earthshots”)计划中的第一个，该计划旨在通过解决特定障碍来加快向清洁能源的转变。

氢能计划催化了“任何有潜力实现可再生能源、核能和热转化等目标的氢途径的创新，为全国不同地区提供了激励”。

其主要目标是在十年内将清洁氢气的成本降低80%，降至1美元/公斤，低于目前使用可再生能源电解生产的氢气的约5美元/公斤。

DOE表示，“实现氢能计划80%的成本降低目标可以打开氢气的新市场，包括钢铁制造、清洁氨、储能和重型卡车运输”，并有可能将低碳氢气市场增加500%。

5、氢能路线图

继氢能计划宣布后，去年12月最终确定了美国的氢能路线图。

在路线图中，将氢描述为“通过长期储能实现可再生能源，并为清洁发电(如今天的核能)以及先进的核能和其他创新技术提供灵活性和多种收入来源”。

路线图指出，高温电解需要与核电站等热源进行集成和优化，以提高氢气生产效率。

报告称，美国目前拥有约1600英里(2575公里)的专用氢气管道和三个地质洞穴，其中包括世界上最大的洞穴，可储存相当于350 GWh的热能。

它指出了将氢气生产和储存地点设在靠近客户的地方的重要性，无论是对于氢气还是其衍生物，如氨，它都提出了一系列目标。

路线图的目标包括：

2022-2023年：1.25 MW电解槽与核能集成用于制氢(由九英里角电站项目满足);

2024-2028年：至少10个氢能示范项目，包括核示范项目，以及20MW的电解核热提取、分配和控制;

2029-2036年：美国每年生产1000万吨清洁氢气。

在讨论工业规模扩张过程中可能出现的挑战时，核能的潜在重要作用也很明显。特别是在2027年至2034年期间。

届时，DOE预计，清洁电力将面临竞争。不仅存在对电解制氢的预期需求，而且预计还会出现其他需求领域。

包括直接空气捕获，这可能与建筑和交通的电气化同时发展。

DOE表示，“到2030年，将需要多达200GW的额外可再生能源，通过水电解为清洁氢气供电”，但核能可以减少这一数量。

拜登-哈里斯政府已通过DOE提供7.5亿美元的资金，用于研究、开发和示范工作，以大幅降低清洁氢气的成本。

DOE计划通过一系列项目资金呼吁来分配资金，这些项目将持续两到五年。第一个资助阶段的申请截止到7月中旬。

如果该行业能够应对挑战，那么这一切都为低碳氢和核能的未来发展提供了一个令人信服的理由。