“核能制氢”的经济空间?

浏览数量: 0     作者: dagang     发布时间: 2022-10-18      来源: 北极星风力发电网

快速发展的氢能经济将为核能带来机遇,不过这一机遇也将给开发商带来复杂的挑战。

(来源:微信公众号“嘿嘿能源heypower”作者heypower )

1、氢能迅速发展

氢是核能的机遇,但也面临挑战。氢能已经成为一个大生意了。根据国际能源机构(IEA)2021全球氢能审查,2020年全球需求量为1.3亿吨。目前产量的三分之二用于工业目的,包括在化肥生产的早期阶段生产氨。剩下三分之一主要用于混合气体的一部分,如合成气,用于燃料或其他化学品的原料。目前,绝大多数氢是通过蒸汽重整从甲烷中产生的。这些用途并没有消失,恰恰相反。未来,预计将有更多的行业转向氢,以取代炼钢等行业的化石燃料。预计氢在其他不能用电的部门脱碳方面也很重要,例如重型运输,包括卡车运输和铁路服务。它也是长期储能和管理电力供应的重要选择,例如燃气轮机中的氢气替代甲烷。IEA估计,到2050年,氢气产量将不得不增加到每年5亿吨以上。

美国核管理委员会(U.S.Nuclear Regulatory Commission)认为,这一潜力是其两倍。

2、无碳生产氢气

为了发挥氢能的作用,必须生产无碳排放的氢气。表上有两个选项,传统的甲烷重整方法——使用700–1,000℃的蒸汽生产氢气,另一种方法——自热重整,是一种尚未大规模应用的化学工艺。为了符合低碳标准,它必须与碳捕获和存储相结合,从而增加部署的成本和风险。加快使用甲烷重整的另一个问题是,在气候和能源领域的重要支持者看来,将氢工业建立在持续使用甲烷的基础上只能是短期解决办法。人们对电解槽越来越感兴趣,电解槽利用电池将水分解成氢气和氧气。如果使用的电力是低碳的,并且是由核能或可再生能源生产的,那么它们具有简单的吸引力。电解槽目前正在世界各地以示范或商业前规模安装,最高可达几MW。在电解中,当然需要很大的功率容量。IEA估计,要实现其氢气目标,到2030年,电解装机容量将达到850 GW左右,到2050年将达到近3600 GW。这一数字可能被低估了:可能会使用专用设备,电解槽也可能会间歇性使用,有时会出现发电过剩的情况,从而提高了整体产能需求。但甲烷重整和电解都对系统提出了其他要求——对热量、气体,尤其是水。“整个系统”的观点揭示了结合核能和氢能基础设施的一些好处和复杂性。

热量、天然气和水是关键的输入,当涉及到输出时,仅仅生产氢气是不够的;它还必须交付给用户。

3、核氢结合

在实践中,核能与氢的关系是如何结合在一起的?英国是这场讨论的一个有趣的试验场,因为有政治支持,英国既有新的反应堆大军,也有支持将氢转化为脱碳工业和运输。英国宣布了建造十几座新反应堆的雄心壮志,并为氢的生产和使用提供了研发资金。这些重点是沿海地区现有的几个“产业集群”。最后,英国是一个相对较小的地区(为此目的,禁止新核能的苏格兰可以被排除在外),因此潜在的核电站相对靠近,相距数十英里而不是数百英里。虽然电力显然可以在全国范围内输送给电解槽,但核电的关键供热不能以同样的方式输送。即使对于电力而言,有限的电网容量也已经造成了巨大的限制成本,而新建电网是一个缓慢且成本高昂的过程。这意味着选址问题是决定核能作为氢生产商角色成败的关键。位于东南海岸的塞兹韦尔(Sizewell)就是一个很好的例子,因为最近在现场批准了一个新反应堆塞兹韦尔C项目的开发许可。EDF此前表示,氢是塞兹韦尔C项目的潜在副产品。

核热制氢

除了电力,核能还能产生更多的热量,这也为制氢提供了机会。

顾名思义,热量对蒸汽甲烷重整至关重要。在当前部署中,热量是通过使用额外的气体产生蒸汽来提供的。虽然有优势,但是会增加三分之一的天然气消耗,所以不使用化石燃料的替代热源很有吸引力。但在电解中,高温蒸汽的可用性改变了行业规则。提高电解温度可显著提高工艺效率,从100℃时的40%左右提高到850℃时约60%。核能提供的更高温度提供了另一种选择:高温蒸汽电解,在接近100℃的温度下,将氢和氧从蒸汽中而不是水中分离出来,从而将制氢效率提高到80%左右。利用核能发电生产氢气,在选址上相对灵活,因为它可以在全国范围内传输。利用核能的热量正好相反:实际上,它不能远距离运输。用水需求根据PA Consulting的数据,目前,市面上可买到的两种主要电解槽(碱性和质子电子膜技术)的用水量为每千克产氢9-14千克(取决于所需的脱矿量),有些估计高达每千克氢18千克水。甲烷重整需要每千克氢气6-13千克水。换言之,一个典型的估计是,当持续工作时,1 MW电解槽每天将产生约400 kg氢气。这表明每天用水量为3.6-5.2立方米。事实上,在塞兹韦尔,EDF对氢的热情已经降温,因为在满足现场用水需求方面存在潜在问题。塞兹韦尔B项目每天的淡水需求量为800立方米,与海水需求量(每秒50立方米)相比相形见绌,但仅在当地集水区,它仍占清洁水需求量的7%左右。塞兹韦尔C项目每天的淡水需求量更大,约为2000立方米。尽管英国多雨,但环境监管机构环境署(Environment Agency)称,该国东部和南部为“缺水”地区。为了满足塞兹韦尔C项目的淡水需求,EDF计划安装一条管道,从18公里外的Waveney河取水。然而,当地水务公司埃塞克斯(Essex)和萨福克水务公司(Suffolk Water)预计,到21世纪40年代塞兹韦尔C项目运营时,该地区将处于“缺水”状态,预计到那时,环境署将把其从Waveney河的取水许可证减少到目前水平的一半以下。塞兹韦尔C项目还有另一个选项来满足发电厂的用水需求——建造一个海水淡化厂。这样它就可以使用海水来代替海水,不过这个选项已经遭到反对。这使得提取更多的水用于制氢成为一个问题。一台额定功率超过100 MW的商用电解槽可能会使现场对淡水的需求翻一番。英国其他几个核电站也位于“缺水”地区,通常位于该国南部和东部。但英国气候变化委员会预计,除非用水发生重大变化,否则这些地区未来将扩大。IEA表示,在沿海地区,使用海水是一种替代方法,使用反渗透进行海水淡化。IEA表示,每立方米水的电力需求高达4 kWh,如果需要脱盐,制氢总成本将增加0.01–0.02美元/kg H2。基于这些理由,这远不是不可能的,但陆上脱盐,在处理脱盐水旁边产生的盐水时会引发环境问题。正如其他地方所建议的那样,在海上风电场生产氢气和在陆上管道输送氢气的方式是不同的。没有使用当地淡水的选择,因此需要脱盐,海上盐水的处理问题较小。管道问题虽然供水过去一直是核电站选址的主要考虑问题,供热用户的潜力也是如此,但核开发商过去不需要考虑天然气运输基础设施的可用性。如果核能被用作主要的氢气生产商,情况就会发生变化。利用核能促进甲烷重整,需要该工厂能够长期获得天然气供应。电解当然不需要气体输入。但这两种方案都需要天然气出口基础设施。今天,氢通过管道从生产点运输到使用点,并通过低温液体罐车或气体管道拖车在公路上运输。管道部署在需求旺盛的地区(每天数百吨),预计几十年内将保持稳定。这意味着,使用甲烷重整路线的氢气生产商,必须确保其使用的天然气资产具有长期甲烷供应,这不包括可能转换为运输氢气的管道。这实际上使甲烷重整器靠近甲烷进口终端。所有这些都给新的核电站带来了更为复杂的选址挑战,这些核电站将在未来与电力并肩(或替代)生产氢气,并为不同的客户提供服务。天然气、水、氢和热量的要求都必须在满足核设施广泛限制的场所得到满足。在英国,对现有天然气网络、产业集群和现有核设施的比较,表面上显示出一些一致性。但如果放大,就会出现更复杂的画面。西北部的HyNET是氢气增长区,用户众多。天然气网络也为其提供了良好的服务,目前正在考虑将其重新用于氢运输。但最近的现有核电站是海瑟姆(Heysham)核电站,距离约60英里,中间有利物浦等大型城市中心。通过使用新的核方案,这些问题将得到缓解。较小的反应堆将有较小的水足迹。但它们也产生较少的氢气,而体积较小又限制了氢气运输的选择,因为管道变得不经济。如果“本地”反应堆有其他电力用户,则需要本地氢用户,以及管理间歇性氢供应的方法。其他地点,如南部或东部海岸,离资源和消费者都很远。英国目前的核规划框架在很大程度上限制了现有场地的新核设施。事实上,该框架已经失效,预计会有一个新的选址框架。这可能会开辟新的核电站,尽管英国此前发现很难将其核电站池扩大到现有的核电站之外。这些问题对电力资产经理来说都不是新问题。例如,热电联产项目定期管理热电客户,并可能包括一个蓄热室以提供灵活性。水供应有限的问题是众所周知的,至少对于依赖河水冷却的内陆核运营商来说是如此。氢能方案中的不确定性仍将给核投资者带来新的挑战。



快速链接

联系我们

座机:025-57079768
传真:025-57079766
邮箱:zhangyuwei@dasco.cc
手机:18262606988
地址:南京市江北新区星火路19号星智汇商务花园A5栋7楼
公众号:
       
版权所有  2018年 南京达钢新材料科技有限公司    网站地图      技术支持:领动