無碳能源——氫能，在全球脫碳日程中發揮了重要的作用，不過如果要與碳氫化合物競爭，氫能還需要降低成本，同時提升產量，在這個過程中，核能將起到重要作用。

1、氫能經濟

可再生能源具有間歇性特點，而在未來的電力系統中，可能嚴重依賴可再生能源。氫能很可能會在用于電網平衡手段的能源存儲中，尋找到最經濟的生產方式。

為了實現真正的“氫能經濟”，氫能的推廣必須擴展到所謂碳排放“難以減少”的部門。

例如在工業部門中，氫和氫衍生燃料(合成燃料，如氨和由氫和二氧化碳生產的合成碳氫化合物燃料)將取代目前用于重工業(水泥、化工、鋼鐵)、重型運輸和航空的液態碳氫化合物。

國際能源署(IEA)認為，這一轉變對于最終實現全球能源體系的碳中和是必要的。在IEA的可持續發展設想中，工業和運輸部門的碳排放量不會變化太多，在2040年仍將居高不下，遠遠超過電力部門排放量。實際上，電力部門的碳排放量已經大幅減少(到2070年達到實際負排放量)。

IEA的設想是，到2040年，氫、氨和合成燃料占全球能源消耗量的1.5%，隨著碳氫化合物燃料使用的急劇下降，到2070年，這一比例將會上升到近10%。

雖然提出了目標，但IEA并沒有指出具體實現的明確方法。

2、低成本

一些企業聲稱，他們已經實現氫能生產成本在 $2/kg左右。

但也有人認為，在航空和航運領域，氫基燃料需要進一步降低成本，達到$0.90/kg，從而大規模替代液體燃料。

這些目標能否在本世紀中葉實現尚不清楚，因此許多社會觀察人士呼吁征收各種形式的碳稅，相對來說是降低了氫能價格。

無論如何，達到較低的價格點需要創新。其中就包括核電方面的創新。綠色氫能的未來走向，很可能取決于美國和其他國家先進堆和核燃料的研究與創新。

3、核能

Davis-Besse 核電站 (圖源: FirstEnergy)

核電站生產的電和熱可以為無碳制氫的電解過程提供動力，這一概念也剛剛在美國現有輕水堆上得到了驗證。

研究人員還在研究利用輕水堆進行高溫蒸汽電解，這比低溫水電解具有效率優勢，但需要發電廠提高熱量輸出，以達到更有效蒸汽電解所需的溫度。

先進高溫堆的發展可能證明這種方法確實是可行的。同時，小型模塊堆的開發也在進行中，不過主要是低溫電解方向。

美國國內的大部分研究都是通過愛達荷州國家實驗室(INL)進行的，該實驗室主要用于核能研究、開發和示范方面。INL與多家公司合作許多項目，包括開發目前正在運行的輕水堆電解技術。

美國能源部的H2 at Scale(規模氫能)計劃為INL與商業合作伙伴保持合作提供了重要支持。作為這一計劃的一部分，該國最大的核電站運營商——Exelon公司——已同意在其一座核電站安裝一臺1-MW電解槽，該電解槽將在2023年前投入運行，生產供現場使用或出售的氫氣。該示范堆將會模擬擴增到更大的制氫裝置。

另一個是能源港公司(Energy Harbor Corp.)，該公司雖然去年宣布破產，但仍繼續運營著數座核電站。該公司正計劃在其位于俄亥俄州托萊多附近的戴維斯-貝斯(Davis-Besse)核電站進行商業電解示范建設。這個為期兩年的項目將尋求部署一個1到3-MW的低溫電解裝置，生產商業數量的氫氣。

目前正在運行的輕水堆電廠也在計劃進行高溫蒸汽電解的示范建設。電解制氫需要達到約1000℃的高溫。Xcel Energy公司(總部位于明尼阿波利斯)最近以1100萬美元資金被選中參加這次示范建設。

INL的理查德·鮑德曼(Richard Boardman)說：“這個項目第一次將商用發電機與高溫蒸汽電解技術相結合。”

理查德·鮑德曼是美國能源部輕水堆可持續發展計劃的技術負責人。

他補充說：“產生的氫氣最初將用于發電廠，但最終可能被出售給其他行業，尤其是在隨后擴大氫氣生產情況下。”

INL打算擴大與商業伙伴的合作，在目前在運輕水堆電站安裝氫電解系統，組裝電解槽，以便繼續測試和開發這些系統。

此外，該實驗室正在考慮最終部署專門用于蒸汽電解的先進高溫反應器。目前世界范圍內正在開發幾種不同的先進堆概念，其中許多被設計成微型堆或小型模塊堆。

理查德·鮑德曼說：“鈉冷快堆、熔鹽堆和高溫氣體反應堆在這一過程中可以獲得更高的效率，因為它們較高的運行溫度提高了發電效率。而且在蒸汽電解中，電力仍然占了大部分能耗。”

4、小型堆的使用

無碳制氫對核能的需求變得十分緊迫。大西洋理事會全球能源論壇就以“核能超越電力：氫、熱和海水淡化”為主題展開討論。

英國咨詢公司Lucid Catalyst的執行合伙人柯斯蒂·戈根(Kirsty Gogan)說，根據她公司的計算，到2030年，使用“先進熱能”可以達到$0.90/kg的目標價格點。

Lucid Catalyst去年秋天發表了一份名為“與宜居氣候的缺失聯系：氫合成燃料如何幫助實現巴黎目標”的報告。報告提出了大規模生產綠色氫的有趣建議，其速度要比IEA設想的要快得多。

作者認為，大規模生產用于合成燃料的綠色、低成本氫氣，不可能與以可再生能源為動力的電解技術相競爭，甚至可能到本世紀中葉也不可能。

他們認為，這方面的實際土地需求太大。此外，他們指出，風能和太陽能不能產生熱量，因此只能用于效率較低的低溫電解。

他們建議改為“新一代先進熱源”，這實際上是先進的模塊堆，用熱為電解提供動力。

他們認為，在港口和造船廠附近，通過先進的制造和標準化技術，這種反應堆可以規模化生產，而且經濟實惠。

現代造船廠為他們提供了大規模、低成本生產的重要模式。

一種形式是在港口附近建造一個浮式生產平臺，部署用于高溫電解的高溫模塊堆，專門生產氫氣并將其轉化為船用燃料的氨。

該報告比較了輕水和熔鹽小型模塊堆的資本和運營成本，以顯示先進核技術的成本優勢。

另一種建議的形式是“巨型工廠”，在現場建造小型模塊堆，用于靠近港口和鐵路的集中大規模制氫。

隨著企業家們尋求大幅降低清潔氫氣和氫基合成燃料的成本，這些“先進的供熱”計劃無疑將在未來幾年被更多的企業所遵循。

從事先進核燃料研究的美國萊特布里奇公司(Lightbridge Corporation)總裁兼首席執行官格雷斯(Seth Grae)說：“關鍵是生產出有效生產氫氣所需的高溫。”

“核能是實現這一目標的唯一可行途徑。”

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