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氢能拯救核能?

日期:2020-08-06    来源:嘿嘿能源heypower

能源资讯中心

2020
08/06
11:36
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关键词: 核电项目 天然气 核电站 氢技术

美国核反应堆的未来正在面临一幅全新的剧本,在风能、太阳能和天然气的竞争对手面前,美国的核反应堆一直在节节败退。

氢能制造

能源部和美国核工业提出了从反应堆中提取能源,将氢从水中分离出来的愿景,每年制造出数百万吨的氢气,出售给炼油厂、化肥、钢铁和塑料制造商。

这一想法是一条满载希望的生命线,加上国家的补贴支持,核电站可在未来数年内得以继续运行。倡导者说,如果氢元素的原子可以产生如太阳般强大的能量,依靠它拯救核能很有可能实现。

爱达荷州国家实验室负责氢技术开发的理查德博德曼(Richard Boardman)说,他和同事们已经在调查核反应堆是否可以成为工业制造、运输工具和能源使用中最便宜、最有效的氢气生产来源。

他在一次采访中说:“我已经为[氢的未来]研究了20年,在过去的两三年里,我们与私营企业合作,对核反应堆产氢的问题进行了全面的研究,试图判断这是否可行。”

“答案是肯定的。”博德曼说。

美国能源部正在支持明尼阿波利斯市的Xcel能源公司的一个项目,该项目利用电能把来自该公司一个核反应堆的高温蒸汽分解成氢气和氧气,然后通过管道输送给制造商。

美国能源部的1亿美元预算还给位于俄亥俄州阿克伦市的能源港公司(Energy Harbor Corp)和亚利桑那州公用事业控股公司(Pinnacle WestCapital Corp)的氢气项目提供资金。能源部另一个办事处支持芝加哥艾斯能(Exelon)公司的氢项目。”博德曼说:“有许多大型能源公司也在考虑这个问题。”我不会具体点名,但它们都是炼油公司。”

博德曼对从反应堆中获得氢气的设想,远远超出了能源部目前开始的试点项目战略阶段。

他说,在这种较小的规模下,拥有反应堆的公司将从氢销售中受益,并将创造新的就业机会。但博德曼认为,这其中还有更多利害关系。承诺在核反应堆中生产大量无碳氢,有可能最终降低制造业和炼化行业的二氧化碳排放——许多专家认为这两个行业是最难迎来零碳未来的行业。

但是核能的利用仍然存在争议。批评人士坚持认为,核燃料长期储存仍然没有永久的解决方案,而一次灾难性的核事故就可能引发公众舆论而反对这种做法。

从反应堆中提取氢气的战略将会带来大量新的基础设施投资。此外,一项奖励氢能源、核反应堆和可再生能源零碳排放的国家政策也遭到了特朗普总统和参议院共和党领导层的阻挠。风能和太阳能的倡导者也看到了氢气生产的未来:上周,可再生能源巨头NextEra能源公司宣布了其首个“绿色”氢气项目计划,该项目将在佛罗里达州的一个20兆瓦的试点工厂利用太阳能生产氢气。

障碍仍然存在

因此,博德曼正在自下而上地陈述自己的观点,试图证明即使不对发电厂的二氧化碳排放征税,这项技术也能自食其力。

如果试点项目成功,并且有足够多的反应堆开始生产氢气,生产氢气的电水解设备的成本将下降。“为了赚更多的钱,美国可能会有30到50个反应堆转型去制造氢气。”

他说,如果氢在运输工具、乙醇生产和其他制成品中的用途不断扩大,那么来自反应堆的氢的潜在市场可能是目前天然气产量的5倍,这是加大核燃料潜力和大幅减少碳排放的关键。

但是还有另一个障碍,那就是“国家必须有所作为,”博德曼预测,如果核电站运营商通过生产氢气来避免二氧化碳排放而获得任何金融信贷,那么“这将开始对通常来源于化石燃料的传统氢气产生破坏性影响”。他说,每吨碳排放25美元的价格将产生积极影响。

如今,美国每年生产的1000万吨氢气几乎全部来源于将天然气的主要成分甲烷转化为氢气和碳元素,但最终会释放出二氧化碳,这是导致气候变化的主要温室气体。甲烷“转化”需要蒸汽和热量,这意味着更多的二氧化碳排放。然而,在核电站,这种转换是通过在水中电解来实现的。

Xcel公司的项目正寻求巨大的效率提升,即从反应堆中吸收热量,在水分解成其组成元素之前,提高氢处理过程中的水温。Xcel的首席核技术创新工程师莫莉·斯特拉瑟说:“对于同样的电力或能源消耗,这样会多产生三分之一的氢气。”

Xcel首席新闻发言人蒂姆·奥康纳(Tim O'Connor)解释说,这个氢能方案解决了明尼阿波利斯电力公司此前不断爆发的冲突。

该公司表示,Xcel的风力发电量是美国其他发电公司中最多的。该公司增加风力发电量的目的,是为了实现在2030年控制碳排放量相比2005年减少80%、并承诺到2050年实现100%无碳发电。

密西西比河沿岸双子城附近拥有两座核电站,但随着风力发电容量的不断增长,“越来越多的时候,我们的风力发电成本可能会更低。”奥康纳说。这使得有必要降低核电站的产量。因此,在进行40年的24小时运转之后,这些反应堆越来越多地转型去利用可再生能源发电。

他说,在那些时候,这些能源可以被用于制氢,而不是对反应堆进行节流。

“我们确实看到了氢的巨大潜力,但我们必须证明它可以在美国的公共事业领域中进行供应。”Xcel负责核战略的副总裁帕特里克?伯克(Patrick Burke)在6月份的美国核协会网络会议上表示。

斯特拉瑟(Strasser)说,公司还没有决定是在密西西比河畔的蒙蒂塞洛核电站还是草原岛核电站建造工厂。伯克(Burke)告诉观众,“现在看来,草原岛将是首选的地点。”

其他问题与经济无关。为了最大限度地提高效率,制氢必须在核电站旁边进行吗?还是必须将其放置在一段距离之外?“这些都是我们必须解决的细节。”奥康纳说。

伯克建议,氢气制造工厂应该离反应堆相对较近。“一旦你开始长距离运输氢气,成本竞争力就会开始下降。”

安全问题

任何核电项目的开展都不能避开安全问题。根据全国会议在州立法机构中的规定,明尼苏达州是限制新建核电设施的14个州之一。

“随着我们制造规模的扩大,必须要让(安全监管机构)参与其中,因为我们产生的氢气越多,人们就越担心核电站发生氢气爆炸”,艾斯能(Exelon)公司高级副总裁苏格兰格林利(Scot Greenlee),作为参加ANS会议的小组成员,强调说:“我们必须向核监管机构证明,在我们前进的过程中,加大的投入是安全的。”

美国核管理委员会(Nuclear Regulatory Commission)发言人斯考特·伯内尔(Scott Burnell)说,美国最高核安全监管机构“意识到有几家持牌企业计划支持美国能源部(DOE)计划下的制氢示范项目。”不过,目前还没有收到许可证申请。他说:“随着行业计划的巩固,核管理委员会工作人员将评估进一步参与的必要性。”

Xcel的奥康纳(O'Connor)说,他希望明尼苏达州人能够认识到,如果没有可靠的选择来处理长期风力输出弱或无风的情况,或者需要即时响应的电压或电流突然下降,就不可能实现高水平的风力发电。为此,核电站已经建立起来了。他说:如果没有某种形式的支持,“风能本身无法支撑电网”,而核反应堆可以填补这一缺口。

他说:“我们将达到某一阶段,然后我们将充分发挥我们的能力,做更多的事情。我认为,到那时,核问题将成为讨论的主要内容。”

解决中西部地区较高的可再生能源水平的其他解决方案可能涉及大型多州输电线路,目前受到政治、经济和民众反对的限制,或者在电池存储方面的巨额投资远远超出客户和监管委员会考虑过的任何公共事业预算(Energywire,2019年12月19日)。

目前,继续使用氢气的理由似乎取决于它是否有能力帮助现有的核反应堆继续运转。

根据Xcel的伯克(Burke)的说法,氢制造的推广时间需要尽早而非更晚。“我认为我们需要加速,”他说。在一个停车场建造一个1兆瓦的氢气示范项目非常简单。“如果我们要成为一个真正的氢生产企业,你可能会谈论数百兆瓦的规模。”

投资者是否愿意将资金投入到已有数十年运行历史的反应堆的氢气生产上?这些反应堆可能还要运行几十年才能完全收回投资。

艾斯能(Exelon)公司的格林利(Greenlee)说:“我们面临的最大挑战是与我们的核电站所在的州合作,让它们对核电站项目的可行性产生兴趣,这样我们就可以生存足够长的时间,让氢制造成为现实。”

但格林利(Greenlee)还说:“我认为,在某些情况下,这不会很快拯救核电站,这要取决于特定地点的收入来源。

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