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北極星核電網訊:2020年12月，英國新核觀察研究所（NNWI）發布《核能在歐洲氫經濟發展中的作用》報告。報告明確了核能在氫經濟發展中可以發揮的寶貴作用，呼籲歐洲和各國制定清潔制氫行業發展政策時，應在技術上保持中立，承認可再生能源和核能都是低碳制氫的來源，並以此為基礎實施其氫能戰略。
（來源：微信公眾號「中核智庫」 ID：zhzk_cinie 編譯：中核戰略規劃研究總院 李晨曦 李穎涵）
01 氫能概述
氫不是能源而是一種能量載體，它與電力在許多方面都有著相似之處：二者皆是通過運用多種技術生產出來的、用途廣泛的能量。
無論是氫能還是電能在使用過程中都不會產生任何溫室氣體，如在燃料電池中使用氫能不會產生除水以外的排放物。但是在使用化石燃料生產這兩種能量的過程中，上遊碳強度較高。如果能夠將碳捕集、利用與封存技術（CCUS）應用於化石燃料發電廠，或是將諸如核能和可再生能源等低碳能源作為初始能源應用於生產過程中，就能避開這一缺陷。
電能與氫能之間的關鍵性區別在於，前者僅由電子組成，而後者則是一種由分子構成的化學能。當下化石燃料在全球範圍內的運輸使這一區別至關重要，因為分子的能量可存儲且穩定輸送。除此之外，氫的分子性質使其能夠與其他元素結合以製備可用於工業的氫基燃料。在能源儲量方面，以石油、天然氣和煤炭為主導的全球分子能源市場規模是電力市場的九倍。因此，儘管運用電氣化手段減少某些能源使用過程中的碳排放量已成為一種趨勢，低碳氫顯然將成為能源轉型升級中的重要組成部分。
根據國際能源署（IEA）的數據，2018年全球共生產73.9噸純氫，另有45噸的氫未與其他氣體分離直接應用於工業生產，如生產甲醇和直接還原鐵（DRI）。
最成熟的制氫技術是甲烷蒸汽轉化法（SMR），即選用天然氣同時作為原料和燃料，使其與作為氧化劑和氫原料的水發生反應。目前76％的專用氫通過這一技術制出。
在典型運行條件下，該過程中有30%-40%的天然氣會作為燃料燃燒，而其餘的則被分解為氫氣和高濃度的二氧化碳。如今，這種方法每年在全球範圍內消耗略超過2000億立方米的天然氣，佔全世界天然氣用量的6％。甲烷蒸汽轉化法（SMR）也是碳排放密集型的，產出每噸氫氣的同時會排放10噸二氧化碳。國際能源署數據顯示，若將碳捕集、利用與封存技術（CCUS）應用於制氫設備，最多可減少90％的碳排放量，但生產成本會因此上升。
世界上其餘的專用氫中，絕大多數是使用氣化方法由煤炭制出。用這種方法制出的氫氣大多產自中國，這裡集聚了全球80％以上的煤氣化工廠，並且是中國成本最低的制氫方法。
該制氫過程的碳排放量幾乎是使用天然氣的甲烷蒸汽轉化法（SMR）的兩倍，製成每噸氫氣的同時會產生19噸二氧化碳。因此若要降低碳排放量，需要採用CCUS技術。
水電解技術制氫目前僅佔專用氫產量的0.1%，且主要面向有高純度氫氣需求的小眾市場。然而，由於預期基礎技術成本的降低以及電解氫作為脫碳減排的驅動力在能源轉型中發揮的潛在作用，電解法制氫的勢頭正在上升。該方法將水電解，生成氫氣和氧氣，每9升水可電解產生1千克氫氣，效率約為60%至80%。
電解法制氫的碳排放強度取決於電源的碳強度，因此電解槽能夠產生低碳氫。
如果電力系統本身是低碳的，則可以通過電解槽併網來產生低碳氫，或者通過與專用低碳電力來源（如核能或可再生能源）配對的電解槽來實現。專用電解槽方法具有更大的操作彈性，可根據系統需求和市場在發電與制氫之間切換，因此可解決高發電量時可能出現的可再生電力生產過量的問題。
電解法制氫的成本主要由資本成本、輸入電價、實際轉換效率和年度負荷決定，其中資本成本會隨著電解技術和設備生產規模的變化而改變。隨著電解槽運行時間增加，資本成本對最終生產成本（即制氫的平準化成本）的影響會減少，電價的影響則會增加。因此，最佳運行條件應為穩定的高負荷因子（依靠充足穩定的電力提供）和低電價。如下方IEA圖表所示，與當今主流生產方法相比，使用可再生能源電解制氫的相對成本較高，這是由於電解槽的資本成本較高，且與可調度的基荷能源能源相比，可再生能源提供的容量因子相對較低。
02 核能對氫市場發展的貢獻
儘管人們對使用先進模塊堆和小型模塊堆產生的熱能來制氫這一方法十分感興趣，這裡我們關注的是在短期內利用核電站產生的電能來電解制氫。
這並不意味著反應堆核熱制氫的方式不重要，而是意在強調後者有效地提升了歐洲氫能市場的發展速度，並且推動了歐洲氫能市場早期經濟發展。
我們還應當注意到，《歐洲氫能戰略》與短期和中期核能制氫的生產和交付並不矛盾，因為「低碳氫」的定義涵蓋了這一點。但是由於該戰略的長期目標是實現完全由可再生能源制氫，在核能制氫方面的投資將會受到影響。
因此，該戰略需秉持技術中立和低碳排放理念，正如政府間氣候變化專門委員會(IPCC)指出，核能與風能的全生命周期碳排放量是相似的，並且兩者的排放量都少於太陽能。
A 清潔氫的生產規模
在市場發展早期，供需之間存在著緊密的關係，這種關係由監管框架和政策機制所決定。
就清潔氫而言，它的許多潛在應用都有現成的替代燃料，因此，如果要刺激需求和吸引終端用戶，就必須進行大規模、高水平的生產。擴大生產規模不僅能夠促進產業經濟發展，繼而使其成本溢價低於現有替代燃料，吸引更多的消費者和子行業使用，推動具有更強流動性和更高分配效率的清潔氫貿易市場形成。
在這種情況下，應重點確保電解槽的有效容量得到最充分的利用。但在歐洲，電解槽年總產能低於1吉瓦。下圖中簡化模型給出了電解槽容量因子與氫總輸出量之間的關係。歐洲目前在建的最大電解槽項目容量為10兆瓦，該電解槽生產1千克氫需消耗55千瓦時電能，電效率為70%。研究人員對歐洲太陽能、風能和核能制氫的相關容量因子進行評估，得到太陽能和風能分別為13%-16%以及33%-38%（數據源自Lazard《能源與儲能系統平準化成本》2020版），核能為77%-81%（數據源自世界核協會《世界核能業績報告》2018版）。
分析顯示，在每兆瓦專用電解槽容量中，使用基荷能源核能產生的清潔氫分別是使用太陽能和風能的5.45和2.23倍。就其本身而言，這並不是一個令人驚訝的結果，因為不同發電技術的相對容量因子大相逕庭。因此從長遠角度來看，如果僅使用可再生能源，則無法在近期內生產出足以刺激市場發展的氫，就必須在近期內使用化石燃料制出大量、經過或未經過碳捕集的氫（也稱「藍氫」和「灰氫」）來滿足需求。這種路線產生的碳排放量比將核能納入歐洲長期能源戰略並用其制氫要大得多。此外，碳捕集技術尚未實現商業化和廣泛應用，整個歐洲僅在挪威有兩處相關設施。
另一個與容量因子差異有關的問題是不同發電技術對土地的使用要求不同，較低的容量密度（單位面積土地的裝機容量）意味著更大的土地需求。例如，位於英國約克郡北海沿岸的海上風能項目霍恩西一號佔地407平方公裡，裝機容量為1.2吉瓦，而英國薩默塞特郡在建的欣克利角C核電站僅佔地1.75平方公裡，計劃裝機容量3.26吉瓦。因此，按照每吉瓦裝機容量所需土地來算，霍恩西一號的佔地面積大約是欣克利角C的630倍。如果按照《歐洲氫能戰略》中的目標將80至120吉瓦的可再生能源裝機容量全部用於制氫，並且保持與霍恩西一號相同的容量密度，即每吉瓦佔地340平方公裡，那麼需要的海域面積約等同於摩爾多瓦共和國的大小。此外，對土地面積的要求將進一步擴大項目對於發電而非制氫的需求。
容量因子和容量密度這兩個參數的綜合分析效果十分明顯。對於相同電解槽容量，使用核能制氫的產量是風能制氫的2.23倍；按照單位裝機容量所需面積計算，風能制氫是核能制氫的630倍。因此，假設霍恩西一號和欣克利角C都只用於制氫，那麼二者若生產等量氫氣，則霍恩西一號的佔地面積需約為欣克利角C的1400倍，即若要產生欣克利角C的制氫量，霍恩西一號需佔地約2500平方公裡。
最後，氫氣產量及其使用將對相關基礎設施的發展產生影響。特別是包括存儲、運輸和供應在內的交付網絡。應當注意的是，當前的工業需求中有很大一部分是通過現場生產和/或使用生產過程中產生的副產品來滿足的，因此並沒有形成清潔氫市場所需的綜合交付網絡。
B 清潔氫的生產成本
除了可供消費的清潔氫外，市場發展速度以及監管和財政兩方面的政策支持力度還取決於清潔氫與常規氫之間的成本差異以及將該差異最小化的程度。
無法獲得競爭力同樣有可能造成上述情況，即由於化石燃料的持續使用，氫生產不能完全脫碳。
為了衡量不同低碳發電技術的相對制氫成本，需調整容量因子模型以反映不同技術的電力成本，該成本是最終輸出成本以及電解裝置資本成本的重要影響因素，此處單位裝機容量的資本成本為每千瓦1,400美元。根據Lazard《能源及儲能系統平準化成本》（2020版）可得出在高容量因子和低容量因子下安裝新風力發電設施的電力成本。
分析結果清楚地表明，在這四種制氫方案中，利用在運核電站空餘裝機容量是成本最低的選擇，其成本是其餘三種風力制氫的45%、57%和 21%。
在對生產成本進行分解後，核能的高容量因子影響更加明顯。核能制氫電解槽的安裝成本是其生產成本的60％，而對於其他能源來說，電解槽的安裝成本分別是其生產成本的66%、73%和100%（與上述順序相同）。
在氫市場發展方面，生產成本具有雙重意義。首先，與常規氫相比，清潔氫的成本溢價較低，這將減少在現有工業用戶中增加其使用量的政策成本。正如在前文中指出的那樣，這是發展清潔氫需求的重要早期步驟。其次，清潔氫的生產成本越低，與運輸和供熱等領域的替代性低碳脫碳劑相比，燃料的競爭力就越高，進而將刺激需求的增長，並促進生產經濟性，擴大基礎設施網絡建設的投資規模。
C 當前機遇
與2019年同期相比，新冠疫情的出現及其引發的經濟衰退使2020年第一季度全球發電量下降了2.6%，核電的降幅更大，約為3%。然而，使用核電機組的空餘裝機容量成為增加制氫量的一種強有力的手段，並因此推動了整個歐洲市場的發展。
如果用全球核能發電量下降3％代表歐盟的情況，那麼照2018年的總裝機容量111吉瓦計算，目前大約有3300兆瓦處於閒置狀態。如果按歐盟五年的平均容量因子77%來運行，則能夠發電22500吉瓦時。如果用於制氫，根據前文中的電解槽性能參數來計算，該電量可用於生產286000噸清潔氫；如果按照目前流行的方法，即在沒有碳捕集裝置的情況下使用天然氣進行生產，則會排放出286萬噸二氧化碳。如上文所述，使用在運核電站的空餘裝機容量生產清潔氫將比使用新的、專用的可再生能源工廠制氫的成本更低。
然而，這種生產規模不太可能在2020年底之前實現，因為歐洲的電解槽產能仍低於1吉瓦，新冠疫情和經濟放緩的抑制效應、不可能在2020年底前消失，因此這一目標也許在接下來的幾年中才能實現。
03 結論
氫已被確定為能源系統脫碳的重要工具。它提供了一種手段，使諸多部門能夠從各種工業過程如運輸和供熱中消除碳排放。
在歐洲，歐盟以及一些國家將發展氫市場的長期政策著眼於可再生能氫。這忽略了其他低碳發電技術，例如核能——不僅可在短期內刺激生產和需求，且具有在長期內將其納入政策中的優勢。法國提出的國家氫能戰略將核能制氫納入，有效減少了對進口氫的依賴，從而規避了運輸成本並有助於能源安全，實現更廣泛的工業戰略。
這份報告進一步探討了政策承諾對核能制氫的好處。研究表明，與可再生能源相比，核電站能夠為氫市場提供更大的生產規模，從而為潛在的最終用戶提供更大的刺激，並促進綜合氫能網絡的發展。同時明確了依賴可再生氫在土地需求方面的後果。最後，儘管可再生能源制氫是市場發展早、中期的另一個重要決定因素，但研究表明，在短期內使用核能制氫會更具成本優勢。
（中核戰略規劃研究總院 李晨曦 李穎涵）
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