2023年5月5日，美國愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)作家科里·哈奇(Cory Hatch)和主任研究員理查德·博德曼(Richard Boardman)在ANS《Nuclear Newswire》網(wǎng)上聯(lián)合發(fā)文說，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的研究人員，利用核能、風(fēng)能、太陽能、水能和地?zé)岬葻o碳排放能源發(fā)電資產(chǎn)，在整合清潔能源系統(tǒng)(IES)的研究、開發(fā)和部署中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。“有IES的進(jìn)步，美國正在引領(lǐng)世界向新的能源模式過渡，這將為電力、工業(yè)和交通運(yùn)輸提供一個(gè)脫碳的未來[1]。”

在INL的高溫蒸汽電解(HTSE)試驗(yàn)設(shè)施中，研究人員正在通過一系列技術(shù)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)分析和測試，推動(dòng)HTSE制氫技術(shù)的發(fā)展。

1951年12月20日，研究人員利用愛達(dá)荷州阿爾科附近的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)增殖反應(yīng)堆(EBR-I)產(chǎn)生的電力點(diǎn)亮了四個(gè)200瓦的燈泡。從那時(shí)起，公用事業(yè)公司在美國建造的商業(yè)核電站幾乎全部用于發(fā)電。這與其他發(fā)電和輸電基礎(chǔ)設(shè)施，如大型燃油和燃煤發(fā)電廠、天然氣渦輪機(jī)或水力發(fā)電廠，以及旨在提供可靠電力、相對(duì)簡單的電網(wǎng)一起配合良好。

人類正在電網(wǎng)、工業(yè)和交通領(lǐng)域展開一場史詩般而又復(fù)雜的能源變革。風(fēng)能和太陽能等可再生能源為電網(wǎng)提供的無碳電力份額越來越大，但這種貢獻(xiàn)是可變的，而且很難預(yù)測——這些能源生產(chǎn)的電力有時(shí)超過了電網(wǎng)的需求，有時(shí)很少。

電網(wǎng)用電僅占美國溫室氣體排放量的25%左右。另外24%來自工業(yè)，尤其是需要高溫?zé)崮艿墓に囘^程。如今，鋼鐵、化學(xué)制品和混凝土的生產(chǎn)嚴(yán)重依賴化石燃料產(chǎn)生的熱能。此外，美國每天消耗約2000萬桶石油，占美國排放量的近一半。在運(yùn)輸領(lǐng)域，目前的電動(dòng)汽車電池技術(shù)并不適合海運(yùn)、航空、陸地重型運(yùn)輸或采礦作業(yè)的電氣化。相反，這些應(yīng)用可以使用無碳?xì)浜透鞣N非化石碳原料生產(chǎn)的合成燃料。

為了滿足工業(yè)、交通和電網(wǎng)不斷發(fā)展的需求，愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室(INL)的研究人員正在幫助開發(fā)一種新的解決方案：綜合能源系統(tǒng)(IES)。這些系統(tǒng)直接將核電站與熱能、化學(xué)和電力系統(tǒng)連接起來，為難以電氣化的行業(yè)提供熱能和電力，從而實(shí)現(xiàn)去碳化。

IES將核能的使用擴(kuò)大到工業(yè)和運(yùn)輸系統(tǒng)，同時(shí)為支持電網(wǎng)提供靈活性。許多工業(yè)都需要大量熱源產(chǎn)生蒸汽和熱能，支持化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)器和其他裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)。在某些情況下，熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可以同時(shí)支持工業(yè)廠房的熱電功能。核反應(yīng)堆可以全天候滿足這些工藝的大部分需求，而且通過儲(chǔ)熱，還可以利用儲(chǔ)備發(fā)電能力在需求高峰期為電網(wǎng)提供支持。與核反應(yīng)堆相結(jié)合的制氫裝置，可以快速降壓，將電力重新輸送到電網(wǎng)，而氫氣儲(chǔ)存則可確保氫氣的持續(xù)供應(yīng)。通常情況下，在用電高峰期出售電力的收入將覆蓋儲(chǔ)熱或儲(chǔ)氫的成本。

核IES直接將核電站與熱能、化學(xué)和電力系統(tǒng)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)工業(yè)脫碳。

經(jīng)濟(jì)有效地利用核能

INL的計(jì)算科學(xué)家丹尼爾·米克爾森(Daniel Mikkelson)說：“在我們最初建造所有這些核電站時(shí)，電力是有意義的。在電力需求穩(wěn)定的情況下，它們投入運(yùn)營，而且一直連續(xù)運(yùn)行，這是件好事。”但是，利用傳統(tǒng)核電站提高或降低發(fā)電量來彌補(bǔ)可再生能源的不穩(wěn)定性，既不經(jīng)濟(jì)也不高效，因?yàn)榉磻?yīng)堆在滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)行最佳，利潤更高。當(dāng)發(fā)電廠不能滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，客戶和電力公司的發(fā)電成本就會(huì)增加。

米克爾森說：“我們真正開始關(guān)注這些集成技術(shù)，不僅是因?yàn)榄h(huán)境，還因?yàn)榻?jīng)濟(jì)性。我們希望我們的核電站能夠一直以100%的額定功率運(yùn)行。”

值得慶幸的是，核反應(yīng)堆并不局限于基荷電力。米克爾森接著說，“核反應(yīng)堆不僅是發(fā)電機(jī)，也是熱源。我們可以將大量熱能用于其他工藝：海水淡化、制氫、制造合成燃料、合成氨生產(chǎn)、造紙、汽油精煉、鋼鐵、采礦作業(yè)、乙烯和乙醇等，不勝枚舉。”

國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員與工業(yè)界合作，幫助開發(fā)了一些用于制氫的首批核基IES。INL正在與公用事業(yè)公司合作，在美國三家核電廠安裝氫氣生產(chǎn)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)采用低溫或高溫電解無碳技術(shù)，利用電能和熱能將水分解成氫和氧。其中一個(gè)系統(tǒng)已于今年二月開始生產(chǎn)氫氣。

制氫的歷史與未來

除了用作清潔燃料外，氫還是其他有價(jià)值的儲(chǔ)能產(chǎn)品的重要前體。它可用于生產(chǎn)化學(xué)制品、化肥和合成燃料，也可用于運(yùn)輸和金屬制造等其他行業(yè)。

1800年，英國科學(xué)家威廉·尼科爾森(William Nicholson)和安東尼·卡萊爾(Anthony Carlisle)首次展示了電解法，通過給水電來產(chǎn)生氫氣和氧氣。1838年，研究人員首次使用氫燃料電池發(fā)電。

從20世紀(jì)60年代開始，研究人員開始吹捧氫在所謂氫經(jīng)濟(jì)中的潛力，即清潔氫氣作為燃料、能源載體和化學(xué)前體，將占世界能源資源的很大一部分。目前，世界上大部分氫氣都是利用甲烷重整和水-氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器從天然氣中生產(chǎn)出來的，這一過程會(huì)排放二氧化碳。

近年來，電解技術(shù)不斷改進(jìn)，其成本已接近天然氣制氫的成本。如果與核電站的高溫蒸汽結(jié)合使用，電解法的效率會(huì)特別高。這種工藝被稱為高溫蒸汽電解(HTSE)，可實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放。此外，氫氣是純凈的，可立即用于合成氨生產(chǎn)、生物燃料、化學(xué)制品和其他市場應(yīng)用。

麥卡•卡斯特爾(Micah Casteel)在INL檢查商用100 kWe 高溫蒸汽電解(HTSE)系統(tǒng)。

電解示范

一些公用事業(yè)公司已經(jīng)與INL的研究人員合作，在運(yùn)行中的輕水堆廠房內(nèi)安裝電解系統(tǒng)。美國首個(gè)核動(dòng)力清潔制氫設(shè)施是1.25 MWe的低溫電解系統(tǒng)，正在紐約州Constellation公司的九英里角核電廠生產(chǎn)氫氣。另一套低溫系統(tǒng)計(jì)劃安裝在俄亥俄州Energy Harbor公司的戴維·斯貝塞核電廠，一套150千瓦的HTSE系統(tǒng)將安裝在明尼蘇達(dá)州Xcel能源公司的Prairie Island核電廠。

推廣小型示范項(xiàng)目需要對(duì)潛在的安全隱患進(jìn)行評(píng)估。氫氣監(jiān)管研究審查小組 (H3RG)由來自INL、桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室、Entergy、Duke、Energy Harbor、Constellation和Xcel的專家組成，負(fù)責(zé)審查制氫裝置與輕水堆整合設(shè)計(jì)。他們通過考察機(jī)械、安全和監(jiān)管合規(guī)性來評(píng)估制氫設(shè)備設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)。

氫氣監(jiān)管研究審查小組幫助INL和工業(yè)界開發(fā)制氫系統(tǒng)的通用設(shè)計(jì)方法，這些方法可根據(jù)特定核電廠的需求進(jìn)行修改。INL制氫與熱力系統(tǒng)研究小組負(fù)責(zé)人泰勒·韋斯特沃(Tyler Westover)說：“這些通用的設(shè)計(jì)有可能節(jié)省大量金錢和時(shí)間。這將降低成本，使監(jiān)管審查過程更加容易。”

優(yōu)化熱電解

20多年來，INL的研究人員通過高溫蒸汽電解(HTSE)系統(tǒng)引領(lǐng)一系列的技術(shù)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)分析和測試，幫助推動(dòng)了氫氣生產(chǎn)。

HTSE依靠由能傳導(dǎo)質(zhì)子或氧離子的特殊金屬氧化物制成的電池堆棧。這些堆棧組合成模塊，其大小可滿足核電站的能量輸出。

在美國能源部的支持下，INL的研究人員正在測試HTSE系統(tǒng)，以證明其在實(shí)際條件下的性能。目前正在進(jìn)行商業(yè)系統(tǒng)的測試，測試規(guī)模最大可達(dá)100 kWe模塊。今年夏天，研究人員計(jì)劃在愛達(dá)荷州的愛達(dá)荷福爾斯安裝一個(gè)250-kWe的系統(tǒng)，該系統(tǒng)很快就能為一輛新型燃料電池動(dòng)力汽車提供氫氣，這輛汽車是每天安全運(yùn)送1600多名INL員工前往工作地點(diǎn)的85輛汽車中的一輛。

INL高級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)工程師麥卡·卡斯特爾(Micah Casteel)說：“我們可以在一個(gè)地方全天運(yùn)行一個(gè)電解系統(tǒng)，壓縮氫氣，幾分鐘內(nèi)就能充滿一輛大客車。”他接著說，“如果與低溫系統(tǒng)相比，它的效率非常高，因?yàn)闅錃獾拇蟛糠殖杀径寂c能量輸入有關(guān)，因此只要用廉價(jià)的熱能來補(bǔ)充效率更高的電解槽，就能制造出相對(duì)廉價(jià)的氫氣。”

HTSE可以同時(shí)利用核電廠的熱量和電力，通常在先進(jìn)堆的背景下進(jìn)行討論，運(yùn)行溫度為500°C至850°C。“但它也非常適合低溫電解反應(yīng)堆。你可以利用低溫?zé)嵩礊楦邷仉娊馓峁﹦?dòng)力。”米克爾森說，“由于工藝在750°C下運(yùn)行，排氣預(yù)熱恰好能把進(jìn)氣預(yù)熱到合適的溫度。”

卡斯特爾贊成這個(gè)觀點(diǎn)，“只需將系統(tǒng)升溫一次，通過熱交換器、電解槽內(nèi)的少量自然電阻加熱以及良好的絕緣性，我們可以在不提供高溫蒸汽的情況下高效地運(yùn)行這個(gè)系統(tǒng)。”

熱輸送

在INL，米克爾森和他的同事正在利用熱能輸送系統(tǒng) (TEDS) 解決 IES 所涉及的高溫挑戰(zhàn)。該系統(tǒng)采用電加熱方式，代表核反應(yīng)堆或其他熱力發(fā)電系統(tǒng)提供的熱量。然后，它將熱量傳輸?shù)絻?chǔ)熱罐，再輸送到用于發(fā)電、儲(chǔ)能和其他工業(yè)終端用途的連接系統(tǒng)。

TEDS是能源傳輸與集成動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)室(DETAIL)的一部分，該實(shí)驗(yàn)室包括靈活微堆非核實(shí)驗(yàn)裝置測試臺(tái)(MAGNET)，這是一個(gè)250 kWe的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，支持各種微堆概念的測試。通過TEDS，DETAIL系統(tǒng)可以為IES提供高達(dá)450 kWe的總能量輸入。DETAIL還可將這些系統(tǒng)連接到位于INL的固體-氧化物電解槽示范裝置。

MAGNET在高溫下運(yùn)行，使用氣體將熱能從微堆模擬器傳遞到熱交換器，熱交換器將系統(tǒng)與TEDS連接起來。然后，TEDS使用Therminol-66(一種具有良好熱性能的液體)將回路中的熱能轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)罐中。TEDS 本質(zhì)上是一個(gè)中間環(huán)路，可進(jìn)行熱量傳遞，同時(shí)確保核系統(tǒng)與最終能源用戶隔離。還安裝了第二個(gè)熱交換器，將中間環(huán)路與HTSE系統(tǒng)連接起來。研究人員計(jì)劃將MAGNET和TEDS集成到DETAIL的制氫系統(tǒng)中。

無論是電解用熱、鋼鐵生產(chǎn)用熱，還是區(qū)域供熱，TEDS都能幫助研究IES所面臨的一些最大挑戰(zhàn)：隔離核子系統(tǒng)和非核子系統(tǒng)，并以最小的熱損失儲(chǔ)熱。該系統(tǒng)有助于根據(jù)能源用戶的具體需求動(dòng)態(tài)分配能源。

米克爾森說，“我們正在研究有效儲(chǔ)存核能產(chǎn)生熱能的不同方法，以及利用這些熱能生產(chǎn)氫氣的可能性?，F(xiàn)有的輕水堆為脫碳制氫提供了短期選擇。我們還在研究先進(jìn)堆。TEDS為我們初步展示了這些技術(shù)如何協(xié)同工作。接下來，我們還可以繼續(xù)討論監(jiān)管、安全、經(jīng)濟(jì)等問題。”

電池儲(chǔ)能

IES的另一個(gè)關(guān)鍵組成部分是電力存儲(chǔ)。INL儲(chǔ)能與電力運(yùn)輸部門經(jīng)理埃里克·杜菲克(Eric Dufek)說：“從某種程度上講，核能和儲(chǔ)能有一定的競爭關(guān)系，但它們也是相輔相成的。”

固定式電池可為IES提供靈活性，以適應(yīng)快速變化的電力需求。這種靈活性在運(yùn)輸方面尤為重要。目前，輕型電動(dòng)汽車在道路上行駛的汽車中所占比例很小，在美國用電量中所占比例也很小，但專家預(yù)計(jì)，電動(dòng)汽車的市場份額將迅速增長，到2030年有可能達(dá)到新車銷量的60%。電動(dòng)汽車充電和加氫需求可能無法預(yù)測，或者集中在一天中的某些時(shí)段，比如上下班高峰時(shí)段。固定電池可在需求低時(shí)儲(chǔ)存多余電力，在需求高時(shí)釋放電力，從而減輕負(fù)擔(dān)。

為了達(dá)到實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)所需的電池性能和成本，杜菲克和他的同事們正在爭分奪秒地實(shí)現(xiàn)能源部的“長效儲(chǔ)能目標(biāo)”，即在十年內(nèi)將電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本從 2020年的基線降低90%。

作為這項(xiàng)工作的一部分，INL的研究人員正致力于以比以往更快的速度證明新電池技術(shù)的性能。杜菲克說：“我們專注于驗(yàn)證新存儲(chǔ)技術(shù)的15年壽命，希望能達(dá)到20年。我們希望在一年內(nèi)完成驗(yàn)證過程?，F(xiàn)在，這通常需要5到10年的時(shí)間。”

杜菲克和他的同事們正在使用快速運(yùn)轉(zhuǎn)驗(yàn)證計(jì)劃(ROVI)，這是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、以物理學(xué)為基礎(chǔ)的方法，利用機(jī)器學(xué)習(xí)和先進(jìn)的測試程序來識(shí)別電池故障的機(jī)制。杜菲克說，“如果沒有ROVI在電池驗(yàn)證方面取得的進(jìn)步，就不可能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能時(shí)程(storage shot)[2]。它非常適合國家實(shí)驗(yàn)室，因?yàn)槿藗冃枰軌蚩焖俨渴鹦录夹g(shù)，以實(shí)現(xiàn)凈零碳排放。”

整合多元技術(shù)

將微堆、電解系統(tǒng)、固定電池和熱傳輸系統(tǒng)等不同的技術(shù)結(jié)合在一起，是IES面臨的最大挑戰(zhàn)之一。如果考慮到商業(yè)模式和經(jīng)濟(jì)因素，情況就會(huì)變得更加復(fù)雜。例如，核電站和電解系統(tǒng)可能有不同的所有者。如何平衡電網(wǎng)發(fā)電和制氫，以優(yōu)化雙方的收益?網(wǎng)絡(luò)安全如何?如何確保系統(tǒng)安全?

INL工程師亞倫·埃皮尼(Aaron Epiney)和他的同事利用建模和模擬來回答這些問題。這些模型將作為控制IES操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

資源與經(jīng)濟(jì)優(yōu)化框架(FORCE)是INL、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和阿貢國家實(shí)驗(yàn)室之間的一個(gè)合作項(xiàng)目，旨在對(duì)IES的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)潛力進(jìn)行建模。它可以結(jié)合各種核反應(yīng)堆類型、可再生技術(shù)和能源用戶，利用先進(jìn)的控制方法優(yōu)化性能。

FORCE中的一個(gè)工具有助于解決技術(shù)和經(jīng)濟(jì)難題。埃皮尼說，“首先，該工具可以回答‘我們?nèi)绾螌⒕C合能源系統(tǒng)的不同部分進(jìn)行物理整合?’例如，哪種核反應(yīng)堆技術(shù)適合在既定的溫度下運(yùn)行?”FORCE可以利用該系統(tǒng)，模擬它在一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行情況。它能否有效地負(fù)荷跟蹤?系統(tǒng)的技術(shù)和控制方面能否配合默契?

FORCE的另一個(gè)組成部分是能源資源整體優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)工具，該工具可優(yōu)化能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，回答有關(guān)耦合工業(yè)廠房的最佳規(guī)模以及需要多少儲(chǔ)能設(shè)備才能在特定部署地點(diǎn)和能源市場中實(shí)現(xiàn)利潤最大化等問題。

FORCE中的另一個(gè)工具是實(shí)時(shí)容量分配優(yōu)化，該工具可根據(jù)實(shí)時(shí)市場信息做出實(shí)時(shí)決策，從而在系統(tǒng)規(guī)模和建設(shè)完成后為系統(tǒng)運(yùn)行提供支持。埃皮尼說，“它先查看價(jià)格預(yù)測，然后決定系統(tǒng)下一步該怎么做。它應(yīng)該發(fā)電嗎?它應(yīng)該儲(chǔ)存能量嗎?還是應(yīng)該制氫?”

有朝一日，優(yōu)化工具可以將數(shù)字孿生和機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合起來，監(jiān)控市場并自動(dòng)做出決策。埃皮尼說，“所有這些建模都有助于工廠業(yè)主增加收入，同時(shí)保持消費(fèi)者的經(jīng)濟(jì)承受能力。它告訴你如何應(yīng)對(duì)市場。”

另一個(gè)工具則會(huì)將所有這些決定與物理模型進(jìn)行核對(duì)，以確保所建議的操作不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)過度磨損。它還有助于優(yōu)化IES的短期和長期維護(hù)計(jì)劃。

這些建模工具最終可使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)運(yùn)行。埃皮尼說，“該工具重點(diǎn)關(guān)注技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的挑戰(zhàn)，幫助我們從集成系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)，做出預(yù)測，然后在操作員的屏幕上提出建議，總有一天，它會(huì)讓電腦自主運(yùn)行，但那是遙遠(yuǎn)的未來。”

已有公司有意使用FORCE評(píng)估各類系統(tǒng)。埃皮尼說，“一種系統(tǒng)評(píng)估可以假設(shè)利用核能和現(xiàn)有可再生資源生產(chǎn)合成燃料或肥料。對(duì)這種配置感興趣的公司可以使用這些模擬結(jié)果來評(píng)估這類系統(tǒng)如何在其所在地區(qū)以及現(xiàn)有或計(jì)劃中的資產(chǎn)中發(fā)揮作用。或許他們需要水，他們即可研究海水淡化和制氫，同時(shí)還能支持電網(wǎng)需求。目前正與多家公用事業(yè)公司和行業(yè)合作伙伴進(jìn)行此類分析，其中一些公司和合作伙伴對(duì)核能所能提供的潛在效益很感興趣。”

據(jù)埃皮尼說，先進(jìn)堆的開發(fā)商“開始考慮各種應(yīng)用和客戶，正在用這套工具進(jìn)行初步的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估”。

綜合能源與凈零排放

INL研究人員計(jì)劃展示IES，作為INL園區(qū)到2031年實(shí)現(xiàn)凈零碳排放目標(biāo)的一部分。

其中一項(xiàng)提案獲得了廣泛關(guān)注，該提案將在INL園區(qū)內(nèi)整合微堆、微電網(wǎng)、儲(chǔ)能和制氫。該系統(tǒng)產(chǎn)生的電力和氫氣將為INL的建筑和車輛提供動(dòng)力。這些氫氣還可用于示范有價(jià)值的化學(xué)制品的生產(chǎn)，或者輸送給當(dāng)?shù)氐臍錃庥脩簟?/p>

INL希望成功證明，核電IES是一種可實(shí)現(xiàn)的消除碳排放的實(shí)用方法。，INL 動(dòng)力與能源系統(tǒng)部經(jīng)理康寧(Ning Kang)說，“能源部希望到2035年實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)溫室氣體凈零排放，到2050年在全國范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。在INL成功展示綜合能源系統(tǒng)，將有助于我們實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。”

她接著說，“此外，部分由核能驅(qū)動(dòng)的IES可為電網(wǎng)、工業(yè)和交通提供急需的恢復(fù)能力。我們從IPCC(政府間氣候變化專門委員會(huì))的最新報(bào)告中了解到，氣候變化正在導(dǎo)致更頻繁、更強(qiáng)烈的天氣事件，從而對(duì)電網(wǎng)造成影響。由于核電站的建造能夠抵御極端天氣事件，因此其抗災(zāi)能力自然而然地得到了提高。”

核能對(duì)凈零排放的貢獻(xiàn)不僅限于電網(wǎng)?？祵幷f，“通過這些IES，我們正在幫助廣泛的工業(yè)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)脫碳，包括制氫、水泥和鋼鐵生產(chǎn)等，這也包括合成燃料——如果我們能使用無碳?xì)渥鳛榻M成部分，合成燃料在實(shí)現(xiàn)交通領(lǐng)域的去碳化方面大有可為。”

歸根結(jié)底，實(shí)驗(yàn)室工作人員在研究、開發(fā)和部署綜合清潔能源系統(tǒng)方面發(fā)揮著舉足輕重的作用，這些系統(tǒng)可利用核能、風(fēng)能、太陽能、水能和地?zé)崮艿葻o排放能源發(fā)電資產(chǎn)。INL綜合能源與存儲(chǔ)系統(tǒng)部主任香農(nóng)·布拉格·西頓(Shannon Bragg-Sitton)說，“憑借在綜合能源戰(zhàn)略方面取得的這些進(jìn)步，美國正在引領(lǐng)世界向新能源模式轉(zhuǎn)型，這將為電力、工業(yè)和交通提供一個(gè)去碳化的未來。”

香農(nóng)·布拉格·西頓說，“最終，實(shí)驗(yàn)室工作人員在綜合清潔能源系統(tǒng)的研究、開發(fā)和部署中，利用核能、風(fēng)能、太陽能、水能和地?zé)岬葻o碳排放能源發(fā)電資產(chǎn)，發(fā)揮了關(guān)鍵作用。有IES的這些進(jìn)步，美國正在引領(lǐng)世界向新的能源模式過渡，這將為電力、工業(yè)和交通運(yùn)輸提供一個(gè)脫碳的未來。”

見解與思考

1. 能源脫碳與轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行。自《京都議定書》與《巴黎協(xié)定》生效以來，世界各國都在認(rèn)真考慮、仔細(xì)研究，特別是美國。2022年8月，美國《通脹削減法案》簽署立法，將提供高達(dá)3690億美元補(bǔ)貼，以支持電動(dòng)汽車、關(guān)鍵礦物、清潔能源及發(fā)電設(shè)施的生產(chǎn)和投資。許多國家和地區(qū)紛紛走向能源轉(zhuǎn)型路徑，并相繼宣布減排、脫碳、凈零的目標(biāo)承諾。近年來，我國各地區(qū)、各有關(guān)部門也圍繞能源綠色低碳發(fā)展制定了一系列政策措施，推動(dòng)清潔能源開發(fā)利用取得了明顯成效，但現(xiàn)有體制機(jī)制、政策體系等仍面臨一些困難與挑戰(zhàn)。2022年1月30日，國家發(fā)展改革委與國家能源局印發(fā)《關(guān)于完善能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機(jī)制和政策措施的意見》(以下簡稱《意見》)。根據(jù)《意見》，到2030年，基本建立完整的能源綠色低碳發(fā)展基本制度和政策體系，形成非化石能源既基本滿足能源需求增量又規(guī)?；娲茉创媪俊⒛茉窗踩Ｕ夏芰Φ玫饺嬖鰪?qiáng)的能源生產(chǎn)消費(fèi)格局[3]。

2. 作為公認(rèn)的“穩(wěn)定電源”，核電發(fā)電穩(wěn)定可靠，同時(shí)清潔低碳的優(yōu)勢(shì)明顯。中國作為有核國家，正在大批量建設(shè)輕水堆型核電廠，并著手建設(shè)小型模塊式反應(yīng)堆和先進(jìn)堆核電廠。商業(yè)化進(jìn)程最快的小堆技術(shù)是已經(jīng)積累數(shù)十年運(yùn)行和監(jiān)管經(jīng)驗(yàn)的輕水堆設(shè)計(jì)。2021年7月13日在海南昌江開工建造的玲瓏一號(hào)，是在中核集團(tuán)華龍一號(hào)(ACP1000)基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)研制，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多功能模塊化小型壓水堆型。它也是全球首個(gè)陸上商用模塊化小型壓水堆。建成后每臺(tái)機(jī)組年發(fā)電量可達(dá)10億度。

圖片來源：能源雜志

3. 中國的核電站大多建在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東部沿海地區(qū)，而且全部是輕水堆核電堆群。如此布局有利亦有弊，當(dāng)這些地區(qū)的新能源發(fā)展到一定程度就會(huì)出現(xiàn)矛盾，某些核電機(jī)組可能要“趴窩”。當(dāng)然，從經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)境等角度綜合考量，將核電站建在沿海地區(qū)都是明智之舉，東部沿海靠近主要的電力消費(fèi)市場，輸電距離短，輸電成本也相對(duì)比較低。同時(shí)，核電站選在水源豐富的地方，也是為了便于取水解決散熱問題。

4. 核能發(fā)展必須大力轉(zhuǎn)型：先進(jìn)堆、SMR是方向。為了實(shí)現(xiàn)美國的凈零排放目標(biāo)，美國能源部(DOE)預(yù)計(jì)需要額外增加約5.5～7.7 億千瓦的清潔能源裝機(jī)容量。DOE估計(jì)，對(duì)大型和小型模塊化反應(yīng)堆(SMR)等新建核電廠的需求將達(dá)到2億千瓦或更多。先進(jìn)堆系統(tǒng)，如小型模塊化反應(yīng)堆(SMR)和先進(jìn)模塊化反應(yīng)堆(AMR)，具有適應(yīng)各種環(huán)境部署的良好能力，加之全世界實(shí)現(xiàn)氣候目標(biāo)的壓力，使先進(jìn)堆成為理想的能源解決方案。

5. 2022年3月，《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》正式發(fā)布，氫能將成為我國能源的重要組成部分。中國目前急需開展低溫制氫研究，這篇文章中，美國的研究具有現(xiàn)實(shí)、借鑒意義。相較于使用高壓氣瓶運(yùn)輸氫，低溫液氫在儲(chǔ)運(yùn)方面具有效率高、成本低等優(yōu)勢(shì)。要破解供氫成本居高不下這一難題，必須大力發(fā)展低溫液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)[4]。

6. 除了發(fā)電，核能綜合利用發(fā)展日益得到業(yè)內(nèi)重視。中國現(xiàn)有的核電機(jī)組只適合發(fā)展低溫供熱、低溫制氫和海水淡化。預(yù)計(jì)2030年中國核能供暖面積將達(dá)到1.5億平米左右;2060年，考慮到多用途小堆及內(nèi)陸地區(qū)核電發(fā)展，中國核能供暖面積有望達(dá)到15億平米;根據(jù)在建和已規(guī)劃核能海淡項(xiàng)目測算，預(yù)計(jì)2025年中國核能海水淡化規(guī)模將達(dá)到21萬噸/日;到2030年，將達(dá)到40萬噸/日[5]。

參考資料與注釋

[1] Cory Hatch and Richard Boardman，Integrated energy systems: Transitioning to carbon-­free electricity, industry, and transportation，ANS Nuclear Newswire，May 5, 2023.

[2] storage shot，儲(chǔ)能時(shí)程，或稱儲(chǔ)能的時(shí)間范圍。

[3] 相關(guān)部門出臺(tái)意見完善體制機(jī)制和政策措施 推進(jìn)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型，人民日?qǐng)?bào)，2022-02-11。

[4] 趙欣婕，供氫成本居高不下，氣體工業(yè)協(xié)會(huì)呼吁——大力發(fā)展低溫液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)，中國化工報(bào)，2023-09-15。

[5] 戴晶晶，供暖、供汽、制氫，國內(nèi)核能綜合利用勢(shì)頭漸起，界面新聞，2023-04-27。

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