核能和制氢技术相结合有望实现化石燃料的经济替代品
未来的能源基础设施可能与我们今天所依赖的基础设施截然不同。美国国家核实验室专家团队的研究表明，利用核能生产氢气在经济上是可行的。该项研究发表在《新能源开发与应用》杂志上。
化学建模团队经理 Mark Bankhead 解释了这项研究的背景：“氢气和氢衍生的替代液体燃料是英国到 2050 年实现净零排放的关键推动因素。核电可以与不同的制氢技术相结合。为了制定到 2030 年代展示这些技术价值的战略，我们开发了一个模型，可以深入了解它们的技术经济性能。
“热化学制氢与高温气冷反应堆（HTGR）相结合具有竞争优势，我们知道还有很多工作要做来优化这些技术并发挥这项技术的潜力。”
确定效率和成本的新方法
为了确定这些技术的经济性，研究人员建立了一个突破性的数学模型，将核能与制氢技术相结合。该模型允许将不同的制氢技术结合起来，这意味着可以比较不同的方案。
该模型由两部分组成。首先，对不同制氢技术的物理和化学过程进行建模。通过将模型的输出表示为每单位能量供应产生的氢气量，这提供了一种确定这些工业过程总体效率的新方法。在模型的第二部分，将这一效率指标输入到经济模型中。
NNL 的流程建模师 Kate Taylor 参与了该经济模型的开发，她表示：“为了确定氢气的售价，该模型将建设和运营氢气工厂的成本与供应氢气工厂所需的电力和/或热能的成本结合起来。
“我们还对制氢技术将如何改进以及建造核反应堆群将如何完善我们对核电站与这些技术相结合的认识进行了估计。我们根据目前对技术发展的了解来预测未来会发生什么。这些预测非常令人鼓舞。”
测试不同的场景
氢气可以通过高温蒸汽电解生产，这需要热量和电力。也可以使用热化学循环生产，这只需要热量。在建模中，这两种技术都与高温气体反应堆相结合，这是一种先进的核能。
该模型显示，当与高温气体反应器结合时，高温蒸汽电解可能是一种经济有效的氢气生产方式，成本估计为 1.24 至 2.14 英镑/千克，而热化学循环的成本为 0.89 至 2.88 英镑/千克。
蒸汽电解是一种比任何热化学循环都更先进的技术，这意味着，不仅估计成本的变化较小，而且可以更快地部署。与其他也可以与制氢厂相结合的低碳能源生产技术相比，这些结果表明，核能的成本具有竞争力。
该模型是比较技术的理想起点。NNL 的流程建模师兼研究的主要作者 Christopher Connolly 开发了物理和化学过程的模型。他解释了氢气生产技术的发展如何改进该模型，因为它依赖于描述分子如何移动以及如何与用于生产氢气的材料相互作用的数据。
Connolly 表示：“预测氢气生产效率意味着你需要模拟用于分解水的实际过程。在材料性能设计的前沿领域，寻找有关某些过程动力学的可靠数据可能是一项挑战，而且该技术一直在不断改进。”
“例如，当我们研究高温蒸汽电解时，我们需要建立一个使用固体氧化物作为电解质的电解池模型。固体氧化物通常由氧化钇稳定的氧化锆制成，但这种氧化物的变体用于不同的设计。最终，电解质的性能取决于其制造工艺。”
预测未来
成本效益高的制氢只是核技术的优势之一。尽管这项研究仅模拟了制氢技术的化学和物理过程效率，但将这些技术与核能结合起来还有其他优势，例如制氢能力强、靠近用户的灵活性以及扩大部署的能力。核能也是一种可靠的、不间断的电源，可以减少对氢缓冲储存的需求。
高温气体反应堆已在开发中，英国计划在 2030 年代进行示范。在此期间，其他类型的核技术可以与制氢厂相结合，以帮助实现净零目标。
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