2023年5月5日，美國愛達荷國家實驗室科學作家科里·哈奇(Cory Hatch)和主任研究員理查德·博德曼(Richard Boardman)在ANS《Nuclear Newswire》網上聯合發文說，這個實驗室的研究人員，利用核能、風能、太陽能、水能和地熱等無碳排放能源發電資產，在整合清潔能源系統(IES)的研究、開發和部署中發揮了關鍵作用。“有IES的進步，美國正在引領世界向新的能源模式過渡，這將為電力、工業和交通運輸提供一個脫碳的未來[1]。”

在INL的高溫蒸汽電解(HTSE)試驗設施中，研究人員正在通過一系列技術進步、經濟分析和測試，推動HTSE制氫技術的發展。

1951年12月20日，研究人員利用愛達荷州阿爾科附近的第一個實驗增殖反應堆(EBR-I)產生的電力點亮了四個200瓦的燈泡。從那時起，公用事業公司在美國建造的商業核電站幾乎全部用于發電。這與其他發電和輸電基礎設施，如大型燃油和燃煤發電廠、天然氣渦輪機或水力發電廠，以及旨在提供可靠電力、相對簡單的電網一起配合良好。

人類正在電網、工業和交通領域展開一場史詩般而又復雜的能源變革。風能和太陽能等可再生能源為電網提供的無碳電力份額越來越大，但這種貢獻是可變的，而且很難預測——這些能源生產的電力有時超過了電網的需求，有時很少。

電網用電僅占美國溫室氣體排放量的25%左右。另外24%來自工業，尤其是需要高溫熱能的工藝過程。如今，鋼鐵、化學制品和混凝土的生產嚴重依賴化石燃料產生的熱能。此外，美國每天消耗約2000萬桶石油，占美國排放量的近一半。在運輸領域，目前的電動汽車電池技術并不適合海運、航空、陸地重型運輸或采礦作業的電氣化。相反，這些應用可以使用無碳氫和各種非化石碳原料生產的合成燃料。

為了滿足工業、交通和電網不斷發展的需求，愛達荷國家實驗室(INL)的研究人員正在幫助開發一種新的解決方案：綜合能源系統(IES)。這些系統直接將核電站與熱能、化學和電力系統連接起來，為難以電氣化的行業提供熱能和電力，從而實現去碳化。

IES將核能的使用擴大到工業和運輸系統，同時為支持電網提供靈活性。許多工業都需要大量熱源產生蒸汽和熱能，支持化學轉換反應器和其他裝置的運轉。在某些情況下，熱電聯產系統可以同時支持工業廠房的熱電功能。核反應堆可以全天候滿足這些工藝的大部分需求，而且通過儲熱，還可以利用儲備發電能力在需求高峰期為電網提供支持。與核反應堆相結合的制氫裝置，可以快速降壓，將電力重新輸送到電網，而氫氣儲存則可確保氫氣的持續供應。通常情況下，在用電高峰期出售電力的收入將覆蓋儲熱或儲氫的成本。

核IES直接將核電站與熱能、化學和電力系統結合起來，實現工業脫碳。

經濟有效地利用核能

INL的計算科學家丹尼爾·米克爾森(Daniel Mikkelson)說：“在我們最初建造所有這些核電站時，電力是有意義的。在電力需求穩定的情況下，它們投入運營，而且一直連續運行，這是件好事。”但是，利用傳統核電站提高或降低發電量來彌補可再生能源的不穩定性，既不經濟也不高效，因為反應堆在滿負荷運轉時運行最佳，利潤更高。當發電廠不能滿負荷運轉時，客戶和電力公司的發電成本就會增加。

米克爾森說：“我們真正開始關注這些集成技術，不僅是因為環境，還因為經濟性。我們希望我們的核電站能夠一直以100%的額定功率運行。”

值得慶幸的是，核反應堆并不局限于基荷電力。米克爾森接著說，“核反應堆不僅是發電機，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、造紙、汽油精煉、鋼鐵、采礦作業、乙烯和乙醇等，不勝枚舉。”

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

制氫的歷史與未來

除了用作清潔燃料外，氫還是其他有價值的儲能產品的重要前體。它可用于生產化學制品、化肥和合成燃料，也可用于運輸和金屬制造等其他行業。

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

從20世紀60年代開始，研究人員開始吹捧氫在所謂氫經濟中的潛力，即清潔氫氣作為燃料、能源載體和化學前體，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-氣轉換反應器從天然氣中生產出來的，這一過程會排放二氧化碳。

近年來，電解技術不斷改進，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合使用，電解法的效率會特別高。這種工藝被稱為高溫蒸汽電解(HTSE)，可實現二氧化碳零排放。此外，氫氣是純凈的，可立即用于合成氨生產、生物燃料、化學制品和其他市場應用。

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。

電解示范

一些公用事業公司已經與INL的研究人員合作，在運行中的輕水堆廠房內安裝電解系統。美國首個核動力清潔制氫設施是1.25 MWe的低溫電解系統，正在紐約州Constellation公司的九英里角核電廠生產氫氣。另一套低溫系統計劃安裝在俄亥俄州Energy Harbor公司的戴維·斯貝塞核電廠，一套150千瓦的HTSE系統將安裝在明尼蘇達州Xcel能源公司的Prairie Island核電廠。

推廣小型示范項目需要對潛在的安全隱患進行評估。氫氣監管研究審查小組 (H3RG)由來自INL、桑迪亞國家實驗室、Entergy、Duke、Energy Harbor、Constellation和Xcel的專家組成，負責審查制氫裝置與輕水堆整合設計。他們通過考察機械、安全和監管合規性來評估制氫設備設計的風險。

氫氣監管研究審查小組幫助INL和工業界開發制氫系統的通用設計方法，這些方法可根據特定核電廠的需求進行修改。INL制氫與熱力系統研究小組負責人泰勒·韋斯特沃(Tyler Westover)說：“這些通用的設計有可能節省大量金錢和時間。這將降低成本，使監管審查過程更加容易。”

優化熱電解

20多年來，INL的研究人員通過高溫蒸汽電解(HTSE)系統引領一系列的技術進步、經濟分析和測試，幫助推動了氫氣生產。

HTSE依靠由能傳導質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，以證明其在實際條件下的性能。目前正在進行商業系統的測試，測試規模最大可達100 kWe模塊。今年夏天，研究人員計劃在愛達荷州的愛達荷福爾斯安裝一個250-kWe的系統，該系統很快就能為一輛新型燃料電池動力汽車提供氫氣，這輛汽車是每天安全運送1600多名INL員工前往工作地點的85輛汽車中的一輛。

INL高級機械設計工程師麥卡·卡斯特爾(Micah Casteel)說：“我們可以在一個地方全天運行一個電解系統，壓縮氫氣，幾分鐘內就能充滿一輛大客車。”他接著說，“如果與低溫系統相比，它的效率非常高，因為氫氣的大部分成本都與能量輸入有關，因此只要用廉價的熱能來補充效率更高的電解槽，就能制造出相對廉價的氫氣。”

HTSE可以同時利用核電廠的熱量和電力，通常在先進堆的背景下進行討論，運行溫度為500°C至850°C。“但它也非常適合低溫電解反應堆。你可以利用低溫熱源為高溫電解提供動力。”米克爾森說，“由于工藝在750°C下運行，排氣預熱恰好能把進氣預熱到合適的溫度。”

卡斯特爾贊成這個觀點，“只需將系統升溫一次，通過熱交換器、電解槽內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行這個系統。”

熱輸送

在INL，米克爾森和他的同事正在利用熱能輸送系統 (TEDS) 解決 IES 所涉及的高溫挑戰。該系統采用電加熱方式，代表核反應堆或其他熱力發電系統提供的熱量。然后，它將熱量傳輸到儲熱罐，再輸送到用于發電、儲能和其他工業終端用途的連接系統。

TEDS是能源傳輸與集成動態實驗室(DETAIL)的一部分，該實驗室包括靈活微堆非核實驗裝置測試臺(MAGNET)，這是一個250 kWe的實驗臺，支持各種微堆概念的測試。通過TEDS，DETAIL系統可以為IES提供高達450 kWe的總能量輸入。DETAIL還可將這些系統連接到位于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)將回路中的熱能轉移到儲罐中。TEDS 本質上是一個中間環路，可進行熱量傳遞，同時確保核系統與最終能源用戶隔離。還安裝了第二個熱交換器，將中間環路與HTSE系統連接起來。研究人員計劃將MAGNET和TEDS集成到DETAIL的制氫系統中。

無論是電解用熱、鋼鐵生產用熱，還是區域供熱，TEDS都能幫助研究IES所面臨的一些最大挑戰：隔離核子系統和非核子系統，并以最小的熱損失儲熱。該系統有助于根據能源用戶的具體需求動態分配能源。

米克爾森說，“我們正在研究有效儲存核能產生熱能的不同方法，以及利用這些熱能生產氫氣的可能性。現有的輕水堆為脫碳制氫提供了短期選擇。我們還在研究先進堆。TEDS為我們初步展示了這些技術如何協同工作。接下來，我們還可以繼續討論監管、安全、經濟等問題。”

電池儲能

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

固定式電池可為IES提供靈活性，以適應快速變化的電力需求。這種靈活性在運輸方面尤為重要。目前，輕型電動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，但專家預計，電動汽車的市場份額將迅速增長，到2030年有可能達到新車銷量的60%。電動汽車充電和加氫需求可能無法預測，或者集中在一天中的某些時段，比如上下班高峰時段。固定電池可在需求低時儲存多余電力，在需求高時釋放電力，從而減輕負擔。

為了達到實現這些目標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現能源部的“長效儲能目標”，即在十年內將電網級儲能系統的成本從 2020年的基線降低90%。

作為這項工作的一部分，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的性能。杜菲克說：“我們專注于驗證新存儲技術的15年壽命，希望能達到20年。我們希望在一年內完成驗證過程。現在，這通常需要5到10年的時間。”

杜菲克和他的同事們正在使用快速運轉驗證計劃(ROVI)，這是一種數據驅動、以物理學為基礎的方法，利用機器學習和先進的測試程序來識別電池故障的機制。杜菲克說，“如果沒有ROVI在電池驗證方面取得的進步，就不可能實現儲能時程(storage shot)[2]。它非常適合國家實驗室，因為人們需要能夠快速部署新技術，以實現凈零碳排放。”

整合多元技術

將微堆、電解系統、固定電池和熱傳輸系統等不同的技術結合在一起，是IES面臨的最大挑戰之一。如果考慮到商業模式和經濟因素，情況就會變得更加復雜。例如，核電站和電解系統可能有不同的所有者。如何平衡電網發電和制氫，以優化雙方的收益?網絡安全如何?如何確保系統安全?

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操作系統的基礎。

資源與經濟優化框架(FORCE)是INL、橡樹嶺國家實驗室和阿貢國家實驗室之間的一個合作項目，旨在對IES的技術和經濟潛力進行建模。它可以結合各種核反應堆類型、可再生技術和能源用戶，利用先進的控制方法優化性能。

FORCE中的一個工具有助于解決技術和經濟難題。埃皮尼說，“首先，該工具可以回答‘我們如何將綜合能源系統的不同部分進行物理整合?’例如，哪種核反應堆技術適合在既定的溫度下運行?”FORCE可以利用該系統，模擬它在一段時間內的運行情況。它能否有效地負荷跟蹤?系統的技術和控制方面能否配合默契?

FORCE的另一個組成部分是能源資源整體優化網絡工具，該工具可優化能源系統的經濟性，回答有關耦合工業廠房的最佳規模以及需要多少儲能設備才能在特定部署地點和能源市場中實現利潤最大化等問題。

FORCE中的另一個工具是實時容量分配優化，該工具可根據實時市場信息做出實時決策，從而在系統規模和建設完成后為系統運行提供支持。埃皮尼說，“它先查看價格預測，然后決定系統下一步該怎么做。它應該發電嗎?它應該儲存能量嗎?還是應該制氫?”

有朝一日，優化工具可以將數字孿生和機器學習結合起來，監控市場并自動做出決策。埃皮尼說，“所有這些建模都有助于工廠業主增加收入，同時保持消費者的經濟承受能力。它告訴你如何應對市場。”

另一個工具則會將所有這些決定與物理模型進行核對，以確保所建議的操作不會導致系統過度磨損。它還有助于優化IES的短期和長期維護計劃。

這些建模工具最終可使系統實現半自動運行。埃皮尼說，“該工具重點關注技術和經濟方面的挑戰，幫助我們從集成系統中獲取數據，做出預測，然后在操作員的屏幕上提出建議，總有一天，它會讓電腦自主運行，但那是遙遠的未來。”

已有公司有意使用FORCE評估各類系統。埃皮尼說，“一種系統評估可以假設利用核能和現有可再生資源生產合成燃料或肥料。對這種配置感興趣的公司可以使用這些模擬結果來評估這類系統如何在其所在地區以及現有或計劃中的資產中發揮作用。或許他們需要水，他們即可研究海水淡化和制氫，同時還能支持電網需求。目前正與多家公用事業公司和行業合作伙伴進行此類分析，其中一些公司和合作伙伴對核能所能提供的潛在效益很感興趣。”

據埃皮尼說，先進堆的開發商“開始考慮各種應用和客戶，正在用這套工具進行初步的技術經濟評估”。

綜合能源與凈零排放

INL研究人員計劃展示IES，作為INL園區到2031年實現凈零碳排放目標的一部分。

其中一項提案獲得了廣泛關注，該提案將在INL園區內整合微堆、微電網、儲能和制氫。該系統產生的電力和氫氣將為INL的建筑和車輛提供動力。這些氫氣還可用于示范有價值的化學制品的生產，或者輸送給當地的氫氣用戶。

INL希望成功證明，核電IES是一種可實現的消除碳排放的實用方法。，INL 動力與能源系統部經理康寧(Ning Kang)說，“能源部希望到2035年實現電網溫室氣體凈零排放，到2050年在全國范圍內實現這一目標。在INL成功展示綜合能源系統，將有助于我們實現這一目標。”

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

核能對凈零排放的貢獻不僅限于電網。康寧說，“通過這些IES，我們正在幫助廣泛的工業應用實現脫碳，包括制氫、水泥和鋼鐵生產等，這也包括合成燃料——如果我們能使用無碳氫作為組成部分，合成燃料在實現交通領域的去碳化方面大有可為。”

歸根結底，實驗室工作人員在研究、開發和部署綜合清潔能源系統方面發揮著舉足輕重的作用，這些系統可利用核能、風能、太陽能、水能和地熱能等無排放能源發電資產。INL綜合能源與存儲系統部主任香農·布拉格·西頓(Shannon Bragg-Sitton)說，“憑借在綜合能源戰略方面取得的這些進步，美國正在引領世界向新能源模式轉型，這將為電力、工業和交通提供一個去碳化的未來。”

香農·布拉格·西頓說，“最終，實驗室工作人員在綜合清潔能源系統的研究、開發和部署中，利用核能、風能、太陽能、水能和地熱等無碳排放能源發電資產，發揮了關鍵作用。有IES的這些進步，美國正在引領世界向新的能源模式過渡，這將為電力、工業和交通運輸提供一個脫碳的未來。”

見解與思考

1. 能源脫碳與轉型勢在必行。自《京都議定書》與《巴黎協定》生效以來，世界各國都在認真考慮、仔細研究，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3690億美元補貼，以支持電動汽車、關鍵礦物、清潔能源及發電設施的生產和投資。許多國家和地區紛紛走向能源轉型路徑，并相繼宣布減排、脫碳、凈零的目標承諾。近年來，我國各地區、各有關部門也圍繞能源綠色低碳發展制定了一系列政策措施，推動清潔能源開發利用取得了明顯成效，但現有體制機制、政策體系等仍面臨一些困難與挑戰。2022年1月30日，國家發展改革委與國家能源局印發《關于完善能源綠色低碳轉型體制機制和政策措施的意見》(以下簡稱《意見》)。根據《意見》，到2030年，基本建立完整的能源綠色低碳發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模化替代化石能源存量、能源安全保障能力得到全面增強的能源生產消費格局[3]。

2. 作為公認的“穩定電源”，核電發電穩定可靠，同時清潔低碳的優勢明顯。中國作為有核國家，正在大批量建設輕水堆型核電廠，并著手建設小型模塊式反應堆和先進堆核電廠。商業化進程最快的小堆技術是已經積累數十年運行和監管經驗的輕水堆設計。2021年7月13日在海南昌江開工建造的玲瓏一號，是在中核集團華龍一號(ACP1000)基礎上進行開發研制，具有自主知識產權的多功能模塊化小型壓水堆型。它也是全球首個陸上商用模塊化小型壓水堆。建成后每臺機組年發電量可達10億度。

圖片來源：能源雜志

3. 中國的核電站大多建在經濟發達的東部沿海地區，而且全部是輕水堆核電堆群。如此布局有利亦有弊，當這些地區的新能源發展到一定程度就會出現矛盾，某些核電機組可能要“趴窩”。當然，從經濟、安全、環境等角度綜合考量，將核電站建在沿海地區都是明智之舉，東部沿海靠近主要的電力消費市場，輸電距離短，輸電成本也相對比較低。同時，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. 核能發展必須大力轉型：先進堆、SMR是方向。為了實現美國的凈零排放目標，美國能源部(DOE)預計需要額外增加約5.5～7.7 億千瓦的清潔能源裝機容量。DOE估計，對大型和小型模塊化反應堆(SMR)等新建核電廠的需求將達到2億千瓦或更多。先進堆系統，如小型模塊化反應堆(SMR)和先進模塊化反應堆(AMR)，具有適應各種環境部署的良好能力，加之全世界實現氣候目標的壓力，使先進堆成為理想的能源解決方案。

5. 2022年3月，《氫能產業發展中長期規劃(2021—2035年)》正式發布，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，美國的研究具有現實、借鑒意義。相較于使用高壓氣瓶運輸氫，低溫液氫在儲運方面具有效率高、成本低等優勢。要破解供氫成本居高不下這一難題，必須大力發展低溫液氫儲運技術[4]。

6. 除了發電，核能綜合利用發展日益得到業內重視。中國現有的核電機組只適合發展低溫供熱、低溫制氫和海水淡化。預計2030年中國核能供暖面積將達到1.5億平米左右;2060年，考慮到多用途小堆及內陸地區核電發展，中國核能供暖面積有望達到15億平米;根據在建和已規劃核能海淡項目測算，預計2025年中國核能海水淡化規模將達到21萬噸/日;到2030年，將達到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，儲能時程，或稱儲能的時間范圍。

[3] 相關部門出臺意見完善體制機制和政策措施 推進能源綠色低碳轉型，人民日報，2022-02-11。

[4] 趙欣婕，供氫成本居高不下，氣體工業協會呼吁——大力發展低溫液氫儲運技術，中國化工報，2023-09-15。

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