2020年12月，英國(guó)新核觀察研究所（NNWI）發(fā)布《核能在歐洲氫經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用》報(bào)告。報(bào)告明確了核能在氫經(jīng)濟(jì)發(fā)展中可以發(fā)揮的寶貴作用，呼吁歐洲和各國(guó)制定清潔制氫行業(yè)發(fā)展政策時(shí)，應(yīng)在技術(shù)上保持中立，承認(rèn)可再生能源和核能都是低碳制氫的來(lái)源，并以此為基礎(chǔ)實(shí)施其氫能戰(zhàn)略。

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(guò)運(yùn)用多種技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的、用途廣泛的能量。

無(wú)論是氫能還是電能在使用過(guò)程中都不會(huì)產(chǎn)生任何溫室氣體，如在燃料電池中使用氫能不會(huì)產(chǎn)生除水以外的排放物。但是在使用化石燃料生產(chǎn)這兩種能量的過(guò)程中，上游碳強(qiáng)度較高。如果能夠?qū)⑻疾都?、利用與封存技術(shù)（CCUS）應(yīng)用于化石燃料發(fā)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(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程中，就能避開(kāi)這一缺陷。

電能與氫能之間的關(guān)鍵性區(qū)別在于，前者僅由電子組成，而后者則是一種由分子構(gòu)成的化學(xué)能。當(dāng)下化石燃料在全球范圍內(nèi)的運(yùn)輸使這一區(qū)別至關(guān)重要，因?yàn)榉肿拥哪芰靠纱鎯?chǔ)且穩(wěn)定輸送。除此之外，氫的分子性質(zhì)使其能夠與其他元素結(jié)合以制備可用于工業(yè)的氫基燃料。在能源儲(chǔ)量方面，以石油、天然氣和煤炭為主導(dǎo)的全球分子能源市場(chǎng)規(guī)模是電力市場(chǎng)的九倍。因此，盡管運(yùn)用電氣化手段減少某些能源使用過(guò)程中的碳排放量已成為一種趨勢(shì)，低碳?xì)滹@然將成為能源轉(zhuǎn)型升級(jí)中的重要組成部分。

根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）的數(shù)據(jù)，2018年全球共生產(chǎn)73.9噸純氫，另有45噸的氫未與其他氣體分離直接應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，如生產(chǎn)甲醇和直接還原鐵（DRI）。

最成熟的制氫技術(shù)是甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化法（SMR），即選用天然氣同時(shí)作為原料和燃料，使其與作為氧化劑和氫原料的水發(fā)生反應(yīng)。目前76％的專用氫通過(guò)這一技術(shù)制出。

在典型運(yùn)行條件下，該過(guò)程中有30%-40%的天然氣會(huì)作為燃料燃燒，而其余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范圍內(nèi)消耗略超過(guò)2000億立方米的天然氣，占全世界天然氣用量的6％。甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化法（SMR）也是碳排放密集型的，產(chǎn)出每噸氫氣的同時(shí)會(huì)排放10噸二氧化碳。國(guó)際能源署數(shù)據(jù)顯示，若將碳捕集、利用與封存技術(shù)（CCUS）應(yīng)用于制氫設(shè)備，最多可減少90％的碳排放量，但生產(chǎn)成本會(huì)因此上升。

世界上其余的專用氫中，絕大多數(shù)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(chǎn)自中國(guó)，這里集聚了全球80％以上的煤氣化工廠，并且是中國(guó)成本最低的制氫方法。

該制氫過(guò)程的碳排放量幾乎是使用天然氣的甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化法（SMR）的兩倍，制成每噸氫氣的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生19噸二氧化碳。因此若要降低碳排放量，需要采用CCUS技術(shù)。

水電解技術(shù)制氫目前僅占專用氫產(chǎn)量的0.1%，且主要面向有高純度氫氣需求的小眾市場(chǎng)。然而，由于預(yù)期基礎(chǔ)技術(shù)成本的降低以及電解氫作為脫碳減排的驅(qū)動(dòng)力在能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮的潛在作用，電解法制氫的勢(shì)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(chǎn)生1千克氫氣，效率約為60%至80%。

電解法制氫的碳排放強(qiáng)度取決于電源的碳強(qiáng)度，因此電解槽能夠產(chǎn)生低碳?xì)洹?/p>

如果電力系統(tǒng)本身是低碳的，則可以通過(guò)電解槽并網(wǎng)來(lái)產(chǎn)生低碳?xì)?，或者通過(guò)與專用低碳電力來(lái)源（如核能或可再生能源）配對(duì)的電解槽來(lái)實(shí)現(xiàn)。專用電解槽方法具有更大的操作彈性，可根據(jù)系統(tǒng)需求和市場(chǎng)在發(fā)電與制氫之間切換，因此可解決高發(fā)電量時(shí)可能出現(xiàn)的可再生電力生產(chǎn)過(guò)量的問(wèn)題。

電解法制氫的成本主要由資本成本、輸入電價(jià)、實(shí)際轉(zhuǎn)換效率和年度負(fù)荷決定，其中資本成本會(huì)隨著電解技術(shù)和設(shè)備生產(chǎn)規(guī)模的變化而改變。隨著電解槽運(yùn)行時(shí)間增加，資本成本對(duì)最終生產(chǎn)成本（即制氫的平準(zhǔn)化成本）的影響會(huì)減少，電價(jià)的影響則會(huì)增加。因此，最佳運(yùn)行條件應(yīng)為穩(wěn)定的高負(fù)荷因子（依靠充足穩(wěn)定的電力提供）和低電價(jià)。如下方IEA圖表所示，與當(dāng)今主流生產(chǎn)方法相比，使用可再生能源電解制氫的相對(duì)成本較高，這是由于電解槽的資本成本較高，且與可調(diào)度的基荷能源能源相比，可再生能源提供的容量因子相對(duì)較低。

02 核能對(duì)氫市場(chǎng)發(fā)展的貢獻(xiàn)

盡管人們對(duì)使用先進(jìn)模塊堆和小型模塊堆產(chǎn)生的熱能來(lái)制氫這一方法十分感興趣，這里我們關(guān)注的是在短期內(nèi)利用核電站產(chǎn)生的電能來(lái)電解制氫。

這并不意味著反應(yīng)堆核熱制氫的方式不重要，而是意在強(qiáng)調(diào)后者有效地提升了歐洲氫能市場(chǎng)的發(fā)展速度，并且推動(dòng)了歐洲氫能市場(chǎng)早期經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

我們還應(yīng)當(dāng)注意到，《歐洲氫能戰(zhàn)略》與短期和中期核能制氫的生產(chǎn)和交付并不矛盾，因?yàn)椤暗吞細(xì)洹钡亩x涵蓋了這一點(diǎn)。但是由于該戰(zhàn)略的長(zhǎng)期目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)完全由可再生能源制氫，在核能制氫方面的投資將會(huì)受到影響。

因此，該戰(zhàn)略需秉持技術(shù)中立和低碳排放理念，正如政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)指出，核能與風(fēng)能的全生命周期碳排放量是相似的，并且兩者的排放量都少于太陽(yáng)能。

A 清潔氫的生產(chǎn)規(guī)模

在市場(chǎng)發(fā)展早期，供需之間存在著緊密的關(guān)系，這種關(guān)系由監(jiān)管框架和政策機(jī)制所決定。

就清潔氫而言，它的許多潛在應(yīng)用都有現(xiàn)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(jìn)行大規(guī)模、高水平的生產(chǎn)。擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模不僅能夠促進(jìn)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，繼而使其成本溢價(jià)低于現(xiàn)有替代燃料，吸引更多的消費(fèi)者和子行業(yè)使用，推動(dòng)具有更強(qiáng)流動(dòng)性和更高分配效率的清潔氫貿(mào)易市場(chǎng)形成。

在這種情況下，應(yīng)重點(diǎn)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(chǎn)能低于1吉瓦。下圖中簡(jiǎn)化模型給出了電解槽容量因子與氫總輸出量之間的關(guān)系。歐洲目前在建的最大電解槽項(xiàng)目容量為10兆瓦，該電解槽生產(chǎn)1千克氫需消耗55千瓦時(shí)電能，電效率為70%。研究人員對(duì)歐洲太陽(yáng)能、風(fēng)能和核能制氫的相關(guān)容量因子進(jìn)行評(píng)估，得到太陽(yáng)能和風(fēng)能分別為13%-16%以及33%-38%（數(shù)據(jù)源自Lazard《能源與儲(chǔ)能系統(tǒng)平準(zhǔn)化成本》2020版），核能為77%-81%（數(shù)據(jù)源自世界核協(xié)會(huì)《世界核能業(yè)績(jī)報(bào)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(chǎn)生的清潔氫分別是使用太陽(yáng)能和風(fēng)能的5.45和2.23倍。就其本身而言，這并不是一個(gè)令人驚訝的結(jié)果，因?yàn)椴煌l(fā)電技術(shù)的相對(duì)容量因子大相徑庭。因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，如果僅使用可再生能源，則無(wú)法在近期內(nèi)生產(chǎn)出足以刺激市場(chǎng)發(fā)展的氫，就必須在近期內(nèi)使用化石燃料制出大量、經(jīng)過(guò)或未經(jīng)過(guò)碳捕集的氫（也稱“藍(lán)氫”和“灰氫”）來(lái)滿足需求。這種路線產(chǎn)生的碳排放量比將核能納入歐洲長(zhǎng)期能源戰(zhàn)略并用其制氫要大得多。此外，碳捕集技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化和廣泛應(yīng)用，整個(gè)歐洲僅在挪威有兩處相關(guān)設(shè)施。

另一個(gè)與容量因子差異有關(guān)的問(wèn)題是不同發(fā)電技術(shù)對(duì)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(jī)容量）意味著更大的土地需求。例如，位于英國(guó)約克郡北海沿岸的海上風(fēng)能項(xiàng)目霍恩西一號(hào)占地407平方公里，裝機(jī)容量為1.2吉瓦，而英國(guó)薩默塞特郡在建的欣克利角C核電站僅占地1.75平方公里，計(jì)劃裝機(jī)容量3.26吉瓦。因此，按照每吉瓦裝機(jī)容量所需土地來(lái)算，霍恩西一號(hào)的占地面積大約是欣克利角C的630倍。如果按照《歐洲氫能戰(zhàn)略》中的目標(biāo)將80至120吉瓦的可再生能源裝機(jī)容量全部用于制氫，并且保持與霍恩西一號(hào)相同的容量密度，即每吉瓦占地340平方公里，那么需要的海域面積約等同于摩爾多瓦共和國(guó)的大小。此外，對(duì)土地面積的要求將進(jìn)一步擴(kuò)大項(xiàng)目對(duì)于發(fā)電而非制氫的需求。

容量因子和容量密度這兩個(gè)參數(shù)的綜合分析效果十分明顯。對(duì)于相同電解槽容量，使用核能制氫的產(chǎn)量是風(fēng)能制氫的2.23倍；按照單位裝機(jī)容量所需面積計(jì)算，風(fēng)能制氫是核能制氫的630倍。因此，假設(shè)霍恩西一號(hào)和欣克利角C都只用于制氫，那么二者若生產(chǎn)等量氫氣，則霍恩西一號(hào)的占地面積需約為欣克利角C的1400倍，即若要產(chǎn)生欣克利角C的制氫量，霍恩西一號(hào)需占地約2500平方公里。

最后，氫氣產(chǎn)量及其使用將對(duì)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展產(chǎn)生影響。特別是包括存儲(chǔ)、運(yùn)輸和供應(yīng)在內(nèi)的交付網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)前的工業(yè)需求中有很大一部分是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和/或使用生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品來(lái)滿足的，因此并沒(méi)有形成清潔氫市場(chǎng)所需的綜合交付網(wǎng)絡(luò)。

B 清潔氫的生產(chǎn)成本

除了可供消費(fèi)的清潔氫外，市場(chǎng)發(fā)展速度以及監(jiān)管和財(cái)政兩方面的政策支持力度還取決于清潔氫與常規(guī)氫之間的成本差異以及將該差異最小化的程度。

無(wú)法獲得競(jìng)爭(zhēng)力同樣有可能造成上述情況，即由于化石燃料的持續(xù)使用，氫生產(chǎn)不能完全脫碳。

為了衡量不同低碳發(fā)電技術(shù)的相對(duì)制氫成本，需調(diào)整容量因子模型以反映不同技術(shù)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(jī)容量的資本成本為每千瓦1,400美元。根據(jù)Lazard《能源及儲(chǔ)能系統(tǒng)平準(zhǔn)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(fēng)力發(fā)電設(shè)施的電力成本。

分析結(jié)果清楚地表明，在這四種制氫方案中，利用在運(yùn)核電站空余裝機(jī)容量是成本最低的選擇，其成本是其余三種風(fēng)力制氫的45%、57%和 21%。

在對(duì)生產(chǎn)成本進(jìn)行分解后，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(chǎn)成本的60％，而對(duì)于其他能源來(lái)說(shuō)，電解槽的安裝成本分別是其生產(chǎn)成本的66%、73%和100%（與上述順序相同）。

在氫市場(chǎng)發(fā)展方面，生產(chǎn)成本具有雙重意義。首先，與常規(guī)氫相比，清潔氫的成本溢價(jià)較低，這將減少在現(xiàn)有工業(yè)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(fā)展清潔氫需求的重要早期步驟。其次，清潔氫的生產(chǎn)成本越低，與運(yùn)輸和供熱等領(lǐng)域的替代性低碳脫碳劑相比，燃料的競(jìng)爭(zhēng)力就越高，進(jìn)而將刺激需求的增長(zhǎng)，并促進(jìn)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性，擴(kuò)大基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資規(guī)模。

C 當(dāng)前機(jī)遇

與2019年同期相比，新冠疫情的出現(xiàn)及其引發(fā)的經(jīng)濟(jì)衰退使2020年第一季度全球發(fā)電量下降了2.6%，核電的降幅更大，約為3%。然而，使用核電機(jī)組的空余裝機(jī)容量成為增加制氫量的一種強(qiáng)有力的手段，并因此推動(dòng)了整個(gè)歐洲市場(chǎng)的發(fā)展。

如果用全球核能發(fā)電量下降3％代表歐盟的情況，那么照2018年的總裝機(jī)容量111吉瓦計(jì)算，目前大約有3300兆瓦處于閑置狀態(tài)。如果按歐盟五年的平均容量因子77%來(lái)運(yùn)行，則能夠發(fā)電22500吉瓦時(shí)。如果用于制氫，根據(jù)前文中的電解槽性能參數(shù)來(lái)計(jì)算，該電量可用于生產(chǎn)286000噸清潔氫；如果按照目前流行的方法，即在沒(méi)有碳捕集裝置的情況下使用天然氣進(jìn)行生產(chǎn)，則會(huì)排放出286萬(wàn)噸二氧化碳。如上文所述，使用在運(yùn)核電站的空余裝機(jī)容量生產(chǎn)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(chǎn)規(guī)模不太可能在2020年底之前實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闅W洲的電解槽產(chǎn)能仍低于1吉瓦，新冠疫情和經(jīng)濟(jì)放緩的抑制效應(yīng)、不可能在2020年底前消失，因此這一目標(biāo)也許在接下來(lái)的幾年中才能實(shí)現(xiàn)。

03 結(jié)論

氫已被確定為能源系統(tǒng)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(yè)過(guò)程如運(yùn)輸和供熱中消除碳排放。

在歐洲，歐盟以及一些國(guó)家將發(fā)展氫市場(chǎng)的長(zhǎng)期政策著眼于可再生能氫。這忽略了其他低碳發(fā)電技術(shù)，例如核能——不僅可在短期內(nèi)刺激生產(chǎn)和需求，且具有在長(zhǎng)期內(nèi)將其納入政策中的優(yōu)勢(shì)。法國(guó)提出的國(guó)家氫能戰(zhàn)略將核能制氫納入，有效減少了對(duì)進(jìn)口氫的依賴，從而規(guī)避了運(yùn)輸成本并有助于能源安全，實(shí)現(xiàn)更廣泛的工業(yè)戰(zhàn)略。

這份報(bào)告進(jìn)一步探討了政策承諾對(duì)核能制氫的好處。研究表明，與可再生能源相比，核電站能夠?yàn)闅涫袌?chǎng)提供更大的生產(chǎn)規(guī)模，從而為潛在的最終用戶提供更大的刺激，并促進(jìn)綜合氫能網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。同時(shí)明確了依賴可再生氫在土地需求方面的后果。最后，盡管可再生能源制氫是市場(chǎng)發(fā)展早、中期的另一個(gè)重要決定因素，但研究表明，在短期內(nèi)使用核能制氫會(huì)更具成本優(yōu)勢(shì)。