《日本加速发展能制氢的高温气冷堆》

  • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2021-03-19
  • 在走向脱碳社会的趋势中,氢作为一种不排放二氧化碳的新能源越来越突出。氢气燃烧时释放出来的只有水。氢也有很高的热容,当用于燃料电池时会产生电能。在能源选择中,它是一颗闪亮的星星,但问题是使用哪种氢。

    如果在制氢过程中排放出二氧化碳,那就没有意义了。即使不是这样,当生产效率低的时候,能源也被浪费了。事实上,日本已经开发出制氢技术来克服这些缺点。高温气冷堆(HTGR)是下一代核能发电技术,它可以在发电的同时产生无限量的氢气。

    氢的来源很重要

    生产氢气有多种技术。大规模生产的主流方法是“重整”,即以天然气或煤为原料。高温蒸汽用于从天然气或其他物质中分离氢气,但同时也会产生二氧化碳。

    近年来,氨作为一种新的燃料选择引起了人们的关注,但由于它使用的是用这种方法产生的氢气,因此并没有达到无碳的理想状态。利用太阳能电解可以得到氢气,二氧化碳不会排放,但会有能量损失。

    先进的高温反应器

    核电不排放二氧化碳,但自福岛核事故以来一直面临不利因素。不过,日本原子能机构正在茨城县欧来镇开发一种新型反应堆,名为“高温工程试验反应堆”(HTTR)。

    原则上,HTTR不易发生堆芯熔毁。此外,它是世界所需要的小型模块化反应堆。HTGRs的一个特点是利用氦气产生950度的高温,是常规核能的三倍。这种高温可以用来驱动燃气轮机发电,同时通过水的热化学分解产生氢气,这是一个涉及碘和二氧化硫的循环过程。

    这种被称为IS(碘硫)工艺的反应的商业化被认为是有问题的,但HTTR研究小组在两年前实现了150小时的连续制氢——这是长期运行的标准。

    没有严重事故的反应堆

    HTTR的热输出为30000千瓦。由于它处于发展的第一阶段,它没有配备发电机,但它具有高温气冷反应堆的所有基本功能。

    茨城反应堆1998年开始运行,但多年来一直保持低调。这一切在10年前东京电力公司福岛第一核电站发生事故后都发生了变化。就在那时,新型反应堆成了希望的灯塔。

    它最近受到关注的主要原因是反应堆的突出安全水平。它是一种新型反应堆,其堆芯材料和结构与常规核电站完全不同。

    此外,高温气冷堆由于在结构上不适合作为大型反应堆,一段时间以来一直处于阴影中。但现在全球核电市场正转向小型模块化反应堆。这是近期备受关注的第二个原因。由于这种类型的反应堆不需要水来运行,所以潜在的位置是深远的,从内陆地区到沙漠。

    引起新兴趣的第三个原因是,继《巴黎制止全球变暖协定》之后,对氢作为能源的需求日益增长。

    夏季准备恢复运营

    HTTR目前正在接受核监管委员会的安全审查。2020年6月确认符合新的监管标准,正在审批施工计划。如果施工工作顺利进行,预计2021年夏季恢复运营。

    福岛事故发生后整整十年的停工,终于在长隧道尽头看到了一道亮光。巴黎协议于2020年开始运作,世界正迅速走向脱碳社会。虽然日本政府已经明确打算在2050年之前将国内外二氧化碳排放量降至零,但显然,这一目标不能仅仅通过使太阳能等可再生能源成为日本的主要能源来实现。

    今年冬季的寒意和大雪暴露了太阳能发电的弱点。此外,一直弥补核电短缺的火电发电面临天然气采购的延误,造成严重的电力短缺。

    日本的王牌

    与欧洲不同的是,像日本这样的岛国要稳定供电,就需要能源多样化。核能在反应堆中发挥着重要作用,一旦燃料投入反应堆,它就可以连续运行一年以上。但福岛核电站的创伤使得新建和扩建常规核电站(轻水反应堆)都成了问题。

    这就是为什么迫切需要无严重事故高温气冷堆的商业化。日本目前在高温气冷堆技术方面处于世界领先地位。波兰等很多国家都对与日本的技术合作抱有强烈期望。

    作为一项有利于氢能的脱碳创新,日本大力发展高温气冷反应堆,它将传递一个非常有意义的信息。

相关报告
  • 《高温气冷堆打开核电发展新空间》

    • 来源专题:能源情报网监测服务平台
    • 编译者:郭楷模
    • 发布时间:2024-12-27
    • 形成自主设计、制造、建造和运行能力 高温气冷堆打开核电发展新空间(奋进强国路 阔步新征程·重大工程巡礼) 《人民日报》(2024年12月27日 第 01 版)“核工业是高科技战略产业,是国家安全重要基石”“要积极安全有序发展核电,合理确定核电站布局和开发时序”。 山东荣成石岛湾,国家科技重大专项标志性成果——华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程平稳运行,从这里源源不断输出的电能和热能,满足着各类能源需求。 从2012年12月浇筑第一罐混凝土到2023年12月商运投产,从一片荒滩到全球首座投入商业运行的第四代核电站,华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程的建成运行,标志着我国在第四代核电技术研发和应用领域达到国际领先水平。 推动高温气冷堆从实验堆向商用堆跨越 上世纪80年代,在中国科学院院士王大中带领下,清华大学相关科研院所开展先进核能技术研发。1986年,国家863计划将高温气冷堆列为我国发展的先进反应堆堆型之一。在国家863计划支持下,清华大学先后突破了球形燃料元件、球床流动特性等多项关键技术,并于2000年建成10兆瓦高温气冷实验堆。 2003年1月29日,高温气冷实验堆成功实现72小时连续满功率运行。同年,中国核工业集团有限公司与清华大学共同组建了中核能源科技有限公司(以下简称“中核能源”),推动高温气冷堆技术从实验室走向市场。2006年,高温气冷堆被列入国家科技重大专项;2008年,高温气冷堆总体实施方案获批准,清华大学核能与新能源技术研究院(以下简称“清华核研院”)院长张作义任专项技术总师。 从实验堆向商用堆跨越,摆在团队面前的困难不少:重大技术转化周期长、见效慢,人才队伍难稳定,科研思维与工程思维经常“碰撞”……面对挑战,中核集团和清华大学通力合作,拆除“篱笆墙”、打通从应用基础研究到产业化的“快车道”,搭建了一支跨产业链、跨单位、产学研一体化的项目团队。 在联合攻关中,张作义带领团队取得了多项原创性成果;中核能源等单位的工程技术人员发挥自身在建筑结构、水电暖、三维设计等方面的专业优势,以“啃硬骨头”的精神进行技术消化吸收;双方建立起联合设计机构,实现了设计与施工的高度协同……不断磨合、加速跨越,产学研融合不断走向深入。 形成高温气冷堆核电站的自主设计、制造、建造和运行能力 2012年12月,华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程正式开工,由中核集团、清华大学、中国华能集团组成联合攻关团队,共同研发建设。其中,清华大学是技术研发主体,负责研发、总体技术方案及核岛主系统主设备的设计,中核集团作为示范工程建设实施主体及燃料元件生产单位,华能集团作为示范工程建设营运主体。 高温气冷堆核电站示范工程建设面临诸多“第一次”:清华核研院第一次设计示范电站图纸,中核能源第一次做工程总承包,华能集团第一次做核电业主……直面问题,相关单位紧密合作,将研究设计与加工制造深度融合,攻克了一道道技术难关。 蒸汽发生器是高温气冷堆的关键设备,作为全球首创的设计,没有可供参考的制造和装配工艺。联合攻关团队与制造厂家一道,历经7个月完善设计工艺、锤炼制造技术,最终成功制造出1330根符合设计规范的出口连接管,打通了蒸汽发生器制造的关键路径。 联合攻关团队创新双机翻转的工艺,完成了业界最大、最重反应堆压力容器的吊装,攻克陶瓷堆内构件精确安装的难题以及燃料装卸系统复杂管路安装等技术,高质量完成了示范工程模块化建造施工;联合调试团队研发出一套高温气冷堆特有的调试运行技术,掌握了大体积双模块化反应堆回路强度密封及升温技术、低功率密度特点的反应堆固有安全性能验证技术等六大关键核心技术……“为实现重大专项的任务目标,联合攻关团队共承担重大专项课题89项,完成了数千项技术攻关。”华能山东石岛湾核电有限公司总经理常重喜说。 “通过示范工程建设,我国形成高温气冷堆核电站的自主设计、制造、建造和运行能力,处于世界领先水平。”中核能源副总经理、总工程师石琦说。 高温气冷堆具有安全系数高、堆芯温度高等优势,在多个领域有着广阔的应用前景 作为我国完全自主知识产权的先进核能系统,高温气冷堆具有安全系数高、堆芯温度高等优势,在多个领域有着广阔的应用前景。 高温气冷堆具备固有安全性。清华核研院副院长董玉杰介绍,高温气冷堆使用耐高温的球形燃料元件,反应堆具有自稳特性,还拥有余热自然散出机制;在设计理念上,则采用了“搭积木”的模块式设计,每个小模块热功率约为大型压水堆核电站的1/10。 “反应堆停堆后产生的余热处于较低水平,意味着即使不进行人为干预,反应堆也能自动停堆并将余热安全地散发出去,从而避免堆芯过热发生熔毁。”董玉杰说。 “高温气冷堆发电效率高,即使采用传统蒸汽循环方式,其发电效率也可达40%以上。”石琦举例,高温气冷堆一回路冷却剂氦气出口温度高达750摄氏度,能够产生541摄氏度的过热蒸汽,可满足石化行业主要的蒸汽需求。此外,高温气冷堆还能产生满足石油精炼和煤化工、稠油热采等领域需求的高品质蒸汽,又适用于大规模、工业化制取绿氢等。 随着石岛湾高温气冷堆核电站示范工程建成并投入商运,我国高温气冷堆产业链初步形成,为该技术小批量推广创造了条件。石琦介绍,在充分吸收、利用示范工程的主工艺、主设备、固有安全设计、工程验证实践等方面经验的基础上,60万千瓦高温气冷堆技术方案已经形成,并完成了初步设计,全面转入施工图设计阶段。
  • 《氢能“制储输用”全链条发展迎来加速期》

    • 来源专题:能源情报网监测服务平台
    • 编译者:郭楷模
    • 发布时间:2024-08-27
    • 《中共中央国务院关于加快经济社会发展全面绿色转型的意见》(以下简称《意见》)明确提出,“推进氢能‘制储输用’全链条发展”“完善充(换)电站、加氢(醇)站、岸电等基础设施网络”“建立健全氢能‘制储输用’标准”。 在多位受访者看来,《意见》的发布有助于促进氢能“制储输用”涉及的关键核心技术创新与突破,解决困扰氢能产业发展的关键技术难题。而要实现氢能全链条发展,仍需政府、企业、科研机构携手并进,共同应对技术挑战、完善政策体系、加强市场培育。 多种新应用突破不断 近期,我国在氢能领域的应用突破不断—— 航天科技集团旗下单位近日联合研制的5吨/天氢液化系统一次性开车成功,稳定产出液氢,系统采用的核心部件均系自主研发; 我国首台大功率氢能源动力火车即将投用,可拉动超200节客车车厢; 国内首条固体氧化物燃料电池电堆全自动生产线将在9月底下线,预计今年生产1000套电堆。 除此之外,在氢能政策方面,各地频传利好消息。“氢能高速政策最近成了行业关注的热点,继山东、四川、内蒙古等地之后,吉林、陕西也提出氢能车辆免收高速公路通行费。”高工氢电产业研究所某研究员表示,“这说明政府层面正以有力的实际行动,从市场端助力氢车运营推广。” 中国汽车战略与政策研究中心高级研究员李凯告诉《中国能源报》记者,自去年《共建中国氢能高速行动倡议》在中国燃料电池汽车大会上发布后,多个省市研究并出台氢能车辆高速通行费免费的政策。“这将对燃料电池汽车产业发展产生极大带动作用,也进一步坚定了行业共建氢能高速公路综合示范线的信心。” 《中国能源报》记者了解到,目前各地高度重视,快速行动,竞相规划氢能产业发展,加快推动氢能项目落地,在氢能制备、储运、基础设施建设等方面纷纷取得实质性进展。 仍处于规模化导入期 不过整体看,我国氢能发展当前正处于规模化导入期,从制氢、储氢到用氢,全周期产业布局依然存在不平衡问题。 中国科学院院士、西安交通大学绿色氢电全国重点实验室主任郭烈锦近日公开表示,当前我国氢能产业还存在创新能力不强、技术装备水平不高、部分关键核心零部件和基础材料依赖进口等问题。 《中国能源报》记者注意到,以往提到氢能产业链,总会提“制储运用”,而《意见》明确提出“制储输用”全链条发展。“输和运一字之差,却值得重点关注。”绿色能源产业发展促进会氢能与燃料电池产业研究院会长助理兼产研部副主任张胜青表示,长期以来,氢能“储运加”作为连接两头的“脖子”环节,发展一直不及预期,成为全链条协同发展的关键堵点之一。“此外,高昂的氢气运输成本使终端用氢成本始终居高不下,制约氢能广泛使用。” 张胜青进一步指出,如果通过管道输氢,上述问题将很大程度得到解决。但由于管道输氢涉及能源安全,亟需国家层面主导建设。 国家电投首席科学家、国氢科技首席技术官柴茂荣近日接受《中国能源报》记者采访时表示,我国每年的氢气产能大约在4800万吨,产量超3600万吨。“从‘制’的环节看,没有什么大问题。但氢能‘制储输用’,关键在用,用的环节打开了,‘制储输’就能‘活’了,用氢绝不是只有每年几百辆重卡就能解决。” 柴茂荣的观点得到多位业内人士的认同。北京开云能源有限公司董事长王超也表示,若找到差异化的应用场景,将推动氢能快速打开市场。 壮大氢能“国家队”力量 对于构建氢能全产业链,郭烈锦强调,必须紧紧围绕实现“双碳”目标,推动经济转型和可持续发展的战略目标,从上游氢气制取、中游储运加注到下游推广应用全面展开。 “从整个能源产业来看,将产业链各链条间彼此孤立、分隔地去判断评估,不利于推动产业链整体构建。”郭烈锦称,应该考虑从能源的源头到终端产物,包括主、副产品乃至废弃物的处理,进行全面完整、全生命周期的评估和判断。 多位氢能企业人士呼吁,应加强政策支持与引导,帮助氢能企业快速发展。“建议国家加快培育和发展氢能产业,尤其加大对氢能企业支持、推动相关企业发展,同时予以引导,使企业明确定位和方向,加快商业化转型、融资及上市步伐。”鹭岛氢能(厦门)科技有限公司董事长陶华冰说。 对此,柴茂荣建议,首先要成立国家层面的氢能公司,由国务院国资委来统筹、引领整个产业链发展。“我们需要有自己的‘国家队’,实行兵团作战,而不是搞‘游击队’。像美国有空气公司(AP),法国有法液空集团,德国有林德集团,日本有岩谷三井,而我国目前还没有这种规模的氢能公司。” “其次,国家要组织产、学、研等联合攻关,集中力量办大事。因为能源涉及到几十万亿的产值。所以,要舍得较大的投入,不要撒胡椒面。通过不断开展技术攻关,真正解决氢能的‘卡脖子’问题。最后,建立好平台后,要充分国际化。人才机制要灵活,创新机制要灵活,允许社会资本参与,也允许创新团队骨干人员个人持股,充分激发社会各界积极性。”柴茂荣指出。