核电/氢能系统应用前景浅析 - 文章

核电/氢能系统应用前景浅析

作者：中国工程院院士郑健超

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【论文摘要】氢是自然界最普遍存在的元素，在常温常压下呈气态，无色无臭，熔点-259.3℃(13.9 K)、沸点-252.78℃(20.4 K)。在地球上平均6-7个原子中就有一个氢原子。
【关键词】核电，氢能，系统应用，前景浅析

一、“氢能经济”兴起的背景

氢是自然界最普遍存在的元素，在常温常压下呈气态，无色无臭，熔点-259.3℃(13.9 K)、沸点-252.78℃(20.4 K)。在地球上平均6-7个原子中就有一个氢原子。除空气中含有少量氢气外，氢主要以化合物形态存在于水、全部酸和有机化合物中。所以，氢不能视为一次能源，而应看作是一种能源载体。作为能源载体，氢有以下特点：(1)它是一种清洁能源：氢气对人体无害，燃烧后生成水和少量的氮化氢，稍加处理后不会污染环境；(2)是一种高热值能源：氢的单位重量的发热量为28900千卡/kg，是汽油热值的3倍、煤热值的4倍。除核燃料外，氢的燃烧热值是所有矿物燃料、生物燃料和化工燃料中最高的。

多年来，科学家们一直致力研究氢能的大规模制取、储存和应用的技术，以便用这种优质洁净的能源载体替代矿物燃料，特别是替代日益紧缺的油气资源。近年来，在全球范围内，加快研究氢能的规模应用呼声日高，以至出现“氢能经济（Hydrogen Economy）”，“氢-电（ Hydricity）” “氢能基础设施（Hydrogen infrastructure）”这样一些专门词汇。
氢能经济的兴起主要有以下三方面的原因：

1）开发油气资源的替代能源。石油资源预计在未来50年左右的时间内枯竭，而需求量却不断增加。美国每年石油的消费为全球生产总量的1/4。中东成为多事地区的重要原因就是超级大国对石油资源的争夺。我国去年进口了8000万吨石油，战略能源对外依存度日益增加，能源安全的形势不容乐观。因此，开发战略能源的替代品已成为世界各国的当务之急。

2）开发绿色交通工具的需求。随着交通运输所消耗的能源的不断增加，尾气的排放已经成为世界各国大城市空气污染的主要根源。调查结果表明，北京市1998年机动车排放的一氧化碳、氮氧化物、可吸入颗粒物全年总量分别为153.33 万吨、 11.65万吨和3359吨，分别占各项总排放量的63.4 % 、46 % 和 50 %。可见，汽车的尾气排放已经成为大城市空气的主要污染源。特别应当指出，可吸入颗粒物（TSP）已经被证明是致病的重要因素，减排TSP已成为污染控制的重要任务。因此，加速开发绿色交通工具替代常规的车辆已十分紧迫。以氢为能源的燃料电池电动车被认为是未来最有希望的绿色车辆。

3）燃料电池和氢储存技术的突破。燃料电池和氢储存技术的突破发展使以氢为能源的先进绿色交通工具成为现实。

燃料电池是将氢基燃料的化学能通过电化学过程直接转化为电的装置，其工作原理颇似电解水的逆过程。它具有发电效率高、环境兼容性好、模块式结构便于安装、可直接安装在用户附近节省输变电投资的优点，是比较理想的高效清洁的分布式发电装置(图 1、2 )。

图1 250 千瓦燃料电池

图2 住宅用燃料电池

质子交换膜燃料电池（PEFC）是从宇航和军事应用发展起来的，比其他燃料电池有更高的出力密度，且具有构造简单、可工作于常温下等优点，是为电动车提供动力的最佳选择。目前，先进的质子交换膜燃料电池堆，如Stack 2000，最大功率已达到94 -129 kW，功率密度达到 0，94 kW/kg，工作温度为800 C。

燃料电池实用化的另一个关键技术是储氢技术。氢储存的技术近年取得了重要进展。用于储氢主要办法有：压缩储氢（氢储存在高强碳纤维合成材料的压力容器内）；冷冻储氢（冷冻到-2530 C）；金属氢化物固态储氢；纳米材料吸附储氢等。现在，一个重量为95 公斤的压力储氢罐可以储藏4.6 公斤的氢，等效于约 13.8公斤汽油。作为对比，目前最先进的电池（如锂电池）的储能密度为0.2 kWh/kg，一个100 公斤重的蓄电池储存的能量只相当于1.72公斤汽油。可见目前储氢的能量密度已经大大超过先进蓄电池的储能密度。

HydroGen3型电动车，燃料电池功率94 kW，电动机功率60 kW，每次装4。6 kg 液态氢，最高时速达150 km，行程400 km，冷启动时间为30秒。

二、氢的制取和储存氢能的制取工艺主要分从化石燃料制氢和电解水制氢两大类：

1）化石燃料制氢目前已达到商业化的制氢工艺有：①天然气蒸汽转化；②天然气催化分解；③重油部分氧化；④煤炭气化等。制氢的原料是天然气、石油和煤，其中天然气占了90 % 以上。这些传统的制氢方法仍然摆脱不了对矿物燃料的过分依赖，同时在制氢过程中都伴有大量温室效应气体的排放。从可持续发展的角度，这种工艺并不可取。

2）电解水制氢电解水制氢已经是十分成熟的技术。关键是如何减低电解过程的能耗，提高能源转换效率。电解水制氢必须以强碱、强酸或含氢的盐溶液作电解液。商用电解槽法，能耗大约为4.5-5.5 kWh/Nm3。最近，美国GE公司开发了一种固体高分子电解质(SPE)水解法，以离子交换膜作为隔膜和电解质，这种方法可大大降低能耗。

此外还有热化学制氢、光电化学法制氢、等离子体化学法制氢、微生物发酵制氢、光合微生物制氢等。但这些制氢技术，绝大部分处于理论研究和试验室阶段。

目前氢的制取费尚高，据报道，用电解法生产气态氢的价格比汽油约高65%，生产液态氢的价格则比汽油高260 %以上。

但是，随着技术进步和制氢的规模化，以及油气资源的短缺，氢能的经济竞争力会逐渐加强。

三、核电/氢能系统

从长远的观点看，随着油气资源的短缺和可持续发展的要求，“氢-电系统”将成为未来的主导能源系统。所谓“氢-电系统”可以设想为这样的一个能源系统：各种一次能源都可以用来发电；为了替代常规的液体燃料和气体燃料、实现电能的间接储存，一部分电力可用来电解水制氢；氢作为高能量密度的燃料可以储存、运输，然后可以在终端用户附近用燃料电池等分布式电源再转换为电能。

由核电和水电、风电、太阳能发电等可再生能源发电与电解制氢的联合系统被认为是重要的“氢-电系统“。笔者认为，从长远看，核电-氢能系统有广阔的发展前途，理由如下：

1）核电-氢能系统的各个环节都没有温室效应气体和其他有害的排放，对环境影响很小；
2）核能是最有希望实现永续利用的一次能源；
3）核电与产氢系统的结合可以保证核电站始终运行在恒定负荷状态，有利于提高核电站的安全性和经济性；

四、应用前景展望

要实现氢能广泛替代传统的液体、气体燃料，使燃料电池推动的车辆进入千家万户，还有很长的路程要走。实现“氢-电“系统的

产业化需要解决其经济竞争力相关的一系列问题：如大幅度降低制氢和储氢的费用、降低燃料电池的造价等。另外，需要建立遍及千家万户的加氢站及配送系统，即供氢的基础设施。这绝不是一朝一夕能够完成的。目前，全球的加氢站仅数十个，与加油站相比，只是沧海一粟。但是，随着技术的进步，氢能经济会日益壮大。有专家估计，2011年燃料电池的市场为300亿美圆左右，制氢的费用也将逐年下降。从长远的观点看问题，氢-核电系统定有广阔的应用前景。我们在研究核电发展战略时，应当关注这一发展趋势。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/12/2005)


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