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。国家核实验室专家团队的研究表明，利用核能为氢气生产提供动力在经济上是可行的。

这项研究发表在期刊上新能源开发与应用。

化学建模团队经理 Mark Ba​​nkhead 解释了这项研究的背景：“氢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让我们的战略能够在 2030 年代展示这些技术的价值，我们开发了一个模型来深入了解这些技术的技术经济绩效。

“热化学有竞争优势氢气生产再加上高温气冷堆（HTGR），我们知道还有更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

在确定这些技术的经济性的新方法中，一项突破性的研究数学模型被构造成耦合核电到制氢技术。该模型允许耦合不同的制氢技术，这意味着可以比较不同的场景。

该模型分为两部分。首先，身体和化学过程对不同的制氢技术进行了建模。这提供了一种新颖的方法，通过将模型的输出表示为每单位供应能量产生的氢气单位来确定这些工业过程的整体效率。在模型的第二部分，这种效率度量被输入到经济模型中。

Kate Taylor 是 NNL 的流程建模师，她的研究工作是经济模型，说，“为了确定氢气的销售价格，该模型将建设和运营氢气工厂的成本与供应氢气所需的电力和/或热力成本结合起来。

“我们还估计了制氢技术将如何改进，以及建造一组核反应堆将如何完善我们将核电站与这些技术结合的知识。我们正在根据我们目前的技术知识预测未来会发生什么发展前景非常令人鼓舞。”

测试不同场景

氢气可以通过高温蒸汽电解来生产，这需要热量和电力。它也可以使用仅需要热量的热化学循环来生产。在建模中，这两种技术都与高温气体反应堆（一种先进的核能）结合在一起。

该模型表明，当与高温气体反应器结合使用时，高温蒸汽电解可能是一种经济高效的制氢方式，成本估计为 1.24 至 2.14 英镑/千克，而对于热化学循环，成本估算为 0.89 至 2.14 英镑/千克。2.88 英镑/公斤。

蒸汽电解是一种比任何热化学循环更成熟的技术，这意味着不仅估算成本的变化较小，而且部署可以更快进行。与其他也可以与制氢工厂结合的低碳能源生产技术相比，这些结果表明，涉及的成本核能有竞争力。

该模型是比较技术的理想起点。克里斯托弗·康诺利 (Christopher Connolly) 是 NNL 的过程建模师，也是该研究的主要作者，他开发了物理和化学过程的模型。他解释了制氢技术的发展如何改进该模型，因为该模型依赖于描述分子如何移动以及如何与用于制氢的材料相互作用的数据。

康诺利说：“预测氢气生产的效率意味着您需要对用于分解水的实际过程进行建模。可靠的数据材料性能设计前沿的某些过程的动力学可能是一个挑战，而且技术一直在进步。

“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是最终，电解质的性能取决于它的制造质量。”

预测未来

具有成本效益的氢气生产只是核技术的优势之一。尽管该研究仅模拟了化学和物理过程对于制氢技术，将这些技术与核电结合还有其他优势，例如制氢能力高、靠近用户的灵活性以及扩大部署的能力。核电还代表了一种可靠的、不间断的电源，这将减少对氢气缓冲存储的需求。

高温气体反应堆已经在开发中，并计划于 2030 年代在英国建造一个示范装置。在此期间，其他类型的核技术可以耦合到氢生产工厂帮助实现净零目标。

更多信息：Christopher Connolly 等人，核电热辅助制氢的技术经济分析，新能源开发与应用（2024）。DOI：10.54963/neea.v3i1.234