未來的能源基礎設施可能與我們今天所依賴的基礎設施截然不同。國家核子實驗室專家團隊的研究表明，利用核能為氫氣生產提供動力在經濟上是可行的。

這項研究發表在期刊上新能源開發與應用。

化學建模團隊經理Mark Ba​​nkhead 解釋了這項研究的背景：「氫和氫衍生的替代液體燃料是英國到2050 年實現淨零排放的關鍵推動因素。核電可以與不同的氫氣技術相結合為了讓我們的策略能夠在 2030 年代展示這些技術的價值，我們開發了一個模型來深入了解這些技術的技術經濟績效。

“熱化學有競爭優勢氫氣生產再加上高溫氣冷堆（HTGR），我們知道還有更多工作要做來優化這些技術並發揮這項技術的潛力。

確定效率和成本的新方法

在確定這些技術的經濟性的新方法中，一項突破性的研究數學模型被建構成耦合核電到氫氣生產技術。該模型允許耦合不同的氫氣技術，這意味著可以比較不同的場景。

模型分為兩部分。首先，身體和化學過程對不同的氫氣生產技術進行了建模。這提供了一種新穎的方法，透過將模型的輸出表示為每單位供應能量產生的氫氣單位來確定這些工業製程的整體效率。在模型的第二部分，這種效率測量被輸入到經濟模型中。

Kate Taylor 是 NNL 的流程建模師，她的研究工作是經濟模型，說，「為了確定氫氣的銷售價格，該模型將建造和運營氫氣工廠的成本與供應氫氣所需的電力和/或熱力成本結合起來。

「我們還估計了氫氣生產技術將如何改進，以及建造一組核反應器將如何完善我們將核電廠與這些技術結合的知識。我們正在根據我們目前的技術知識預測未來會發生什麼發展前景非常令人鼓舞。 」

測試不同場景

氫氣可以透過高溫蒸汽電解來生產，這需要熱和電力。它也可以使用僅需要熱量的熱化學循環來生產。在建模中，這兩種技術都與高溫氣體反應器（一種先進的核能）結合在一起。

該模型表明，當與高溫氣體反應器結合使用時，高溫蒸汽電解可能是一種經濟高效的氫氣產生方式，成本估計為1.24 至2.14 英鎊/公斤，而對於熱化學循環，成本估算為0.89 至2.14英鎊/公斤。

蒸汽電解是一種比任何熱化學循環更成熟的技術，這意味著不僅估算成本的變化較小，而且部署可以更快進行。與其他也可以與氫氣工廠結合的低碳能源生產技術相比，這些結果表明，涉及的成本核能有競爭力。

該模型是比較技術的理想起點。克里斯托弗·康諾利 (Christopher Connolly) 是 NNL 的過程建模師，也是該研究的主要作者，他開發了物理和化學過程的模型。他解釋了氫氣生產技術的發展如何改進該模型，因為該模型依賴於描述分子如何移動以及如何與用於氫氣生產的材料相互作用的數據。

康諾利說：「預測氫氣生產的效率意味著您需要對用於分解水的實際過程進行建模。可靠的數據材料性能設計前沿的某些過程的動力學可能是一個挑戰，而且技術一直在進步。

「例如，當我們研究高溫蒸氣電解時，我們需要建立一個使用固體氧化物作為電解質的電解池模型。固體氧化物通常由氧化釔穩定的氧化鋯製成，但這種氧化物的變體是最終，電解質的性能取決於它的製造品質。

預測未來

具有成本效益的氫氣生產只是核子技術的優勢之一。儘管該研究僅模擬了化學和物理過程對於氫氣生產技術，將這些技術與核電結合還有其他優勢，例如氫氣生產能力高、靠近使用者的靈活性以及擴大部署的能力。核電也代表了一種可靠的、不間斷的電源，這將減少對氫氣緩衝儲存的需求。

高溫氣體反應器已經在開發中，並計劃於 2030 年代在英國建造一個示範裝置。在此期間，其他類型的核科技可以耦合到氫生產工廠幫助實現淨零目標。

更多資訊：Christopher Connolly 等人，核電熱輔助製氫的技術經濟分析，新能源開發與應用（2024）。DOI：10.54963/neea.v3i1.234