2020年12月，英國新核觀察研究所（NNWI）發(fā)布《核能在歐洲氫經(jīng)濟發(fā)展中的作用》報告。報告明確了核能在氫經(jīng)濟發(fā)展中可以發(fā)揮的寶貴作用，呼吁歐洲和各國制定清潔制氫行業(yè)發(fā)展政策時，應(yīng)在技術(shù)上保持中立，承認可再生能源和核能都是低碳制氫的來源，并以此為基礎(chǔ)實施其氫能戰(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：二者皆是通過運用多種技術(shù)生產(chǎn)出來的、用途廣泛的能量。

無論是氫能還是電能在使用過程中都不會產(chǎn)生任何溫室氣體，如在燃料電池中使用氫能不會產(chǎn)生除水以外的排放物。但是在使用化石燃料生產(chǎn)這兩種能量的過程中，上游碳強度較高。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)過程中，就能避開這一缺陷。

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)成的化學能。當下化石燃料在全球范圍內(nèi)的運輸使這一區(qū)別至關(guān)重要，因為分子的能量可存儲且穩(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規(guī)模是電力市場的九倍。因此，盡管運用電氣化手段減少某些能源使用過程中的碳排放量已成為一種趨勢，低碳氫顯然將成為能源轉(zhuǎn)型升級中的重要組成部分。

根據(jù)國際能源署（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％的專用氫通過這一技術(shù)制出。

在典型運行條件下，該過程中有30%-40%的天然氣會作為燃料燃燒，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)出每噸氫氣的同時會排放10噸二氧化碳。國際能源署數(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，這里集聚了全球80％以上的煤氣化工廠，并且是中國成本最低的制氫方法。

該制氫過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會產(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。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)動力在能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮的潛在作用，電解法制氫的勢頭正在上升。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度取決于電源的碳強度，因此電解槽能夠產(chǎn)生低碳氫。

如果電力系統(tǒng)本身是低碳的，則可以通過電解槽并網(wǎng)來產(chǎn)生低碳氫，或者通過與專用低碳電力來源（如核能或可再生能源）配對的電解槽來實現(xiàn)。專用電解槽方法具有更大的操作彈性，可根據(jù)系統(tǒng)需求和市場在發(fā)電與制氫之間切換，因此可解決高發(fā)電量時可能出現(xiàn)的可再生電力生產(chǎn)過量的問題。

電解法制氫的成本主要由資本成本、輸入電價、實際轉(zhuǎn)換效率和年度負荷決定，其中資本成本會隨著電解技術(shù)和設(shè)備生產(chǎn)規(guī)模的變化而改變。隨著電解槽運行時間增加，資本成本對最終生產(chǎn)成本（即制氫的平準化成本）的影響會減少，電價的影響則會增加。因此，最佳運行條件應(yīng)為穩(wěn)定的高負荷因子（依靠充足穩(wěn)定的電力提供）和低電價。如下方IEA圖表所示，與當今主流生產(chǎn)方法相比，使用可再生能源電解制氫的相對成本較高，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較低。

02 核能對氫市場發(fā)展的貢獻

盡管人們對使用先進模塊堆和小型模塊堆產(chǎn)生的熱能來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，而是意在強調(diào)后者有效地提升了歐洲氫能市場的發(fā)展速度，并且推動了歐洲氫能市場早期經(jīng)濟發(fā)展。

我們還應(yīng)當注意到，《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，因為“低碳氫”的定義涵蓋了這一點。但是由于該戰(zhàn)略的長期目標是實現(xiàn)完全由可再生能源制氫，在核能制氫方面的投資將會受到影響。

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(IPCC)指出，核能與風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能。

A 清潔氫的生產(chǎn)規(guī)模

在市場發(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，就必須進行大規(guī)模、高水平的生產(chǎn)。擴大生產(chǎn)規(guī)模不僅能夠促進產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展，繼而使其成本溢價低于現(xiàn)有替代燃料，吸引更多的消費者和子行業(yè)使用，推動具有更強流動性和更高分配效率的清潔氫貿(mào)易市場形成。

在這種情況下，應(yīng)重點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55千瓦時電能，電效率為70%。研究人員對歐洲太陽能、風能和核能制氫的相關(guān)容量因子進行評估，得到太陽能和風能分別為13%-16%以及33%-38%（數(shù)據(jù)源自Lazard《能源與儲能系統(tǒng)平準化成本》2020版），核能為77%-81%（數(shù)據(jù)源自世界核協(xié)會《世界核能業(yè)績報告》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能和風能的5.45和2.23倍。就其本身而言，這并不是一個令人驚訝的結(jié)果，因為不同發(fā)電技術(shù)的相對容量因子大相徑庭。因此從長遠角度來看，如果僅使用可再生能源，則無法在近期內(nèi)生產(chǎn)出足以刺激市場發(fā)展的氫，就必須在近期內(nèi)使用化石燃料制出大量、經(jīng)過或未經(jīng)過碳捕集的氫（也稱“藍氫”和“灰氫”）來滿足需求。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)尚未實現(xiàn)商業(yè)化和廣泛應(yīng)用，整個歐洲僅在挪威有兩處相關(guān)設(shè)施。

另一個與容量因子差異有關(guān)的問題是不同發(fā)電技術(shù)對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容量）意味著更大的土地需求。例如，位于英國約克郡北海沿岸的海上風能項目霍恩西一號占地407平方公里，裝機容量為1.2吉瓦，而英國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，計劃裝機容量3.26吉瓦。因此，按照每吉瓦裝機容量所需土地來算，霍恩西一號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》中的目標將80至120吉瓦的可再生能源裝機容量全部用于制氫，并且保持與霍恩西一號相同的容量密度，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的大小。此外，對土地面積的要求將進一步擴大項目對于發(fā)電而非制氫的需求。

容量因子和容量密度這兩個參數(shù)的綜合分析效果十分明顯。對于相同電解槽容量，使用核能制氫的產(chǎn)量是風能制氫的2.23倍；按照單位裝機容量所需面積計算，風能制氫是核能制氫的630倍。因此，假設(shè)霍恩西一號和欣克利角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，霍恩西一號需占地約2500平方公里。

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

B 清潔氫的生產(chǎn)成本

除了可供消費的清潔氫外，市場發(fā)展速度以及監(jiān)管和財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。

無法獲得競爭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，此處單位裝機容量的資本成本為每千瓦1,400美元。根據(jù)Lazard《能源及儲能系統(tǒng)平準化成本》（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，利用在運核電站空余裝機容量是成本最低的選擇，其成本是其余三種風力制氫的45%、57%和 21%。

在對生產(chǎn)成本進行分解后，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％，而對于其他能源來說，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，與運輸和供熱等領(lǐng)域的替代性低碳脫碳劑相比，燃料的競爭力就越高，進而將刺激需求的增長，并促進生產(chǎn)經(jīng)濟性，擴大基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資規(guī)模。

C 當前機遇

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，使用核電機組的空余裝機容量成為增加制氫量的一種強有力的手段，并因此推動了整個歐洲市場的發(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年的總裝機容量111吉瓦計算，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%來運行，則能夠發(fā)電22500吉瓦時。如果用于制氫，根據(jù)前文中的電解槽性能參數(shù)來計算，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，即在沒有碳捕集裝置的情況下使用天然氣進行生產(chǎn)，則會排放出286萬噸二氧化碳。如上文所述，使用在運核電站的空余裝機容量生產(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年底之前實現(xiàn)，因為歐洲的電解槽產(chǎn)能仍低于1吉瓦，新冠疫情和經(jīng)濟放緩的抑制效應(yīng)、不可能在2020年底前消失，因此這一目標也許在接下來的幾年中才能實現(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)過程如運輸和供熱中消除碳排放。

在歐洲，歐盟以及一些國家將發(fā)展氫市場的長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，且具有在長期內(nèi)將其納入政策中的優(yōu)勢。法國提出的國家氫能戰(zhàn)略將核能制氫納入，有效減少了對進口氫的依賴，從而規(guī)避了運輸成本并有助于能源安全，實現(xiàn)更廣泛的工業(yè)戰(zhàn)略。

這份報告進一步探討了政策承諾對核能制氫的好處。研究表明，與可再生能源相比，核電站能夠為氫市場提供更大的生產(chǎn)規(guī)模，從而為潛在的最終用戶提供更大的刺激，并促進綜合氫能網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。同時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發(fā)展早、中期的另一個重要決定因素，但研究表明，在短期內(nèi)使用核能制氫會更具成本優(yōu)勢。