氫能可以為核運(yùn)營(yíng)商提供價(jià)格對(duì)沖和新的收入源，對(duì)此，美國(guó)正在對(duì)該期權(quán)進(jìn)行投資。
1、氫能開發(fā)項(xiàng)目
在美國(guó)紐約州的九英里角(Nine Mile Point)核電站，美國(guó)能源部(DOE)和發(fā)電廠運(yùn)營(yíng)商Constellation公司共同支持建設(shè)的一個(gè)項(xiàng)目，發(fā)電廠使用電解槽將水分解為氫氣和氧氣，以滿足發(fā)電廠的氫氣需求，并將此產(chǎn)品送入發(fā)電站現(xiàn)有的儲(chǔ)氫系統(tǒng)和配套基礎(chǔ)設(shè)施。
Constellation公司已獲得DOE 580萬美元的撥款，與內(nèi)爾氫能公司(Nel Hydrogen)、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、愛達(dá)荷州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室合作，探索現(xiàn)場(chǎng)制氫的潛在好處。
在九英里角電站運(yùn)行的清潔制氫系統(tǒng)額定功率為1.25MW，每天產(chǎn)生560公斤氫氣，足以滿足工廠的運(yùn)行氫氣使用。
這也將有助于為在Constellation公司的其他清潔能源中心進(jìn)行大規(guī)模部署奠定基礎(chǔ)，將清潔氫氣生產(chǎn)與儲(chǔ)存和其他現(xiàn)場(chǎng)用途結(jié)合起來。
很明顯，擁有強(qiáng)大發(fā)電能力的核電站將能夠自行發(fā)電來生產(chǎn)氫氣以滿足其需求。
事實(shí)上，到目前為止，九英里角電站所用氫氣都是通過卡車運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)——就像其他核反應(yīng)堆一樣。
氫氣都是通過天然氣的蒸汽甲烷重整生產(chǎn)的，大多數(shù)工業(yè)氫氣也是如此。事實(shí)上，目前美國(guó)95%的氫氣來自化石燃料。
2、氫能作用
氫氣在脫碳方面有幾個(gè)重要作用。
氫能是脫碳行業(yè)的基礎(chǔ)，在氫能生產(chǎn)工藝(煉鋼或混凝土)中，必須創(chuàng)造非常高的溫度環(huán)境，目前主要是通過燃燒化石燃料(通常是天然氣)來實(shí)現(xiàn)。
在其他所謂的“難以脫碳”領(lǐng)域，如運(yùn)輸(尤其是重型貨車)，氫氣也是化石燃料的潛在直接替代品。
在電力部門和核工業(yè)中也有應(yīng)用，氫能是一個(gè)重要的部分。
為什么氫氣是可再生能源行業(yè)的一個(gè)重要機(jī)會(huì)?
如果使用依賴天氣變化的可再生能源，則意味著在條件有利的時(shí)候——晴天的光伏發(fā)電場(chǎng)和大風(fēng)期的風(fēng)電場(chǎng)——會(huì)產(chǎn)生供過于求的電力，產(chǎn)生各種影響。
在供過于求的時(shí)候，能源價(jià)格會(huì)大幅下降(有時(shí)被稱為價(jià)格相殘)，而在歐洲，現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于成本價(jià)，因?yàn)榭捎玫碾娏Τ^了系統(tǒng)的傳輸能力。
大規(guī)模太陽能——無論是安裝在屋頂和(法國(guó)現(xiàn)在要求的)停車場(chǎng)雨棚上，還是作為“公用事業(yè)規(guī)模”的地面太陽能發(fā)電場(chǎng)——在陽光明媚的日子里隨著發(fā)電量的增減而短暫滿足所有需求，很多地區(qū)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這種自給自足。
在其他時(shí)候，當(dāng)天氣不利時(shí)，電能價(jià)格會(huì)大幅上漲，但可再生能源無法利用這一點(diǎn)。
這些管理生產(chǎn)和需求的問題，對(duì)于核電領(lǐng)域來說，已經(jīng)十分熟悉了，它們也無法對(duì)電力市場(chǎng)狀況做出反應(yīng)——在這種情況下，核電站在滿功率下運(yùn)行效率最高。
有了大量的核容量，在需求下降的時(shí)候，比如夜間，可能會(huì)出現(xiàn)電力過剩。
使用直接還原法生產(chǎn)鋼鐵是氫氣的一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用。
電力公司通過在夜間提供更便宜的電費(fèi)來解決這一問題，主要但不限于有24小時(shí)需求的工業(yè)用戶。
制氫可以解決這兩種低碳發(fā)電方式的問題。
如果以低(甚至負(fù))價(jià)格產(chǎn)生多余的電力，則可以通過電解槽生產(chǎn)氫氣進(jìn)行儲(chǔ)能。
這同時(shí)避免了核運(yùn)營(yíng)商通過低價(jià)尋找其他客戶銷售電力。同時(shí)，重要的是，這是一種相對(duì)容易儲(chǔ)存的產(chǎn)品。
他們和可再生能源運(yùn)營(yíng)商一樣，不僅應(yīng)該將其視為一個(gè)過剩電力的市場(chǎng)，還應(yīng)該將其看作是對(duì)電價(jià)暴跌時(shí)期的對(duì)沖。
應(yīng)該注意到，氧氣也是電解水的副產(chǎn)品，即使氫能市場(chǎng)消沉，那么也應(yīng)該注意的是，根據(jù)Future Market Insights的數(shù)據(jù)，2023年美國(guó)工業(yè)氧氣的銷售額達(dá)到近700億美元，同比增長(zhǎng)近9%。氧氣市場(chǎng)依然不容小覷。
這顯然吸引了Constellation公司在九英里角電站之外的興趣：該公司表示，它正在與代表氫氣價(jià)值鏈各個(gè)階段的公共和私營(yíng)實(shí)體合作，以發(fā)展區(qū)域氫氣生產(chǎn)和分銷中心，并承諾到2025年投資9億美元，用于利用核能進(jìn)行商業(yè)清潔氫氣生產(chǎn)。
這包括參與中西部清潔氫氣聯(lián)盟(MachH2)、東北清潔氫氣中心和大西洋中部氫氣中心，所有這些都在探索與DOE合作開發(fā)氫氣基礎(chǔ)設(shè)施的項(xiàng)目。
3、不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)
豐田使用氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)系。運(yùn)輸可能是核氫的一個(gè)關(guān)鍵市場(chǎng)。
解決可變性問題的需求，將是氫市場(chǎng)需求成倍增長(zhǎng)的主要因素。
可變性是電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商的一個(gè)主要問題，根據(jù)時(shí)間尺度有幾種解決方案。
在一到兩個(gè)小時(shí)的時(shí)間里，電池可以吸收或釋放多余的電力。
電池還有其他收入來源，因?yàn)樗鼈兊目焖夙憫?yīng)意味著它們還能夠幫助網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商保持在頻率變化的限制范圍內(nèi)。
例如，英國(guó)是建設(shè)海上風(fēng)電場(chǎng)的全球領(lǐng)導(dǎo)者，也在建設(shè)大規(guī)模太陽能。
在電池存儲(chǔ)的幫助下，兩者在很大程度上是互補(bǔ)的，英國(guó)市場(chǎng)目前有超過60 GW的短期存儲(chǔ)在運(yùn)行或計(jì)劃中，超過了典型的峰值負(fù)載。
如果用于取代燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)中的甲烷，氫氣是管理短期變化的另一種選擇。
它也有助于解決持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的可變性這一更困難的問題。
英國(guó)就是一個(gè)很好的例子。英國(guó)雄心勃勃的目標(biāo)是到2030年將主要位于北海的海上風(fēng)電容量提高到50GW。
在滿功率的時(shí)候，將滿足英國(guó)的大部分需求。但在某些年份，在最冷的冬季——1月和2月——英國(guó)和北海作為一個(gè)整體會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)兩三周的寒冷、無風(fēng)的天氣。
對(duì)于一個(gè)越來越依賴可再生能源的系統(tǒng)來說，這被稱為“風(fēng)旱”——英國(guó)不能依靠鄰國(guó)來填補(bǔ)這一缺口，因?yàn)樗鼈円矅?yán)重依賴受相同天氣條件影響的北海風(fēng)電場(chǎng)。
這就是為什么氫氣市場(chǎng)預(yù)計(jì)將快速增長(zhǎng)，也是為什么它是核運(yùn)營(yíng)商的重要市場(chǎng)。
日本原子能機(jī)構(gòu)和三菱重工將在日本茨城縣大洗町的高溫試驗(yàn)堆建立一個(gè)示范氫氣生產(chǎn)項(xiàng)目。
目前，利用核能電解生產(chǎn)的氫氣正與甲烷生產(chǎn)的氫氣進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備競(jìng)賽，只有將碳捕獲和儲(chǔ)存納入該過程，甲烷才能被描述為低碳。
核能也在與利用可再生能源電解生產(chǎn)的氫氣競(jìng)爭(zhēng)。
在這種情況下，這兩種選擇具有一些共同的技術(shù)開發(fā)目標(biāo)，例如降低電解槽的成本。
但他們對(duì)該系統(tǒng)的提供是有區(qū)別的，因?yàn)楹四苡袃蓚€(gè)額外的潛在優(yōu)勢(shì)：高溫，這允許使用更高效的電解槽;以及其大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械(以渦輪發(fā)電機(jī)的形式)，其提供了寶貴的穩(wěn)定性以將電力供應(yīng)保持在電壓和頻率限制內(nèi)。
電解使用三種技術(shù)之一：堿性法、PEM或固體氧化物電解槽(SOECs)。
堿性工藝已經(jīng)使用了一個(gè)多世紀(jì)，PEM可以在亞秒響應(yīng)時(shí)間的一系列負(fù)載下有效運(yùn)行，這使得它們與太陽能和風(fēng)能等可變能源特別兼容。
SOEC在高溫下使用陶瓷電解質(zhì)，是三種技術(shù)中商業(yè)化程度最低的，但它們的電效率高于其他兩種系統(tǒng)，并且“在有高溫?zé)崃康那闆r下，例如核電站和集中太陽能，可能更具成本效益”。
4、美國(guó)核能計(jì)劃
在啟動(dòng)了一項(xiàng)60億美元的計(jì)劃以支持現(xiàn)有核電站的持續(xù)運(yùn)營(yíng)后，DOE又啟動(dòng)了95億美元清潔氫技術(shù)投資計(jì)劃，其中包括核能的使用。這兩項(xiàng)倡議都是兩黨基礎(chǔ)設(shè)施法的一部分。
美國(guó)氫能計(jì)劃已經(jīng)成功啟動(dòng)。
美國(guó)核能部助理部長(zhǎng)凱瑟琳博士說，九英里角電站實(shí)驗(yàn)“有力地證明了我們國(guó)家現(xiàn)有的反應(yīng)堆艦隊(duì)今天可以生產(chǎn)清潔的氫氣”。
“DOE很自豪能夠支持這樣的成本分擔(dān)項(xiàng)目，以提供負(fù)擔(dān)得起的清潔氫氣。我們現(xiàn)在開始通過兩黨基礎(chǔ)設(shè)施法和通脹削減法案進(jìn)行的投資將進(jìn)一步擴(kuò)大清潔氫市場(chǎng)，為核能創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。”
Constellation公司總裁兼CEO喬·多明格斯在一份聲明中表示：“氫能將是解決氣候危機(jī)不可或缺的工具，而九英里角電站將向世界表明，核能是從無碳資源中生產(chǎn)核能的最高效、最具成本效益的方式。”
他進(jìn)一步補(bǔ)充道，“通過與DOE和其他機(jī)構(gòu)的合作，我們看到這項(xiàng)技術(shù)為仍然嚴(yán)重依賴化石燃料的行業(yè)脫碳創(chuàng)造了一條途徑，同時(shí)創(chuàng)造了清潔能源就業(yè)機(jī)會(huì)，加強(qiáng)了國(guó)內(nèi)能源安全。”
氫氣是DOE《通脹削減法案》中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，該法案包括開發(fā)和促進(jìn)清潔氫氣生產(chǎn)商業(yè)化的措施。
2021年6月7日，氫能被宣布為DOE所謂的“能源攻關(guān)”( “Energy Earthshots”)計(jì)劃中的第一個(gè)，該計(jì)劃旨在通過解決特定障礙來加快向清潔能源的轉(zhuǎn)變。
氫能計(jì)劃催化了“任何有潛力實(shí)現(xiàn)可再生能源、核能和熱轉(zhuǎn)化等目標(biāo)的氫途徑的創(chuàng)新，為全國(guó)不同地區(qū)提供了激勵(lì)”。
其主要目標(biāo)是在十年內(nèi)將清潔氫氣的成本降低80%，降至1美元/公斤，低于目前使用可再生能源電解生產(chǎn)的氫氣的約5美元/公斤。
DOE表示，“實(shí)現(xiàn)氫能計(jì)劃80%的成本降低目標(biāo)可以打開氫氣的新市場(chǎng)，包括鋼鐵制造、清潔氨、儲(chǔ)能和重型卡車運(yùn)輸”，并有可能將低碳?xì)錃馐袌?chǎng)增加500%。
5、氫能路線圖
繼氫能計(jì)劃宣布后，去年12月最終確定了美國(guó)的氫能路線圖。
在路線圖中，將氫描述為“通過長(zhǎng)期儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)可再生能源，并為清潔發(fā)電(如今天的核能)以及先進(jìn)的核能和其他創(chuàng)新技術(shù)提供靈活性和多種收入來源”。
路線圖指出，高溫電解需要與核電站等熱源進(jìn)行集成和優(yōu)化，以提高氫氣生產(chǎn)效率。
報(bào)告稱，美國(guó)目前擁有約1600英里(2575公里)的專用氫氣管道和三個(gè)地質(zhì)洞穴，其中包括世界上最大的洞穴，可儲(chǔ)存相當(dāng)于350 GWh的熱能。
它指出了將氫氣生產(chǎn)和儲(chǔ)存地點(diǎn)設(shè)在靠近客戶的地方的重要性，無論是對(duì)于氫氣還是其衍生物，如氨，它都提出了一系列目標(biāo)。
路線圖的目標(biāo)包括：
2022-2023年：1.25 MW電解槽與核能集成用于制氫(由九英里角電站項(xiàng)目滿足);
2024-2028年：至少10個(gè)氫能示范項(xiàng)目，包括核示范項(xiàng)目，以及20MW的電解核熱提取、分配和控制;
2029-2036年：美國(guó)每年生產(chǎn)1000萬噸清潔氫氣。
在討論工業(yè)規(guī)模擴(kuò)張過程中可能出現(xiàn)的挑戰(zhàn)時(shí)，核能的潛在重要作用也很明顯。特別是在2027年至2034年期間。
屆時(shí)，DOE預(yù)計(jì)，清潔電力將面臨競(jìng)爭(zhēng)。不僅存在對(duì)電解制氫的預(yù)期需求，而且預(yù)計(jì)還會(huì)出現(xiàn)其他需求領(lǐng)域。
包括直接空氣捕獲，這可能與建筑和交通的電氣化同時(shí)發(fā)展。
DOE表示，“到2030年，將需要多達(dá)200GW的額外可再生能源，通過水電解為清潔氫氣供電”，但核能可以減少這一數(shù)量。
拜登-哈里斯政府已通過DOE提供7.5億美元的資金，用于研究、開發(fā)和示范工作，以大幅降低清潔氫氣的成本。
DOE計(jì)劃通過一系列項(xiàng)目資金呼吁來分配資金，這些項(xiàng)目將持續(xù)兩到五年。第一個(gè)資助階段的申請(qǐng)截止到7月中旬。
如果該行業(yè)能夠應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，那么這一切都為低碳?xì)浜秃四艿奈磥戆l(fā)展提供了一個(gè)令人信服的理由。
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