整合能源系统：向零碳电力、工业和运输过渡

2023年5月5日，美国爱达荷国家实验室科学作家科里·哈奇(Cory Hatch)和主任研究员理查德·博德曼(Richard Boardman)在ANS《Nuclear Newswire》网上联合发文说，这个实验室的研究人员，利用核能、风能、太阳能、水能和地热等无碳排放能源发电资产，在整合清洁能源系统(IES)的研究、开发和部署中发挥了关键作用。“有IES的进步，美国正在引领世界向新的能源模式过渡，这将为电力、工业和交通运输提供一个脱碳的未来[1]。”

在INL的高温蒸汽电解(HTSE)试验设施中，研究人员正在通过一系列技术进步、经济分析和测试，推动HTSE制氢技术的发展。

1951年12月20日，研究人员利用爱达荷州阿尔科附近的第一个实验增殖反应堆(EBR-I)产生的电力点亮了四个200瓦的灯泡。从那时起，公用事业公司在美国建造的商业核电站几乎全部用于发电。这与其他发电和输电基础设施，如大型燃油和燃煤发电厂、天然气涡轮机或水力发电厂，以及旨在提供可靠电力、相对简单的电网一起配合良好。

人类正在电网、工业和交通领域展开一场史诗般而又复杂的能源变革。风能和太阳能等可再生能源为电网提供的无碳电力份额越来越大，但这种贡献是可变的，而且很难预测——这些能源生产的电力有时超过了电网的需求，有时很少。

电网用电仅占美国温室气体排放量的25%左右。另外24%来自工业，尤其是需要高温热能的工艺过程。如今，钢铁、化学制品和混凝土的生产严重依赖化石燃料产生的热能。此外，美国每天消耗约2000万桶石油，占美国排放量的近一半。在运输领域，目前的电动汽车电池技术并不适合海运、航空、陆地重型运输或采矿作业的电气化。相反，这些应用可以使用无碳氢和各种非化石碳原料生产的合成燃料。

为了满足工业、交通和电网不断发展的需求，爱达荷国家实验室(INL)的研究人员正在帮助开发一种新的解决方案：综合能源系统(IES)。这些系统直接将核电站与热能、化学和电力系统连接起来，为难以电气化的行业提供热能和电力，从而实现去碳化。

IES将核能的使用扩大到工业和运输系统，同时为支持电网提供灵活性。许多工业都需要大量热源产生蒸汽和热能，支持化学转换反应器和其他装置的运转。在某些情况下，热电联产系统可以同时支持工业厂房的热电功能。核反应堆可以全天候满足这些工艺的大部分需求，而且通过储热，还可以利用储备发电能力在需求高峰期为电网提供支持。与核反应堆相结合的制氢装置，可以快速降压，将电力重新输送到电网，而氢气储存则可确保氢气的持续供应。通常情况下，在用电高峰期出售电力的收入将覆盖储热或储氢的成本。

核IES直接将核电站与热能、化学和电力系统结合起来，实现工业脱碳。

经济有效地利用核能

INL的计算科学家丹尼尔·米克尔森(Daniel Mikkelson)说：“在我们最初建造所有这些核电站时，电力是有意义的。在电力需求稳定的情况下，它们投入运营，而且一直连续运行，这是件好事。”但是，利用传统核电站提高或降低发电量来弥补可再生能源的不稳定性，既不经济也不高效，因为反应堆在满负荷运转时运行最佳，利润更高。当发电厂不能满负荷运转时，客户和电力公司的发电成本就会增加。

米克尔森说：“我们真正开始关注这些集成技术，不仅是因为环境，还因为经济性。我们希望我们的核电站能够一直以100%的额定功率运行。”

值得庆幸的是，核反应堆并不局限于基荷电力。米克尔森接着说，“核反应堆不仅是发电机，也是热源。我们可以将大量热能用于其他工艺：海水淡化、制氢、制造合成燃料、合成氨生产、造纸、汽油精炼、钢铁、采矿作业、乙烯和乙醇等，不胜枚举。”

国家实验室的研究人员与工业界合作，帮助开发了一些用于制氢的首批核基IES。INL正在与公用事业公司合作，在美国三家核电厂安装氢气生产系统。这些系统采用低温或高温电解无碳技术，利用电能和热能将水分解成氢和氧。其中一个系统已于今年二月开始生产氢气。

制氢的历史与未来

除了用作清洁燃料外，氢还是其他有价值的储能产品的重要前体。它可用于生产化学制品、化肥和合成燃料，也可用于运输和金属制造等其他行业。

1800年，英国科学家威廉·尼科尔森(William Nicholson)和安东尼·卡莱尔(Anthony Carlisle)首次展示了电解法，通过给水电来产生氢气和氧气。1838年，研究人员首次使用氢燃料电池发电。

从20世纪60年代开始，研究人员开始吹捧氢在所谓氢经济中的潜力，即清洁氢气作为燃料、能源载体和化学前体，将占世界能源资源的很大一部分。目前，世界上大部分氢气都是利用甲烷重整和水-气转换反应器从天然气中生产出来的，这一过程会排放二氧化碳。

近年来，电解技术不断改进，其成本已接近天然气制氢的成本。如果与核电站的高温蒸汽结合使用，电解法的效率会特别高。这种工艺被称为高温蒸汽电解(HTSE)，可实现二氧化碳零排放。此外，氢气是纯净的，可立即用于合成氨生产、生物燃料、化学制品和其他市场应用。

麦卡•卡斯特尔(Micah Casteel)在INL检查商用100 kWe 高温蒸汽电解(HTSE)系统。

电解示范

一些公用事业公司已经与INL的研究人员合作，在运行中的轻水堆厂房内安装电解系统。美国首个核动力清洁制氢设施是1.25 MWe的低温电解系统，正在纽约州Constellation公司的九英里角核电厂生产氢气。另一套低温系统计划安装在俄亥俄州Energy Harbor公司的戴维·斯贝塞核电厂，一套150千瓦的HTSE系统将安装在明尼苏达州Xcel能源公司的Prairie Island核电厂。

推广小型示范项目需要对潜在的安全隐患进行评估。氢气监管研究审查小组 (H3RG)由来自INL、桑迪亚国家实验室、Entergy、Duke、Energy Harbor、Constellation和Xcel的专家组成，负责审查制氢装置与轻水堆整合设计。他们通过考察机械、安全和监管合规性来评估制氢设备设计的风险。

氢气监管研究审查小组帮助INL和工业界开发制氢系统的通用设计方法，这些方法可根据特定核电厂的需求进行修改。INL制氢与热力系统研究小组负责人泰勒·韦斯特沃(Tyler Westover)说：“这些通用的设计有可能节省大量金钱和时间。这将降低成本，使监管审查过程更加容易。”

优化热电解

20多年来，INL的研究人员通过高温蒸汽电解(HTSE)系统引领一系列的技术进步、经济分析和测试，帮助推动了氢气生产。

HTSE依靠由能传导质子或氧离子的特殊金属氧化物制成的电池堆栈。这些堆栈组合成模块，其大小可满足核电站的能量输出。

在美国能源部的支持下，INL的研究人员正在测试HTSE系统，以证明其在实际条件下的性能。目前正在进行商业系统的测试，测试规模最大可达100 kWe模块。今年夏天，研究人员计划在爱达荷州的爱达荷福尔斯安装一个250-kWe的系统，该系统很快就能为一辆新型燃料电池动力汽车提供氢气，这辆汽车是每天安全运送1600多名INL员工前往工作地点的85辆汽车中的一辆。

INL高级机械设计工程师麦卡·卡斯特尔(Micah Casteel)说：“我们可以在一个地方全天运行一个电解系统，压缩氢气，几分钟内就能充满一辆大客车。”他接着说，“如果与低温系统相比，它的效率非常高，因为氢气的大部分成本都与能量输入有关，因此只要用廉价的热能来补充效率更高的电解槽，就能制造出相对廉价的氢气。”

HTSE可以同时利用核电厂的热量和电力，通常在先进堆的背景下进行讨论，运行温度为500°C至850°C。“但它也非常适合低温电解反应堆。你可以利用低温热源为高温电解提供动力。”米克尔森说，“由于工艺在750°C下运行，排气预热恰好能把进气预热到合适的温度。”

卡斯特尔赞成这个观点，“只需将系统升温一次，通过热交换器、电解槽内的少量自然电阻加热以及良好的绝缘性，我们可以在不提供高温蒸汽的情况下高效地运行这个系统。”

热输送

在INL，米克尔森和他的同事正在利用热能输送系统 (TEDS) 解决 IES 所涉及的高温挑战。该系统采用电加热方式，代表核反应堆或其他热力发电系统提供的热量。然后，它将热量传输到储热罐，再输送到用于发电、储能和其他工业终端用途的连接系统。

TEDS是能源传输与集成动态实验室(DETAIL)的一部分，该实验室包括灵活微堆非核实验装置测试台(MAGNET)，这是一个250 kWe的实验台，支持各种微堆概念的测试。通过TEDS，DETAIL系统可以为IES提供高达450 kWe的总能量输入。DETAIL还可将这些系统连接到位于INL的固体-氧化物电解槽示范装置。

MAGNET在高温下运行，使用气体将热能从微堆模拟器传递到热交换器，热交换器将系统与TEDS连接起来。然后，TEDS使用Therminol-66(一种具有良好热性能的液体)将回路中的热能转移到储罐中。TEDS 本质上是一个中间环路，可进行热量传递，同时确保核系统与最终能源用户隔离。还安装了第二个热交换器，将中间环路与HTSE系统连接起来。研究人员计划将MAGNET和TEDS集成到DETAIL的制氢系统中。

无论是电解用热、钢铁生产用热，还是区域供热，TEDS都能帮助研究IES所面临的一些最大挑战：隔离核子系统和非核子系统，并以最小的热损失储热。该系统有助于根据能源用户的具体需求动态分配能源。

米克尔森说，“我们正在研究有效储存核能产生热能的不同方法，以及利用这些热能生产氢气的可能性。现有的轻水堆为脱碳制氢提供了短期选择。我们还在研究先进堆。TEDS为我们初步展示了这些技术如何协同工作。接下来，我们还可以继续讨论监管、安全、经济等问题。”

电池储能

IES的另一个关键组成部分是电力存储。INL储能与电力运输部门经理埃里克·杜菲克(Eric Dufek)说：“从某种程度上讲，核能和储能有一定的竞争关系，但它们也是相辅相成的。”

固定式电池可为IES提供灵活性，以适应快速变化的电力需求。这种灵活性在运输方面尤为重要。目前，轻型电动汽车在道路上行驶的汽车中所占比例很小，在美国用电量中所占比例也很小，但专家预计，电动汽车的市场份额将迅速增长，到2030年有可能达到新车销量的60%。电动汽车充电和加氢需求可能无法预测，或者集中在一天中的某些时段，比如上下班高峰时段。固定电池可在需求低时储存多余电力，在需求高时释放电力，从而减轻负担。

为了达到实现这些目标所需的电池性能和成本，杜菲克和他的同事们正在争分夺秒地实现能源部的“长效储能目标”，即在十年内将电网级储能系统的成本从 2020年的基线降低90%。

作为这项工作的一部分，INL的研究人员正致力于以比以往更快的速度证明新电池技术的性能。杜菲克说：“我们专注于验证新存储技术的15年寿命，希望能达到20年。我们希望在一年内完成验证过程。现在，这通常需要5到10年的时间。”

杜菲克和他的同事们正在使用快速运转验证计划(ROVI)，这是一种数据驱动、以物理学为基础的方法，利用机器学习和先进的测试程序来识别电池故障的机制。杜菲克说，“如果没有ROVI在电池验证方面取得的进步，就不可能实现储能时程(storage shot)[2]。它非常适合国家实验室，因为人们需要能够快速部署新技术，以实现净零碳排放。”

整合多元技术

将微堆、电解系统、固定电池和热传输系统等不同的技术结合在一起，是IES面临的最大挑战之一。如果考虑到商业模式和经济因素，情况就会变得更加复杂。例如，核电站和电解系统可能有不同的所有者。如何平衡电网发电和制氢，以优化双方的收益?网络安全如何?如何确保系统安全?

INL工程师亚伦·埃皮尼(Aaron Epiney)和他的同事利用建模和模拟来回答这些问题。这些模型将作为控制IES操作系统的基础。

资源与经济优化框架(FORCE)是INL、橡树岭国家实验室和阿贡国家实验室之间的一个合作项目，旨在对IES的技术和经济潜力进行建模。它可以结合各种核反应堆类型、可再生技术和能源用户，利用先进的控制方法优化性能。

FORCE中的一个工具有助于解决技术和经济难题。埃皮尼说，“首先，该工具可以回答‘我们如何将综合能源系统的不同部分进行物理整合?’例如，哪种核反应堆技术适合在既定的温度下运行?”FORCE可以利用该系统，模拟它在一段时间内的运行情况。它能否有效地负荷跟踪?系统的技术和控制方面能否配合默契?

FORCE的另一个组成部分是能源资源整体优化网络工具，该工具可优化能源系统的经济性，回答有关耦合工业厂房的最佳规模以及需要多少储能设备才能在特定部署地点和能源市场中实现利润最大化等问题。

FORCE中的另一个工具是实时容量分配优化，该工具可根据实时市场信息做出实时决策，从而在系统规模和建设完成后为系统运行提供支持。埃皮尼说，“它先查看价格预测，然后决定系统下一步该怎么做。它应该发电吗?它应该储存能量吗?还是应该制氢?”

有朝一日，优化工具可以将数字孪生和机器学习结合起来，监控市场并自动做出决策。埃皮尼说，“所有这些建模都有助于工厂业主增加收入，同时保持消费者的经济承受能力。它告诉你如何应对市场。”

另一个工具则会将所有这些决定与物理模型进行核对，以确保所建议的操作不会导致系统过度磨损。它还有助于优化IES的短期和长期维护计划。

这些建模工具最终可使系统实现半自动运行。埃皮尼说，“该工具重点关注技术和经济方面的挑战，帮助我们从集成系统中获取数据，做出预测，然后在操作员的屏幕上提出建议，总有一天，它会让电脑自主运行，但那是遥远的未来。”

已有公司有意使用FORCE评估各类系统。埃皮尼说，“一种系统评估可以假设利用核能和现有可再生资源生产合成燃料或肥料。对这种配置感兴趣的公司可以使用这些模拟结果来评估这类系统如何在其所在地区以及现有或计划中的资产中发挥作用。或许他们需要水，他们即可研究海水淡化和制氢，同时还能支持电网需求。目前正与多家公用事业公司和行业合作伙伴进行此类分析，其中一些公司和合作伙伴对核能所能提供的潜在效益很感兴趣。”

据埃皮尼说，先进堆的开发商“开始考虑各种应用和客户，正在用这套工具进行初步的技术经济评估”。

综合能源与净零排放

INL研究人员计划展示IES，作为INL园区到2031年实现净零碳排放目标的一部分。

其中一项提案获得了广泛关注，该提案将在INL园区内整合微堆、微电网、储能和制氢。该系统产生的电力和氢气将为INL的建筑和车辆提供动力。这些氢气还可用于示范有价值的化学制品的生产，或者输送给当地的氢气用户。

INL希望成功证明，核电IES是一种可实现的消除碳排放的实用方法。，INL 动力与能源系统部经理康宁(Ning Kang)说，“能源部希望到2035年实现电网温室气体净零排放，到2050年在全国范围内实现这一目标。在INL成功展示综合能源系统，将有助于我们实现这一目标。”

她接着说，“此外，部分由核能驱动的IES可为电网、工业和交通提供急需的恢复能力。我们从IPCC(政府间气候变化专门委员会)的最新报告中了解到，气候变化正在导致更频繁、更强烈的天气事件，从而对电网造成影响。由于核电站的建造能够抵御极端天气事件，因此其抗灾能力自然而然地得到了提高。”

核能对净零排放的贡献不仅限于电网。康宁说，“通过这些IES，我们正在帮助广泛的工业应用实现脱碳，包括制氢、水泥和钢铁生产等，这也包括合成燃料——如果我们能使用无碳氢作为组成部分，合成燃料在实现交通领域的去碳化方面大有可为。”

归根结底，实验室工作人员在研究、开发和部署综合清洁能源系统方面发挥着举足轻重的作用，这些系统可利用核能、风能、太阳能、水能和地热能等无排放能源发电资产。INL综合能源与存储系统部主任香农·布拉格·西顿(Shannon Bragg-Sitton)说，“凭借在综合能源战略方面取得的这些进步，美国正在引领世界向新能源模式转型，这将为电力、工业和交通提供一个去碳化的未来。”

香农·布拉格·西顿说，“最终，实验室工作人员在综合清洁能源系统的研究、开发和部署中，利用核能、风能、太阳能、水能和地热等无碳排放能源发电资产，发挥了关键作用。有IES的这些进步，美国正在引领世界向新的能源模式过渡，这将为电力、工业和交通运输提供一个脱碳的未来。”

见解与思考

1. 能源脱碳与转型势在必行。自《京都议定书》与《巴黎协定》生效以来，世界各国都在认真考虑、仔细研究，特别是美国。2022年8月，美国《通胀削减法案》签署立法，将提供高达3690亿美元补贴，以支持电动汽车、关键矿物、清洁能源及发电设施的生产和投资。许多国家和地区纷纷走向能源转型路径，并相继宣布减排、脱碳、净零的目标承诺。近年来，我国各地区、各有关部门也围绕能源绿色低碳发展制定了一系列政策措施，推动清洁能源开发利用取得了明显成效，但现有体制机制、政策体系等仍面临一些困难与挑战。2022年1月30日，国家发展改革委与国家能源局印发《关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》(以下简称《意见》)。根据《意见》，到2030年，基本建立完整的能源绿色低碳发展基本制度和政策体系，形成非化石能源既基本满足能源需求增量又规模化替代化石能源存量、能源安全保障能力得到全面增强的能源生产消费格局[3]。

2. 作为公认的“稳定电源”，核电发电稳定可靠，同时清洁低碳的优势明显。中国作为有核国家，正在大批量建设轻水堆型核电厂，并着手建设小型模块式反应堆和先进堆核电厂。商业化进程最快的小堆技术是已经积累数十年运行和监管经验的轻水堆设计。2021年7月13日在海南昌江开工建造的玲珑一号，是在中核集团华龙一号(ACP1000)基础上进行开发研制，具有自主知识产权的多功能模块化小型压水堆型。它也是全球首个陆上商用模块化小型压水堆。建成后每台机组年发电量可达10亿度。

图片来源：能源杂志

3. 中国的核电站大多建在经济发达的东部沿海地区，而且全部是轻水堆核电堆群。如此布局有利亦有弊，当这些地区的新能源发展到一定程度就会出现矛盾，某些核电机组可能要“趴窝”。当然，从经济、安全、环境等角度综合考量，将核电站建在沿海地区都是明智之举，东部沿海靠近主要的电力消费市场，输电距离短，输电成本也相对比较低。同时，核电站选在水源丰富的地方，也是为了便于取水解决散热问题。

4. 核能发展必须大力转型：先进堆、SMR是方向。为了实现美国的净零排放目标，美国能源部(DOE)预计需要额外增加约5.5～7.7 亿千瓦的清洁能源装机容量。DOE估计，对大型和小型模块化反应堆(SMR)等新建核电厂的需求将达到2亿千瓦或更多。先进堆系统，如小型模块化反应堆(SMR)和先进模块化反应堆(AMR)，具有适应各种环境部署的良好能力，加之全世界实现气候目标的压力，使先进堆成为理想的能源解决方案。

5. 2022年3月，《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》正式发布，氢能将成为我国能源的重要组成部分。中国目前急需开展低温制氢研究，这篇文章中，美国的研究具有现实、借鉴意义。相较于使用高压气瓶运输氢，低温液氢在储运方面具有效率高、成本低等优势。要破解供氢成本居高不下这一难题，必须大力发展低温液氢储运技术[4]。

6. 除了发电，核能综合利用发展日益得到业内重视。中国现有的核电机组只适合发展低温供热、低温制氢和海水淡化。预计2030年中国核能供暖面积将达到1.5亿平米左右;2060年，考虑到多用途小堆及内陆地区核电发展，中国核能供暖面积有望达到15亿平米;根据在建和已规划核能海淡项目测算，预计2025年中国核能海水淡化规模将达到21万吨/日;到2030年，将达到40万吨/日[5]。

参考资料与注释

[1] Cory Hatch and Richard Boardman，Integrated energy systems: Transitioning to carbon-­free electricity, industry, and transportation，ANS Nuclear Newswire，May 5, 2023.

[2] storage shot，储能时程，或称储能的时间范围。

[3] 相关部门出台意见完善体制机制和政策措施 推进能源绿色低碳转型，人民日报，2022-02-11。

[4] 赵欣婕，供氢成本居高不下，气体工业协会呼吁——大力发展低温液氢储运技术，中国化工报，2023-09-15。

[5] 戴晶晶，供暖、供汽、制氢，国内核能综合利用势头渐起，界面新闻，2023-04-27。