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熱能溫度越高，其應(yīng)用場(chǎng)景就越廣泛，有些工業(yè)部門(mén)所需的熱源溫度比LWRs(輕水堆)所能提供的溫度更高。僅化工行業(yè)就有大約10萬(wàn)兆瓦的熱量需要。開(kāi)發(fā)下一代高溫反應(yīng)堆核電站的計(jì)劃就是基于這個(gè)市場(chǎng)。該計(jì)劃最終被取消，是因?yàn)閴毫逊O大地降低了天然氣開(kāi)采的成本，高溫反應(yīng)堆顯然是生不逢時(shí)。然而，如果反應(yīng)堆能夠提供高溫?zé)崃浚吞冀?jīng)濟(jì)的目標(biāo)將會(huì)使其重新煥發(fā)生機(jī)。高溫?zé)崮苓€有兩個(gè)新興市場(chǎng)：調(diào)峰電力和氫氣生產(chǎn)。

調(diào)峰電力

歷史上，核反應(yīng)堆主要用于基荷電力，這是由化石燃料的特點(diǎn)造成的。核電站具有高投資成本和低運(yùn)營(yíng)成本，而化石燃料電廠具有低投資成本和高運(yùn)營(yíng)成本。今天，這些化石燃料電廠采用燃?xì)廨啓C(jī)。風(fēng)能和太陽(yáng)能根據(jù)天氣情況向電網(wǎng)提供電力，與電力需求無(wú)關(guān)，不可調(diào)度。風(fēng)力和太陽(yáng)能的效果正在逐步顯現(xiàn)，比如加州，那里的上網(wǎng)電價(jià)已經(jīng)下降了。

在加州等地，在太陽(yáng)能和風(fēng)能產(chǎn)量高的時(shí)候，上網(wǎng)電價(jià)會(huì)快速下跌，而在其他時(shí)候則會(huì)上漲。圖1顯示了加州2012年和2017年春季一天的電價(jià)。2012年的價(jià)格是由化石燃料發(fā)電廠制定的。2017年電價(jià)則受到了太陽(yáng)能發(fā)電的影響，太陽(yáng)能發(fā)電獲得了大量補(bǔ)貼。今天，燃?xì)廨啓C(jī)提供可調(diào)度的電力，以滿(mǎn)足調(diào)峰需求。

隨著碳減排，誰(shuí)能取代燃?xì)廨啓C(jī)？

多個(gè)先進(jìn)反應(yīng)堆的開(kāi)發(fā)商提出增加儲(chǔ)熱的方案，以使基荷反應(yīng)堆能夠滿(mǎn)足調(diào)峰需求。這些反應(yīng)堆包括TerraPower/GE日立核能公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的鈉冷N(xiāo)atrium反應(yīng)堆、Moltex MSR和Kairos Power KP-FHR。在這三種情況下，儲(chǔ)熱材料是硝酸鈉鉀鹽，這與集中式太陽(yáng)能熱發(fā)電廠中使用的熔融鹽相同。反應(yīng)器不直接連接到電源塊上。相反，反應(yīng)器接收冷鹽，加熱后將其送至熱鹽儲(chǔ)罐。鹽循環(huán)是反應(yīng)器和動(dòng)力循環(huán)之間的中間循環(huán)。動(dòng)力循環(huán)接收熱鹽并產(chǎn)生蒸汽，從而產(chǎn)生電力。

反應(yīng)器的大小與平均電力需求相匹配。帶有蒸汽鍋爐和渦輪機(jī)的動(dòng)力單元的大小與峰值電力需求相匹配。峰值電力輸出與反應(yīng)堆的相對(duì)規(guī)模取決于當(dāng)?shù)氐碾娏κ袌?chǎng)。例如，根據(jù)擁有大量海上風(fēng)電的英國(guó)電網(wǎng)，Moltex反應(yīng)堆的峰值功率輸出比反應(yīng)堆輸出高三倍左右。該動(dòng)力模塊可以比核反應(yīng)堆更快地調(diào)整出力，因?yàn)檩斎雱?dòng)力循環(huán)的熱量是由熱鹽泵速度控制的，而不是反應(yīng)堆調(diào)整輸出功率。

動(dòng)力循環(huán)可以比燃?xì)廨啓C(jī)更快地響應(yīng)不斷變化的電力需求。實(shí)現(xiàn)在高電價(jià)的時(shí)候出售電力，達(dá)到收入最大化的目的。在這些帶儲(chǔ)能的電廠中有很大動(dòng)力來(lái)降低投資成本，使其低于燃?xì)廨啓C(jī)的成本。動(dòng)力單元是按照核電標(biāo)準(zhǔn)建造的，它不與反應(yīng)堆相連接。電力循環(huán)的設(shè)計(jì)是為了最大限度地降低投資成本，因?yàn)閯?dòng)力裝置的能力系數(shù)可能是30%，而反應(yīng)堆的能力系數(shù)是90%。如果有非常低價(jià)的電力，發(fā)電廠就會(huì)買(mǎi)電來(lái)加熱更多的硝酸鹽。如果高峰需求延長(zhǎng)了很長(zhǎng)一段時(shí)間，并且儲(chǔ)熱被耗盡，那么燃燒天然氣，或者是未來(lái)的氫氣或生物燃料，就能提供額外的熱量用來(lái)發(fā)電。最近的一次研討會(huì)詳細(xì)研究了核能的這種新設(shè)計(jì)。

高溫反應(yīng)堆的使用大型冷熱儲(chǔ)罐中的熔融硝酸鹽進(jìn)行儲(chǔ)熱。這種儲(chǔ)熱系統(tǒng)首先被用于聚光太陽(yáng)能熱電站，原因有二。首先，陰天時(shí)，云層遮住太陽(yáng)，電力輸出可能會(huì)波動(dòng)十幾次，儲(chǔ)能提供了恒定的熱量。第二，最近，熔融鹽儲(chǔ)熱使太陽(yáng)能發(fā)電廠在太陽(yáng)下山后仍能發(fā)電。儲(chǔ)熱的投資成本是20-30美元/千瓦時(shí)，比電池或抽水蓄能低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

同時(shí)，儲(chǔ)熱比電池或抽水蓄能更有效。美國(guó)能源信息署（EIA）報(bào)告說(shuō)，公用事業(yè)部門(mén)的電池系統(tǒng)的平均電-電效率為82%，抽水蓄能為79%。真正的公用事業(yè)儲(chǔ)電系統(tǒng)效率明顯低于一般宣傳的儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率。損失發(fā)生在多個(gè)能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中。在電池中，交流電被轉(zhuǎn)換為直流電，然后給電池充電，電池向電網(wǎng)輸電時(shí)正好相反。

所有這些能量轉(zhuǎn)換過(guò)程都有效率損耗，在一個(gè)先進(jìn)高溫核反應(yīng)堆中，硝酸鹽始終存在于中間環(huán)節(jié)。熱流不像電流那樣從反應(yīng)堆流向電力循環(huán)，在中間環(huán)路中增加儲(chǔ)熱并不涉及能量轉(zhuǎn)換及效率損失。

氫氣生產(chǎn)

第二個(gè)市場(chǎng)是制氫。現(xiàn)在每年消耗約1000萬(wàn)噸工業(yè)氫氣。隨著碳減排的推進(jìn)，未來(lái)氫氣可能會(huì)占消耗的總能源的20%以上。這個(gè)市場(chǎng)有三個(gè)部分，一是氫氣作為化工原料，沒(méi)有替代品，包括化肥生產(chǎn)和將原油煉化。未來(lái)，氫氣將可能取代煉鐵中的焦炭，替代將生物燃料轉(zhuǎn)化為汽油、柴油的轉(zhuǎn)化媒介。這些替代燃料不需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行任何改裝就可是使用。二是取代天然氣，特別是對(duì)于小型用戶(hù)來(lái)說(shuō)，帶有碳捕獲功能的化石燃料的價(jià)格過(guò)于昂貴，而電加熱的價(jià)格是天然氣的六倍左右。三是作為未來(lái)的運(yùn)輸燃料，但問(wèn)題是如何生產(chǎn)氫氣。在這個(gè)問(wèn)題上，氫氣與電力不同。氫氣的存儲(chǔ)成本很低，可以使用天然氣存儲(chǔ)設(shè)施。我們將天然氣產(chǎn)量的20%儲(chǔ)存起來(lái)，以滿(mǎn)足冬季的高峰需求。沒(méi)有必要使氫氣的生產(chǎn)與需求在每秒甚至每月的基礎(chǔ)上相匹配，因?yàn)闅錃饪梢詢(xún)?chǔ)存。

一條管道可以運(yùn)輸能量約幾十億瓦的氫氣，而輸電線(xiàn)路則僅限于幾千億瓦。然而，跨洲運(yùn)輸氫氣比天然氣更昂貴，因?yàn)闅錃獾捏w積能量密度比天然氣的小幾倍。這推動(dòng)了區(qū)域氫氣生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展。今天，我們正在逐步建立氫氣儲(chǔ)存設(shè)施和管線(xiàn)，連接煉油廠、化工廠和水力發(fā)電設(shè)施。

核能在這個(gè)市場(chǎng)上有潛在的競(jìng)爭(zhēng)力。氫氣可以通過(guò)電解水或蒸汽制取，高溫電解（HTE）是最有效的技術(shù)，核電站可以提供電力和蒸汽，這是核能提供氫氣與電解液態(tài)水的內(nèi)在優(yōu)勢(shì)。然而，氫氣工廠的電解池和壓縮機(jī)投資成本不菲。

如圖3所示，水力發(fā)電站的容量系數(shù)必須很高，以生產(chǎn)廉價(jià)的氫氣。HTE較高的效率和對(duì)高容量系數(shù)的要求為核反應(yīng)堆與制氫廠的耦合提供了經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，相比之下，風(fēng)能或太陽(yáng)能的容量系數(shù)較低。核電站的容量系數(shù)約為90%，而風(fēng)能接近40%，太陽(yáng)能則接近25%。雖然這樣的系統(tǒng)可以使用LWRs，但更高溫度的先進(jìn)反應(yīng)堆有很大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。HTE系統(tǒng)的效率隨著高溫蒸汽的增加而增加。更高的發(fā)電效率意味著每單位的氫氣必須產(chǎn)生更少的熱量。

低碳?xì)錃馍a(chǎn)的主要競(jìng)爭(zhēng)者是帶有碳捕獲和封存（CCS）的天然氣蒸汽-甲烷重整，對(duì)于化石電廠來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)昂貴的工藝，因?yàn)閺臒煔庵蟹蛛x二氧化碳的成本高昂。然而，有一些蒸汽-甲烷重整工藝可以產(chǎn)生相對(duì)純凈的二氧化碳廢氣。如果這些工廠有良好封存地，從天然氣中提取氫氣可能是經(jīng)濟(jì)的。然而，橫貫大陸的氫氣運(yùn)輸成本很高，這意味著這種氫氣可能會(huì)被限制在德克薩斯州等地，在那里成為像水電一樣的本地資源。氫氣另一個(gè)特征是，通過(guò)管道運(yùn)輸20或30千兆瓦的氫氣在經(jīng)濟(jì)上是可行的，這與天然氣管道的能源運(yùn)輸規(guī)模相同。

一條大型輸電線(xiàn)路可以運(yùn)輸1或2千兆瓦，我們可以選擇建造與煉油廠相同規(guī)模的核氫氣生產(chǎn)綜合體，這是一個(gè)新的核工廠模式。將一個(gè)模塊化的核反應(yīng)堆建在氫氣工廠旁。使用船廠的起重機(jī)將反應(yīng)堆移動(dòng)到制氫廠。這個(gè)方案將把核電廠變?yōu)楣S化運(yùn)作，該模式使得氫氣生產(chǎn)能力可以在20年內(nèi)不斷增長(zhǎng)，核能工廠替代了反應(yīng)堆。