摘要
利用核电厂在电力富裕时电解水获取氢气，在用电高峰时，由氢燃料电池发电，可以提高核电参与电网调峰的能力。对比现有氢气获取方法，碱性电解水制氢技术安全可靠、经济性能好，适应用于核电大规模氢能项目。本文详细介绍了现有碱性电解水制氢系统主要组成部分，核算了采用碱性电解水制氢系统进行核电制氢的成本预估，结果表明，一套1000m3/h的碱性电解水制氢设备需一次性投入877万元，投资回报年限为1.8年；若自行购置氢气压缩机则需投资1277万元，投资回报年限为2.58年；系统年运行费用为204.5万，回本后年利润为495.5万元。
一 引言
氢是一种清洁能源，与电力相比，更容易储存和输送，可以用于所有一次能源和电力生产的能源载体[1]。
氢能作为一种二次能源，需要利用一次能源来生产，以可持续的方式实现氢的大规模生产是实现氢利用的前提[2]。点击加入氢燃料电池产业交流群及通讯录目前，核电已经成为世界电力供应的重要方式，电网对核电参与调峰的需求随着核电机组发电量的增加而增加，利用核电厂低负荷制氢，在电力富裕时电解水获取氢气，在用电高峰时，由氢燃料电池发电，有助于核能的可持续发展，可以为核能在电力生产以外领域的应用开辟道路。
利用核能制氢对于我国实现碳中和具有重要意义。现有核能制氢技术主要分为甲烷蒸汽重整制氢、高温蒸汽电解制氢、热化学循环制氢、碘硫循环制氢与常规电解水制氢[3]。相比于电解水制氢，其它制氢方法需要输入大量热量，反应多需要在800℃以上高温环境中进行，制氢过程通常需在核反应堆内进行，相关技术多处于试验阶段，存在一定的安全隐患。电解水制氢技术则更为成熟，在大量廉价电力供应的情况下具有经济优势和技术优势，可以满足核电大规模应用的场景。
二 电解水制氢
(1) 氢气获取方法
如表1所示，目前常见的制氢方法主要分为化石能源制氢、电解水制氢、工业副产氢、生物质制氢以及光催化制氢[4]。工业中，水蒸汽通过灼热的焦炭得到氢气可以获得纯度为75%的氢气；水蒸气通过灼热的铁可以获得纯度为97%的氢气；相比而言，电解水制氢可以获得纯度相对较高的氢气，纯度可以达到99%以上。
因此，采用核电低谷电制氢，不仅可以获得高纯度氢气，还可以提高电网调峰能力，有助于提高电网运行的经济效益。
(2) 电解制氢方法
电解水制氢采用直流电把水分解为氢气和氧气[5]。具体的方法是：在一些电解质水溶液中通入直流电时，被分解的是作为溶剂的水，普通纯水为典型的弱电解质，具有电离度小，导电能力弱的特点，需要加入类似于氢氧化钠、硫酸、氢氧化钾等电解质以提高溶液导电能力。
现有电解水制氢技术按照电解槽种类可以分为：固体氧化物电解水技术、质子交换膜技术和碱性电解水制氢技术[6]。点击加入氢燃料电池产业交流群及通讯录在工业应用中，质子交换膜技术和固体氧化物技术存在电解槽造价高、经济性差的缺点。相比之下，碱性电解水制氢技术的电解槽结构简单、技术成熟、价格普遍较低，其应用更为广泛。另外，该技术获取氢气也存在便于维护、使用寿命长、经济效益好的优点，比较适合应用于核电站大规模氢能项目[7]。
(3) 电解制氢设备组成
相比于利用核反应堆高温余热进行制氢的方法，电解水制氢系统可以用厂用电变压器接出一路直接进行电解水制氢，可在核岛外专门搭建电解水制氢的车间。制氢设备组成为：主体设备，辅助设备及电控设备。主体设备组成：电解槽，附属设备一体化框架。辅助设备组成：水箱，碱箱，补水泵及减压分配框架等。电控设备组成：整流柜，配电柜等[8]。
电解液循环系统：连通管收集得到氢氧分离器分离出的碱液，在循环泵加压的作用下，碱液过滤器去除溶液中的杂质，后经电解槽来参与下一次电解反应，形成闭环系统。洗涤器中洗出的碱液可由溢流管返回气液分离器。
氢、氧气体系统：从电解槽出来的氢气碱液混合体经换热器降温，进入氢分离器后，在重力作用下进行气液分离，氢气由上层管道进入氢洗涤器，经洗涤器冷却、洗涤以及捕滴网捕滴，最大限度减少气体中的含碱量和含水量，最终经薄膜调节阀放空或进入纯化装置。氧气处理过程与上述过程相同。
碱水补给系统：随着制氢设备的运行，系统内的水不断消耗并体现在氢氧分离器的液位不断下降，当液位低于系统设定值时，系统内的加水泵就会自动启动，将水箱中的水注入氢（氧）洗涤器并溢流至分离器中，当分离器液位上涨至设定上限时，加水泵自动停止工作；当碱液的浓度下降时，也可以将碱箱中少量碱液直接打入电解液循环系统。
冷却水系统：冷却水经冷却水总管道分两路进入系统，一路冷却水经气动薄膜调节阀进入碱液换热器，带走其热量，通过不断调节薄膜阀开度，保证电解槽的温度始终维持在85℃左右；另一路冷却水进入氢、氧洗涤器中，来冷却产生的氢气和氧气，确保出口气体的温度在40℃以下。
三 电解水制氢成本核算
目前市场上较大的单台制氢设备的能力为1000m3/h，产氢量为1200m3/h与1500m3/h的设备尚未大规模量产。以建造一台1000m3/h电解水制氢系统为例，按照系统年运行时间为2000h计算，年产氢量为200万Nm3，制氢系统投资为850万元，因为电解槽用碱属于危险品，需要自行购置，一次性用碱7t，平时补充碱量较少。建设一台电解水制氢厂房为20万元，设备年用电量为1018万千瓦时，按照低谷电价为0.17元/千瓦时计算，系统电耗成本为174万元/年。系统每年可生产氢气200万Nm3，每年可生产氧气100万Nm3，含纯化设备，可以获得99.999%的高纯氢，制氢需要采用纯水，每小时消耗纯水1t，2t自来水可制的1t纯水，按照水费为3.6元/吨计算，年用水成本1.5万元。根据设备使用寿命20年计算，年折旧成本为43.85万元，年维修成本为5万元。由于设备便于维护，可以配备2人专门简化，年人工成本为24万元。出口氢气压力为1.6MPa，单台制氢设备不包括氢气压缩机、加压站等的成本。一台20MPa氢气压缩机需要200万元，共需两台，一台工作，一台预备。电解水制氢系统收入与成本分析如表2，单台1000m3/h碱性电解水制氢设备需一次性投入877万元，系统年运行费用为204.5万，电费成本占比达到85%，回本后年利润为495.5万元，投资回报年限为1.8年；若自行购置氢气压缩机则需投资1277万元，投资回报年限为2.58年。
一般电解槽出来的氢气是99.9%的纯度，经过纯化设备后可以达到99.999%高纯氢的要求，能够满足加氢站对氢气的要求。1kg氢气体积为11.2m3，市场售价在40～60元，售价在3.57元/m3～5.36元/m3之间。电解水制氢设备通过纯化设备后得到氢为高纯氢，售价较高，罐装后的价格为35元/瓶，每瓶5m3，售价为7元/m3，出厂价为3.5～4元/m3。目前电解水制氢获得的氧气都是直接排掉，主要存在两方面考虑：（1）市场上的氧气大多通过空气分离获得，生产成本低，氧气压缩机价格高昂，收集成本较高，氧气售价低，经济性差；（2）氢气跟氧气同时生产、罐装存在很大的安全隐患，一般不会通过安全部门的审核。
四 结果
根据核算结果，建立一套1000m3/h碱性电解水制氢设备需一次性投入877万元，投资回报年限为1.8年；若自行购置氢气压缩机则需投资1277万元，投资回报年限为2.58年；系统年运行费用为204.5万元，电费成本占比达到85%,回本后年利润为495.5万元。当电价在0.3元/千瓦时以下时，碱性电解水制氢存在利润。另外还要考虑储存、运输等环节对制氢价格的影响，输运成本占总成本的30%，制取的氢气可以考虑管道短途运输，输送到50～100公里内的居民用户或者化工厂就近消纳。
