揭秘粉色燃料背后的核能奥秘

揭秘粉色燃料背后的核能奥秘

粉色燃料，即通过核能电解水制氢的燃料，也被称为“紫氢”或“红氢”，是氢能发展路径中的重要类型。它不仅有助于减少碳排放，还能推动航运业的绿色发展。这种燃料的生产过程利用了核能的高效性和稳定性，使得氢气的制备更为环保和经济。随着全球对清洁能源需求的不断增加，粉色燃料有望在未来发挥重要作用，成为实现低碳目标的重要途径之一。

电解水制氢的原理非常简单，就是水在电解槽中发生电解反应，产生氢气和氧气，采用的化学方程式为2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g)。在电解水制氢的过程中，水分子在电解质的作用下被分解成氢离子和氧离子，然后这些离子会沿着电场方向移动，并到达两个电极。而在这些电极的表面上，氢离子得到电子，然后与另一个氢离子结合形成氢气，同时氧离子失去电子，结合形成氧气。

电解水制氢的操作步骤主要是：第一步，准备电解槽，将两个电极分别插入水中，保持适当间距，通电后水开始分解。第二步，选择合适电极，通常是一种不容易被氧化的材料，例如铂或钨。第三步，选用合适电流，通电后应选择合适的电流实现水的电解，电流的大小取决于反应条件和电极的大小。第四步，产气收集，当电极的电流通过水时，氢气和氧气分别分解，并聚集在相应电极周围，可以用一个导管或管道将产生的氢气收集起来。第五步，分离氢气，氢气可以通过压缩或直接与空气相接触来分离收集。

同时，在电解水制氢的反应过程中，需要输入一定的能量，电解质就必不可少了。一般情况下，常用的电解质基本是氢氧化钠或氢氧化钾，能够增加水的电导率，使得电子流更容易地通过水中的离子。

核能是清洁的一次能源，核电已经成为世界电力生产的主要方式之一。正在研发的第四代核能系统除了要使核电生产更经济和更安全之外，还要为实现核能在发电之外的领域的应用开辟途径。核能制氢就是以来源丰富的水为原料，利用热和/或电实现氢的大规模生产。热化学循环制氢技术可利用高温堆工艺热实现水分解制氢，世界上的许多国家，如美国、日本、法国、加拿大都在大力开展核能制氢技术的研发工作。

中国正在积极发展核电，在大力开展核电站的建设的同时，也非常重视核氢技术的发展。高温气冷堆能够提供高温工艺热，是最适合用于制氢的反应堆堆型。清华大学核能与新能源技术研究院(INET)在国家“863”计划支持下，于2001年建成了10MW高温气冷实验反应堆(HTR-10)，2003年达到满功率运行。2008年高温气冷堆示范电站列入国家科技重大专项，核能制氢技术研究作为专项的前瞻性研究课题得到支持。2023年12月国家科技重大专项高温气冷堆示范电站已投入商运，核能制氢技术完成了工艺、耦合安全以及关键设备的研究，已具备开展中试关键技术研究和示范的条件。

高温堆热化学循环技术研究的关键进展：
（1）2009年建成碘硫循环原理验证性台架
（2）2014年建成碘硫循环集成实验室规模台架，实现循环闭合与连续运行
（3）2016年完成全流程模拟软件开发
（4）2022年完成核能制氢安全特性研究
（5）2023年完成关键设备样机（硫酸分解器、氢碘酸分解器、SO2去极化电解器）研制
2024年起将启动高温堆热化学循环制氢中试研发与示范，预期2027年前后启动商业规模示范工作。

传统炼化企业依赖化石燃料制氢，存在碳排放问题。新能源电力虽发展迅速，但波动性大。为解决这些问题，可将新能源电力与传统炼化企业氢网络结合。通过电解水制氢技术，将富余的新能源电力转化为氢气供炼化企业使用，降低碳排放强度。但实现这一目标仍面临诸多挑战。

中国工业领域碳排放占全国总量的68%，其中电力、钢铁、水泥等行业是主要排放源。近年来，工业部门碳排放占比已从2009年的47%降至2021年的35%。尽管如此，与全球平均水平相比，中国工业部门碳排放强度仍偏高，电力和工业部门碳排放占比分别为51%和35%，高于全球40%和30%的平均水平。这表明中国在能源结构转型和工业绿色升级方面仍面临较大挑战。

粉色燃料作为一种清洁、可持续的能源选择，有望在未来的能源转型中发挥重要作用。它不仅能够减少对化石燃料的依赖，还能促进清洁能源的广泛应用，助力实现碳中和目标。随着技术进步和成本下降，粉色燃料有望成为推动全球能源转型的重要力量。