2025年中國核能制氫行業(yè)技術(shù)路徑、相關(guān)政策、市場現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研判：大力開展核能制氫技術(shù)的研發(fā)工作[圖]

內(nèi)容概要：核能制氫就是利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱作為制氫的能源，通過選擇合適的工藝，實現(xiàn)高效、大規(guī)模的制氫；同時減少甚至消除溫室氣體的排放?，F(xiàn)階段，利用核能發(fā)電與電解水耦合制氫是一種具有規(guī)模化應(yīng)用潛力的核能制氫技術(shù)，而以水為原料與利用核反應(yīng)熱的甲烷蒸汽重整、高溫蒸汽電解和熱化學(xué)循環(huán)則是代表未來發(fā)展方向的核能制氫技術(shù)。放眼全球，隨著新一代核堆型的成熟與氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，美日英中等核電大國均已啟動本國的核能制氫工程。美國市場，早在2004年，美國能源部（DOE）就啟動了核能制氫研究工作。通過與電力企業(yè)合作，對在九英里峰核電廠在內(nèi)的4個核電廠生產(chǎn)清潔氫的示范項目提供支持。其中，九英里角核電站中的一座1250千瓦低溫電解制氫設(shè)施（質(zhì)子交換膜電解槽）已于2023年3月啟動運行，每天可生產(chǎn)560千克氫氣。日本市場，日本原子力研究機構(gòu)自1998年建成運行熱功率30MWe的高溫氣冷試驗堆，成功實現(xiàn)在850℃下穩(wěn)定運行。2004年冷卻劑出口溫度達到950℃并成功完成了連續(xù)一周制氫試驗運行。2019年，該堆連續(xù)運行150個小時，示范了熱化學(xué)碘硫循環(huán)制氫工藝。中國市場，中國核能制氫項目起步于“十一五”，研究了當初的主流工藝熱化學(xué)循環(huán)和高溫蒸汽電解制氫，并進行了初步運行試驗。在“十二五”期間，設(shè)立了國家科技重大專項“先進壓水堆與高溫氣冷堆核電站”，目的是掌握碘硫循環(huán)和高溫蒸汽電解的工藝關(guān)鍵技術(shù)。近年來，以中核集團為代表的企業(yè)積極布局核能制氫領(lǐng)域，2024年12月，田灣核電PEM核能制氫示范項目成套系統(tǒng)成功完成啟動試運行，制備氫氣濃度經(jīng)純化后達到99.999%，滿足設(shè)計要求。全球核能制氫市場規(guī)模進一步擴大，2024年市場規(guī)模超4.5億美元。

上市企業(yè)：中國廣核（003816）、東華能源（002221）、中國核電（601985）、國富氫能(02582)、國鴻氫能(09663)、陽光電源（300274）

相關(guān)企業(yè)：中國核工業(yè)集團有限公司、中國廣核集團有限公司、東華能源股份有限公司、中國華能集團有限公司、江蘇國富氫能技術(shù)裝備股份有限公司、國鴻氫能科技（嘉興）股份有限公司、陽光電源股份有限公司、北京京城機電股份有限公司、昇輝智能科技股份有限公司、中集安瑞科控股有限公司、四川蜀道裝備科技股份有限公司、上海氫楓能源技術(shù)有限公司

關(guān)鍵詞：核能制氫、氫氣、核能

一、核能制氫行業(yè)相關(guān)概述

核能制氫就是利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱作為制氫的能源，通過選擇合適的工藝，實現(xiàn)高效、大規(guī)模的制氫；同時減少甚至消除溫室氣體的排放。核能到氫能的轉(zhuǎn)化途徑較多，包括以水為原料經(jīng)電解、熱化學(xué)循環(huán)、高溫蒸汽電解制氫，以硫化氫為原料裂解制氫，以天然氣、煤、生物質(zhì)為原料的熱解制氫等。以水為原料時，整個制氫工藝過程都不產(chǎn)生CO2，基本可以消除溫室氣體排放；以其他原料制氫時，只能減少碳排放。

核能制氫具備以下發(fā)展優(yōu)勢：（1）氫能源本身優(yōu)勢：氫氣作為新興零碳的清潔能源，燃燒性能好，熱值高，運輸能耗低，并且可以通過燃料電池將其轉(zhuǎn)化為電能，然后在高峰期作為電能出售，或者作為化學(xué)燃料直接出售，擁有豐富的應(yīng)用場景。（2）可有效承接核能棄電棄熱、提升核能利用率：核電站開啟后關(guān)停成本極高，用電端的波峰波谷使得在波谷無法消納和存儲。核能棄電制氫能夠為核產(chǎn)業(yè)提供額外產(chǎn)出，利于維持正在老化的反應(yīng)堆的服役狀態(tài)，避免核設(shè)施的廢棄，實現(xiàn)核電生產(chǎn)與需求曲線匹配，提高核能利用率和競爭力。（3）可提升制氫效率、降低制氫成本：全球95%工業(yè)氫采用蒸汽甲烷重整工藝（SMR），成本低但生成額外的二氧化碳。采用核能進行甲烷熱分解（TDM）制氫，過程中產(chǎn)生的碳是純固體碳或炭黑，易捕捉，熱解所需高溫可由核電廠直接提供。這種方式能量需求極低，比常規(guī)水電解低8倍，而產(chǎn)生的氫能比常規(guī)電解水高出幾倍。

相關(guān)報告：智研咨詢發(fā)布的《中國核能制氫行業(yè)市場發(fā)展態(tài)勢及產(chǎn)業(yè)需求研判報告》

二、核能制氫行業(yè)主流技術(shù)

現(xiàn)階段，利用核能發(fā)電與電解水耦合制氫是一種具有規(guī)?；瘧?yīng)用潛力的核能制氫技術(shù)，而以水為原料與利用核反應(yīng)熱的甲烷蒸汽重整、高溫蒸汽電解和熱化學(xué)循環(huán)則是代表未來發(fā)展方向的核能制氫技術(shù)。（1）甲烷蒸汽重整。甲烷蒸汽重整是目前工業(yè)領(lǐng)域主要的制氫技術(shù)，該技術(shù)通常以天然氣為原料，成本低廉，規(guī)模大，但產(chǎn)生大量的溫室氣體。此反應(yīng)在催化劑條件下進行，反應(yīng)溫度區(qū)間為500~950℃,天然氣與水蒸氣在高溫下反應(yīng)轉(zhuǎn)化為H2和CO2。制取的混合氣體中，氫氣體積分數(shù)最高可達74%。甲烷蒸汽重整是一個吸熱反應(yīng)，需要輸入大量熱量。在甲烷蒸汽重整技術(shù)中，一部分甲烷作為原料生成H2，一部分甲烷作為燃料燃燒為反應(yīng)提供能量。因此，反應(yīng)需要消耗大量天然氣并生成大量CO2。核能耦合甲烷蒸汽重整技術(shù)利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量為重整反應(yīng)提供熱源，可以顯著減少甲烷蒸汽重整所需要的天然氣和CO2的排放。（2）核能耦合高溫蒸汽電解制氫。高溫蒸汽電解是基于固體氧化物電解過程實現(xiàn)，在800℃高溫下，產(chǎn)生單位體積氫氣的耗電量為3kW·h/m3。當反應(yīng)溫度進一步升高時，耗電量會進一步下降。高溫蒸汽電解過程為固體氧化物燃料電池的逆過程。由于核反應(yīng)堆提供大量反應(yīng)需要的熱量，高溫蒸汽電解的效率高于常規(guī)電解水。核能耦合高溫蒸汽電解技術(shù)利用核反應(yīng)堆給電解系統(tǒng)提供熱源或蒸汽，電解的電能消耗可以顯著降低。此技術(shù)在熱力學(xué)上需要的電能減少，可以改善電解池的動力學(xué)，同時電解池中電極表面反應(yīng)的活化能能壘降低，可以提高反應(yīng)效率。（3）核能耦合熱化學(xué)循環(huán)制氫。熱化學(xué)循環(huán)將兩個或多個熱驅(qū)動的化學(xué)反應(yīng)互相耦合，組成一個閉合循環(huán)，所有試劑循環(huán)使用，單個化學(xué)反應(yīng)的所需溫度降低。熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)的所需溫度是800~900℃。核能耦合熱化學(xué)循環(huán)技術(shù)利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量作為反應(yīng)熱源，可以降低反應(yīng)的效率損失，實現(xiàn)核能耦合熱化學(xué)循環(huán)的高效轉(zhuǎn)化。

三、核能制氫行業(yè)發(fā)展背景

在全球能源結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化的今天，新能源產(chǎn)業(yè)正以前所未有的速度蓬勃發(fā)展。太陽能、風能等可再生能源的應(yīng)用日益廣泛。而作為新能源產(chǎn)業(yè)中的重要分支，氫能因零排放、能源效率高等特性，被視為“終極能源”之一。當下，氫能以其獨特的優(yōu)勢和巨大的潛力，正逐步成為推動能源轉(zhuǎn)型的重要力量。氫能不僅具備清潔、高效、可再生的特點，還能廣泛應(yīng)用于交通、工業(yè)、建筑等多個領(lǐng)域，為實現(xiàn)碳中和目標提供了重要路徑。近年來，我國氣產(chǎn)量逐年持續(xù)增長，數(shù)據(jù)顯示，2023年我國氫氣產(chǎn)量3500萬噸，2024年氫氣產(chǎn)量增至3695萬噸，中國穩(wěn)居全球第一產(chǎn)氫國地位。

從氫氣生產(chǎn)方式來看，煤制氫、天然氣制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫仍是我國氫氣供應(yīng)的主要來源，產(chǎn)量占比超98%，電解水制氫穩(wěn)定發(fā)展。煤制氫是現(xiàn)階段我國技術(shù)成熟度最高、應(yīng)用規(guī)模最大的制氫技術(shù)，已完全實現(xiàn)國產(chǎn)化。煤制氫工藝包括煤氣化、變換、變壓吸附（PSA）等主要流程。從元素利用角度來看，煤制氫過程中元素碳僅用于提供熱能，并未得到充分利用。但由于煤制氫技術(shù)具有原料成本低、裝置規(guī)模大、技術(shù)成熟度高等優(yōu)點，因此現(xiàn)階段在中國仍具有較大應(yīng)用規(guī)模。我國天然氣儲量相對較少，因此國內(nèi)天然氣制氫規(guī)模相對較小。天然氣制氫主要分為水蒸氣重整制氫、部分氧化制氫和自熱重整制氫等技術(shù)路線，其中水蒸氣重整制氫技術(shù)已較為成熟，部分氧化制氫和自熱重整制氫技術(shù)仍處于工程化階段。天然氣水蒸氣重整制氫主要包括預(yù)熱、脫硫、轉(zhuǎn)化爐、變換和PSA提純氫等工藝過程。目前，我國已實現(xiàn)包括工藝設(shè)計、關(guān)鍵設(shè)備、高溫催化劑等在內(nèi)的天然氣水蒸氣重整制氫技術(shù)的完全國產(chǎn)化。由于工業(yè)副產(chǎn)氣的雜質(zhì)成分和含量不同，不同分離方法的效率和效果也不同，且目前氫氣含量低于15%的原料氣暫無法實現(xiàn)大規(guī)模提純。目前工藝副產(chǎn)氣提氫主要有深冷分離法、膜分離法和PSA法3種。PSA法適用于大規(guī)模高純氫分離，是當前技術(shù)成熟度較高且應(yīng)用相對廣泛的工業(yè)副產(chǎn)氣提純氫氣技術(shù)，膜分離適用于低純氫分離場景，深冷分離適用于低含氫量原料氣且多與PSA法結(jié)合提純高純氫氣。

四、核能制氫行業(yè)市場現(xiàn)狀

放眼全球，隨著新一代核堆型的成熟與氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，美日英中等核電大國均已啟動本國的核能制氫工程。美國市場，早在2004年，美國能源部（DOE）就啟動了核能制氫研究工作。通過與電力企業(yè)合作，對在九英里峰核電廠在內(nèi)的4個核電廠生產(chǎn)清潔氫的示范項目提供支持。其中，九英里角核電站中的一座1250千瓦低溫電解制氫設(shè)施（質(zhì)子交換膜電解槽）已于2023年3月啟動運行，每天可生產(chǎn)560千克氫氣。日本市場，日本原子力研究機構(gòu)自1998年建成運行熱功率 30MWe的高溫氣冷試驗堆，成功實現(xiàn)在850℃下穩(wěn)定運行。2004年冷卻劑出口溫度達到950℃并成功完成了連續(xù)一周制氫試驗運行。2019 年，該堆連續(xù)運行 150 個小時，示范了熱化學(xué)碘硫循環(huán)制氫工藝。全球核能制氫市場規(guī)模進一步擴大，2024年市場規(guī)模超4.5億美元。

近年來，我國高度重視氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，出臺了一系列支持政策，為氫能產(chǎn)業(yè)的快速崛起提供了有力保障。從國家層面的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》到地方政府的氫能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃，政策導(dǎo)向明確、支持力度大，為氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展指明了方向。《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》中提及要推進固體氧化物電解池制氫、光解水制氫、海水制氫、核能高溫制氫等技術(shù)研發(fā)。2024年10月，國家發(fā)展改革委等部門發(fā)布的《關(guān)于大力實施可再生能源替代行動的指導(dǎo)意見》提出積極有序發(fā)展可再生能源制氫。此外，政府還積極推動氫能產(chǎn)業(yè)與國際市場的接軌，加強與國際氫能領(lǐng)域的交流合作。通過引進國外先進技術(shù)和管理經(jīng)驗，提升我國氫能產(chǎn)業(yè)的國際競爭力，推動氫能產(chǎn)業(yè)走向全球。

我國核能制氫項目起步于“十一五”，研究了當初的主流工藝熱化學(xué)循環(huán)和高溫蒸汽電解制氫，并進行了初步運行試驗。在“十二五”期間，設(shè)立了國家科技重大專項“先進壓水堆與高溫氣冷堆核電站”，目的是掌握碘硫循環(huán)和高溫蒸汽電解的工藝關(guān)鍵技術(shù)。清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院（INET）在國家“863”計劃支持下，于2001年建成了10MW高溫氣冷實驗反應(yīng)堆（HTR-10），2003年達到滿功率運行。近年來，以中核集團為代表的企業(yè)積極布局核能制氫領(lǐng)域，中核集團在2018年聯(lián)合清華大學(xué)、中國寶武開展核能制氫、核能制氫冶金項目合作研究。目前已完成10NL/h（N表示標準狀態(tài)）制氫工藝的閉合運行，建成了產(chǎn)氫能力100NL/h規(guī)模的臺架并實現(xiàn)86小時連續(xù)運行。中核集團將高溫氣冷堆與熱化學(xué)循環(huán)制氫技術(shù)耦合，可以大規(guī)模生產(chǎn)氫氣，目標是建成一座600兆瓦超高溫氣冷堆，與一座產(chǎn)氫50000Nm3/h的熱化學(xué)制氫工廠匹配生產(chǎn)。中核集團、清華大學(xué)、中國寶武三方于2019年1月簽訂《核能-制氫-冶金耦合技術(shù)戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，三方將資源共享，共同打造世界領(lǐng)先的核能制氫冶金產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。2021年9月，中核集團和清華大學(xué)、華能集團、寶武鋼鐵集團、中信集團五方聯(lián)合發(fā)起成立高溫氣冷堆碳中和制氫產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟。該聯(lián)盟以我國先進的高溫氣冷堆技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)氫冶煉、氫化工等應(yīng)用技術(shù)，與鋼鐵冶煉、化工等具體應(yīng)用場景相結(jié)合，打造工業(yè)規(guī)模示范項目，計劃2022-2023年形成高溫堆制氫的示范工程。2021年，中廣核集團首次將SOEC應(yīng)用于核電制氫示范項目，項目落地廣東大亞灣核電站。2024年12月，田灣核電PEM核能制氫示范項目成套系統(tǒng)成功完成啟動試運行，制備氫氣濃度經(jīng)純化后達到99.999%，滿足設(shè)計要求。PEM核能制氫示范項目采用先進的PEM膜（質(zhì)子交換膜）電解技術(shù)制備氫氣，電解槽以質(zhì)子交換膜作為隔膜，起到傳遞質(zhì)子的作用，同時隔絕氫氣和氧氣，膜兩側(cè)分別涂敷催化劑作為陰極和陽極作為反應(yīng)場所分別電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣。匹配自動化控制系統(tǒng)，具有能耗低、響應(yīng)速度快、氫氣純度高等優(yōu)勢特點。

五、核能制氫行業(yè)發(fā)展建議

面對未來的低碳化需求，核能制氫不僅能實現(xiàn)制氫過程的無碳排放，還能拓展核能的多元利用，提高核電廠的經(jīng)濟競爭力，并為核電廠與可再生能源的和諧發(fā)展創(chuàng)造條件。隨著第四代核電技術(shù)的發(fā)展，核能制氫將為可持續(xù)發(fā)展以及氫能經(jīng)濟開辟新的道路，加速推進能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。未來核能制氫的發(fā)展應(yīng)重視以下能力建設(shè)：一是統(tǒng)籌規(guī)劃，制定合理的發(fā)展框架和路線圖；二是開放合作，打造更加堅固的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟；三是加大投資力度，推進先進技術(shù)迭代；四是強化技術(shù)轉(zhuǎn)化與成果應(yīng)用，推動產(chǎn)業(yè)化、市場化發(fā)展。

以上數(shù)據(jù)及信息可參考智研咨詢（www.yhcgw.cn）發(fā)布的《中國核能制氫行業(yè)市場發(fā)展態(tài)勢及產(chǎn)業(yè)需求研判報告》。智研咨詢是中國領(lǐng)先產(chǎn)業(yè)咨詢機構(gòu)，提供深度產(chǎn)業(yè)研究報告、商業(yè)計劃書、可行性研究報告及定制服務(wù)等一站式產(chǎn)業(yè)咨詢服務(wù)。您可以關(guān)注【智研咨詢】公眾號，每天及時掌握更多行業(yè)動態(tài)。