熱能溫度越高，其應用場景就越廣泛，有些工業部門所需的熱源溫度比LWRs(輕水堆)所能提供的溫度更高。僅化工行業就有大約10萬兆瓦的熱量需要。開發下一代高溫反應堆核電站的計劃就是基于這個市場。該計劃最終被取消，是因為壓裂法極大地降低了天然氣開采的成本，高溫反應堆顯然是生不逢時。然而，如果反應堆能夠提供高溫熱量，低碳經濟的目標將會使其重新煥發生機。高溫熱能還有兩個新興市場：調峰電力和氫氣生產。

調峰電力

歷史上，核反應堆主要用(yong)于(yu)基荷電(dian)(dian)力(li)，這(zhe)是由化(hua)(hua)石(shi)燃料(liao)的特點造(zao)成的。核電(dian)(dian)站具有(you)高投(tou)資成本和(he)(he)低運(yun)(yun)營(ying)成本，而化(hua)(hua)石(shi)燃料(liao)電(dian)(dian)廠具有(you)低投(tou)資成本和(he)(he)高運(yun)(yun)營(ying)成本。今天(tian)，這(zhe)些化(hua)(hua)石(shi)燃料(liao)電(dian)(dian)廠采用(yong)燃氣輪(lun)機。風(feng)能(neng)和(he)(he)太陽能(neng)根據(ju)天(tian)氣情(qing)況向電(dian)(dian)網(wang)提供電(dian)(dian)力(li)，與(yu)電(dian)(dian)力(li)需(xu)求無關，不可(ke)調(diao)度。風(feng)力(li)和(he)(he)太陽能(neng)的效果正(zheng)在(zai)逐(zhu)步顯現，比如加(jia)州(zhou)，那里(li)的上網(wang)電(dian)(dian)價(jia)已經下降了(le)。

在加州等地，在太(tai)陽能和風能產量高的(de)時候，上(shang)網電(dian)價(jia)會快速下跌，而在其他時候則(ze)會上(shang)漲。圖(tu)1顯(xian)示了加州2012年和2017年春季一天(tian)的(de)電(dian)價(jia)。2012年的(de)價(jia)格是由化石(shi)燃料發(fa)電(dian)廠(chang)制定的(de)。2017年電(dian)價(jia)則(ze)受(shou)到了太(tai)陽能發(fa)電(dian)的(de)影(ying)響，太(tai)陽能發(fa)電(dian)獲得(de)了大量補貼。今(jin)天(tian)，燃氣(qi)輪機(ji)提供可調度的(de)電(dian)力，以滿足調峰需求。

隨著碳減排，誰能取代燃氣輪機?

多個先(xian)進反應(ying)堆的(de)(de)開(kai)發商(shang)提出增加儲(chu)熱(re)(re)的(de)(de)方案，以使基荷反應(ying)堆能夠(gou)滿足調峰需求。這些反應(ying)堆包(bao)括(kuo)TerraPower/GE日立核能公司(si)聯合開(kai)發的(de)(de)鈉冷Natrium反應(ying)堆、Moltex MSR和Kairos Power KP-FHR。在這三種情況下，儲(chu)熱(re)(re)材(cai)料是(shi)(shi)硝酸鈉鉀鹽(yan)，這與(yu)集中式太陽能熱(re)(re)發電廠中使用(yong)的(de)(de)熔融鹽(yan)相同。反應(ying)器(qi)(qi)不(bu)直接(jie)連接(jie)到電源(yuan)塊上。相反，反應(ying)器(qi)(qi)接(jie)收冷鹽(yan)，加熱(re)(re)后將其送至熱(re)(re)鹽(yan)儲(chu)罐。鹽(yan)循(xun)(xun)環(huan)是(shi)(shi)反應(ying)器(qi)(qi)和動(dong)力(li)(li)循(xun)(xun)環(huan)之間的(de)(de)中間循(xun)(xun)環(huan)。動(dong)力(li)(li)循(xun)(xun)環(huan)接(jie)收熱(re)(re)鹽(yan)并產生(sheng)蒸汽，從而(er)產生(sheng)電力(li)(li)。

反(fan)(fan)(fan)應器的(de)(de)大(da)(da)小與平均電(dian)(dian)力(li)需(xu)(xu)求相匹配。帶(dai)有(you)蒸(zheng)汽(qi)鍋爐和渦輪機的(de)(de)動(dong)力(li)單元(yuan)的(de)(de)大(da)(da)小與峰值(zhi)(zhi)電(dian)(dian)力(li)需(xu)(xu)求相匹配。峰值(zhi)(zhi)電(dian)(dian)力(li)輸(shu)出(chu)與反(fan)(fan)(fan)應堆(dui)的(de)(de)相對(dui)規模取決于當地的(de)(de)電(dian)(dian)力(li)市場。例如，根據擁有(you)大(da)(da)量(liang)海(hai)上風電(dian)(dian)的(de)(de)英國(guo)電(dian)(dian)網(wang)，Moltex反(fan)(fan)(fan)應堆(dui)的(de)(de)峰值(zhi)(zhi)功(gong)率(lv)輸(shu)出(chu)比反(fan)(fan)(fan)應堆(dui)輸(shu)出(chu)高三倍左右(you)。該動(dong)力(li)模塊可以比核反(fan)(fan)(fan)應堆(dui)更快地調整出(chu)力(li)，因為(wei)輸(shu)入動(dong)力(li)循(xun)環的(de)(de)熱量(liang)是(shi)由熱鹽(yan)泵速度(du)控制的(de)(de)，而不是(shi)反(fan)(fan)(fan)應堆(dui)調整輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)。

動力(li)(li)循(xun)環(huan)可以比燃氣(qi)輪機(ji)更快地(di)響應(ying)(ying)不斷(duan)變(bian)化(hua)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)(li)需求(qiu)(qiu)。實現在高電(dian)(dian)(dian)(dian)價的(de)(de)(de)時候出售電(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)(li)，達到收入最(zui)(zui)大(da)(da)化(hua)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。在這些(xie)帶儲能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)廠(chang)中(zhong)有很大(da)(da)動力(li)(li)來降低(di)投(tou)資成本，使其低(di)于燃氣(qi)輪機(ji)的(de)(de)(de)成本。動力(li)(li)單(dan)元(yuan)是(shi)按照核電(dian)(dian)(dian)(dian)標準(zhun)建造的(de)(de)(de)，它不與反應(ying)(ying)堆相連(lian)接。電(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)(li)循(xun)環(huan)的(de)(de)(de)設計是(shi)為了(le)最(zui)(zui)大(da)(da)限度(du)地(di)降低(di)投(tou)資成本，因為動力(li)(li)裝置的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)力(li)(li)系數可能(neng)(neng)(neng)是(shi)30%，而反應(ying)(ying)堆的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)力(li)(li)系數是(shi)90%。如(ru)果有非常(chang)低(di)價的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)(li)，發電(dian)(dian)(dian)(dian)廠(chang)就(jiu)會(hui)買(mai)電(dian)(dian)(dian)(dian)來加熱更多的(de)(de)(de)硝酸(suan)鹽。如(ru)果高峰(feng)需求(qiu)(qiu)延(yan)長(chang)了(le)很長(chang)一段時間，并且儲熱被耗(hao)盡(jin)，那么(me)燃燒天然氣(qi)，或(huo)者是(shi)未來的(de)(de)(de)氫氣(qi)或(huo)生物燃料，就(jiu)能(neng)(neng)(neng)提供額外的(de)(de)(de)熱量用來發電(dian)(dian)(dian)(dian)。最(zui)(zui)近的(de)(de)(de)一次(ci)研討(tao)會(hui)詳細(xi)研究了(le)核能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)這種新設計。

高溫反(fan)應(ying)堆的(de)(de)(de)使用(yong)大型冷(leng)熱(re)(re)儲(chu)(chu)(chu)罐中的(de)(de)(de)熔融硝(xiao)酸鹽進行(xing)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)。這種儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)系統(tong)首先(xian)被用(yong)于聚光太陽能(neng)熱(re)(re)電站，原因有二。首先(xian)，陰天時(shi)，云層遮住太陽，電力(li)輸出可(ke)能(neng)會波動十幾次，儲(chu)(chu)(chu)能(neng)提供了恒定(ding)的(de)(de)(de)熱(re)(re)量。第二，最近，熔融鹽儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)使太陽能(neng)發電廠在太陽下山后仍(reng)能(neng)發電。儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)的(de)(de)(de)投(tou)資成本(ben)是20-30美元/千瓦時(shi)，比(bi)電池或抽水蓄能(neng)低(di)一(yi)個數量級。

同時，儲熱比電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)或抽(chou)(chou)水蓄能(neng)更有(you)效(xiao)。美國(guo)能(neng)源信息署(EIA)報(bao)告說，公(gong)用事(shi)業部門的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)系(xi)統的(de)(de)(de)平均(jun)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)-電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效(xiao)率為82%，抽(chou)(chou)水蓄能(neng)為79%。真(zhen)正(zheng)的(de)(de)(de)公(gong)用事(shi)業儲電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)系(xi)統效(xiao)率明顯(xian)低于一般宣(xuan)傳的(de)(de)(de)儲能(neng)系(xi)統的(de)(de)(de)效(xiao)率。損失(shi)發生在(zai)多個能(neng)量(liang)轉換環(huan)節中。在(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)中，交(jiao)流(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)被(bei)轉換為直流(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)，然后給電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)向電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)網輸(shu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)時正(zheng)好相(xiang)反(fan)。

所有這些能(neng)量轉換過(guo)程都有效(xiao)率損(sun)耗，在(zai)一個(ge)先進高溫核反應(ying)(ying)堆(dui)中，硝酸鹽始終存在(zai)于(yu)中間環(huan)節。熱(re)流(liu)不(bu)像電流(liu)那樣從(cong)反應(ying)(ying)堆(dui)流(liu)向電力循(xun)環(huan)，在(zai)中間環(huan)路中增(zeng)加(jia)儲熱(re)并不(bu)涉及(ji)能(neng)量轉換及(ji)效(xiao)率損(sun)失。

氫氣生產

第二(er)個(ge)(ge)(ge)市場是(shi)(shi)制氫(qing)(qing)。現在(zai)每年消耗約(yue)1000萬噸工業(ye)氫(qing)(qing)氣(qi)。隨著(zhu)碳減(jian)排(pai)的(de)(de)(de)推進，未(wei)(wei)來(lai)(lai)氫(qing)(qing)氣(qi)可(ke)能會(hui)占消耗的(de)(de)(de)總能源的(de)(de)(de)20%以(yi)上。這個(ge)(ge)(ge)市場有三個(ge)(ge)(ge)部(bu)分(fen)，一是(shi)(shi)氫(qing)(qing)氣(qi)作(zuo)為化工原料(liao)(liao)，沒有替代(dai)品，包括化肥(fei)生(sheng)產(chan)(chan)(chan)和(he)將(jiang)(jiang)原油煉化。未(wei)(wei)來(lai)(lai)，氫(qing)(qing)氣(qi)將(jiang)(jiang)可(ke)能取代(dai)煉鐵中的(de)(de)(de)焦(jiao)炭，替代(dai)將(jiang)(jiang)生(sheng)物燃(ran)料(liao)(liao)轉化為汽油、柴油的(de)(de)(de)轉化媒(mei)介。這些替代(dai)燃(ran)料(liao)(liao)不需(xu)要對(dui)(dui)發動(dong)機進行任何(he)改(gai)裝就可(ke)是(shi)(shi)使(shi)(shi)用。二(er)是(shi)(shi)取代(dai)天(tian)(tian)然(ran)(ran)氣(qi)，特別是(shi)(shi)對(dui)(dui)于小型用戶(hu)來(lai)(lai)說，帶有碳捕獲功能的(de)(de)(de)化石燃(ran)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)價格過于昂(ang)貴，而電加熱的(de)(de)(de)價格是(shi)(shi)天(tian)(tian)然(ran)(ran)氣(qi)的(de)(de)(de)六倍左右。三是(shi)(shi)作(zuo)為未(wei)(wei)來(lai)(lai)的(de)(de)(de)運(yun)輸燃(ran)料(liao)(liao)，但問題是(shi)(shi)如何(he)生(sheng)產(chan)(chan)(chan)氫(qing)(qing)氣(qi)。在(zai)這個(ge)(ge)(ge)問題上，氫(qing)(qing)氣(qi)與電力不同。氫(qing)(qing)氣(qi)的(de)(de)(de)存(cun)儲成本很低(di)，可(ke)以(yi)使(shi)(shi)用天(tian)(tian)然(ran)(ran)氣(qi)存(cun)儲設施。我(wo)們(men)將(jiang)(jiang)天(tian)(tian)然(ran)(ran)氣(qi)產(chan)(chan)(chan)量的(de)(de)(de)20%儲存(cun)起來(lai)(lai)，以(yi)滿足冬(dong)季(ji)的(de)(de)(de)高峰需(xu)求(qiu)。沒有必要使(shi)(shi)氫(qing)(qing)氣(qi)的(de)(de)(de)生(sheng)產(chan)(chan)(chan)與需(xu)求(qiu)在(zai)每秒(miao)甚至(zhi)每月的(de)(de)(de)基礎上相匹配(pei)，因為氫(qing)(qing)氣(qi)可(ke)以(yi)儲存(cun)。

一(yi)條管(guan)道可以運輸能量(liang)約幾十(shi)億(yi)瓦(wa)的(de)(de)氫氣(qi)，而(er)輸電(dian)線(xian)路則僅限于幾千億(yi)瓦(wa)。然而(er)，跨洲運輸氫氣(qi)比天(tian)然氣(qi)更昂(ang)貴，因(yin)為(wei)氫氣(qi)的(de)(de)體積(ji)能量(liang)密(mi)度比天(tian)然氣(qi)的(de)(de)小幾倍。這(zhe)推(tui)動了區域氫氣(qi)生產系統的(de)(de)發展。今天(tian)，我(wo)們正在逐步(bu)建立氫氣(qi)儲存(cun)設(she)施(shi)和(he)管(guan)線(xian)，連接煉油廠(chang)、化工廠(chang)和(he)水力發電(dian)設(she)施(shi)。

核(he)(he)能在這個市場上有潛在的(de)(de)競爭力。氫氣(qi)可以通過(guo)電解(jie)水(shui)或蒸(zheng)汽(qi)制取，高(gao)溫電解(jie)(HTE)是最有效的(de)(de)技術，核(he)(he)電站可以提(ti)供電力和蒸(zheng)汽(qi)，這是核(he)(he)能提(ti)供氫氣(qi)與電解(jie)液(ye)態(tai)水(shui)的(de)(de)內在優勢。然而，氫氣(qi)工廠(chang)的(de)(de)電解(jie)池和壓縮機投資(zi)成本不(bu)菲。

如圖3所示，水(shui)力發(fa)電站(zhan)的(de)(de)(de)(de)(de)容(rong)量系(xi)數必須很高(gao)，以(yi)生產(chan)廉價的(de)(de)(de)(de)(de)氫氣。HTE較高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率和對高(gao)容(rong)量系(xi)數的(de)(de)(de)(de)(de)要求為核(he)反應(ying)堆與制氫廠的(de)(de)(de)(de)(de)耦(ou)合提供了經濟(ji)優(you)勢(shi)，相比之下，風能(neng)(neng)或太陽能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)容(rong)量系(xi)數較低。核(he)電站(zhan)的(de)(de)(de)(de)(de)容(rong)量系(xi)數約為90%，而(er)風能(neng)(neng)接近(jin)40%，太陽能(neng)(neng)則接近(jin)25%。雖(sui)然這樣(yang)的(de)(de)(de)(de)(de)系(xi)統(tong)可(ke)以(yi)使用LWRs，但更高(gao)溫(wen)(wen)度的(de)(de)(de)(de)(de)先進反應(ying)堆有很大的(de)(de)(de)(de)(de)經濟(ji)優(you)勢(shi)。HTE系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率隨著高(gao)溫(wen)(wen)蒸汽的(de)(de)(de)(de)(de)增加(jia)而(er)增加(jia)。更高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)電效(xiao)(xiao)率意味著每單位的(de)(de)(de)(de)(de)氫氣必須產(chan)生更少的(de)(de)(de)(de)(de)熱量。

低碳(tan)氫(qing)氣(qi)(qi)(qi)生產的(de)主要競爭者是(shi)(shi)帶有(you)碳(tan)捕獲和封存(CCS)的(de)天(tian)然氣(qi)(qi)(qi)蒸(zheng)汽-甲烷重整，對于化(hua)石電(dian)廠(chang)(chang)來說(shuo)，這是(shi)(shi)一(yi)個昂貴的(de)工藝，因為從(cong)煙氣(qi)(qi)(qi)中(zhong)分離(li)二氧(yang)(yang)化(hua)碳(tan)的(de)成本(ben)(ben)高昂。然而，有(you)一(yi)些蒸(zheng)汽-甲烷重整工藝可(ke)(ke)以產生相對純凈的(de)二氧(yang)(yang)化(hua)碳(tan)廢氣(qi)(qi)(qi)。如果這些工廠(chang)(chang)有(you)良(liang)好封存地(di)，從(cong)天(tian)然氣(qi)(qi)(qi)中(zhong)提取(qu)氫(qing)氣(qi)(qi)(qi)可(ke)(ke)能是(shi)(shi)經(jing)濟(ji)的(de)。然而，橫(heng)貫大陸(lu)的(de)氫(qing)氣(qi)(qi)(qi)運輸(shu)成本(ben)(ben)很高，這意(yi)味(wei)著這種氫(qing)氣(qi)(qi)(qi)可(ke)(ke)能會被限制在(zai)(zai)德(de)克薩斯州等(deng)地(di)，在(zai)(zai)那里成為像水(shui)電(dian)一(yi)樣的(de)本(ben)(ben)地(di)資源。氫(qing)氣(qi)(qi)(qi)另(ling)一(yi)個特(te)征是(shi)(shi)，通過管道運輸(shu)20或30千兆瓦的(de)氫(qing)氣(qi)(qi)(qi)在(zai)(zai)經(jing)濟(ji)上是(shi)(shi)可(ke)(ke)行的(de)，這與天(tian)然氣(qi)(qi)(qi)管道的(de)能源運輸(shu)規模相同。

一條(tiao)大型輸(shu)電線路可(ke)以運輸(shu)1或(huo)2千兆瓦(wa)，我們(men)可(ke)以選擇建造(zao)與煉油廠(chang)相同規(gui)模(mo)的(de)核氫(qing)氣生(sheng)產(chan)綜合體，這是一個(ge)新(xin)的(de)核工(gong)廠(chang)模(mo)式。將(jiang)(jiang)一個(ge)模(mo)塊化的(de)核反應(ying)堆(dui)建在氫(qing)氣工(gong)廠(chang)旁。使用船廠(chang)的(de)起重機將(jiang)(jiang)反應(ying)堆(dui)移動(dong)到制氫(qing)廠(chang)。這個(ge)方案(an)將(jiang)(jiang)把核電廠(chang)變為(wei)工(gong)廠(chang)化運作，該模(mo)式使得(de)氫(qing)氣生(sheng)產(chan)能力可(ke)以在20年內(nei)不斷增長，核能工(gong)廠(chang)替代了反應(ying)堆(dui)。