基于核能制氢的氢电联产系统能量梯级利用研究

氢气是一种清洁、安全的能源,有助于解决未来许多重要的能源挑战。利用核能制氢可实现无碳排放的大规模工业制氢。本文提出一种基于热化学分解碘硫循环制氢工艺的高温气冷堆氢电联产方案。氢电联产方案能充分利用高温堆的高品位能源,其中高品位的热用于碘硫循环制氢,低品位热用于发电,实现氢气和电同时输出。本文建立了全面的[火用]分析模型,并对氢电联产系统的关键部件进行[火用]分析,得出系统中的[火用]损失分布及薄弱环节。同时探讨了氢电比对系统性能的影响,得到了不同氢电比下系统[火用]损失的变化规律。本文研究结果为进一步的氢电联产系统优化奠定了基础。

Sn掺杂CeO_(2)中Ce^(3+)的形成机制及其对质子交换膜燃料电池耐久性的影响

在质子交换膜燃料电池(PEMFC)运行过程中,产生的自由基会攻击质子交换膜,使其开裂或形成孔洞,导致电池失效。常见的改性方法是在质子交换膜(PEM)中添加自由基清除剂材料。基于此,本文合成了Sn掺杂CeO_(2)自由基清除剂,通过提高Ce^(3+)浓度来增强其在PEMFC中自由基清除性能,避免PEM厚度迅速减薄,从而提高质子PEMFC的耐久性。密度泛函理论计算和试验结果表明,Sn掺杂会引起CeO_(2)产生晶格畸变,降低氧空位形成能,促进CeO_(2)中Ce^(3+)的形成。同时,Sn^(2+)的加入可将CeO_(2)-Sn样品中的Ce^(4+)还原为Ce^(3+),提升Ce^(3+)的浓度,从而提高PEM的耐久性。单电池测试结果表明,经70 h的开路电压衰减测试,CeO_(2)-Sn-5%改性后的质子交换膜组装的单电池电压衰减率最低(18%),且功率保留率(56%)比其他样品更高,表明该样品具有更优异的耐久性。

中国交通部门低碳排放措施和路径研究综述

为实现2℃全球温升控制目标,中国交通部门亟待低碳转型。分析了当前交通部门的温室气体排放现状和发展趋势,结合已有减排措施的减排潜力和减排成本,探究中国交通部门未来低碳发展的可能路径。在未来若干年,中国交通部门碳排放将长期保持较快增长,其中道路运输在总排放中的占比仍然较高,而民航运输碳排放增速最快。现有减排措施主要可分为交通运输结构优化、颠覆性交通技术、替代燃料技术和交通工具能效提升四类。为实现交通部门低碳转型,需采用更加严格的燃料经济性标准,推广替代燃料技术,并引导交通运输向低碳运输方式转变,实现结构优化。

基于学习曲线的中国未来制氢成本趋势研究

氢能是中国能源系统低碳转型和实现2060年前碳中和目标的重要技术选择之一。根据原料来源可以将氢分为绿氢、蓝氢和灰氢,其制备成本和碳排放强度存在较大差异。文中以中国氢能生产现状为基础,建立基于学习曲线的平准化制氢成本(LCOH)模型,测算不同制氢技术从2020年到2060年的成本变化趋势。结果表明:现阶段灰氢成本最低,绿氢成本最高;到2030年绿氢成本将下降至20~25元/kg;2050年后,绿氢将成为成本最低的制氢方式(含碳排放成本),而且PEM(质子交换膜)电解水制氢的成本将低于AE(碱性)电解水制氢,光伏+PEM电解水制氢成本将下降至12元/kg。电解槽和电力成本下降是未来绿氢成本下降的主要驱动因素。敏感性分析表明,运营维护成本和关键技术学习率是影响绿氢成本下降速度的重要参数。

高温气冷堆耦合碘硫循环制氢的经济性研究

经济性是核能制氢工艺关注的重要方面。本文运用HEEP软件对高温气冷堆耦合碘硫循环的核能制氢工艺进行了经济性分析,基于HEEP软件的特点与功能、计算原理分析了制氢厂能量供应方式、制氢效率等技术参数和运行时间、资本成本、贴现率、借款利率等时间和经济参数的影响。研究结果表明,采用核电厂为制氢厂热电联供与核电厂只供热而由外部电网供电相比经济性更好。通过优化碘硫循环制氢工艺的热交换网络,降低制氢工艺耗热量,可提高制氢效率,从而降低氢气的平准化成本。此外,延长核电厂运行时间、降低核电厂和制氢厂的资本成本、降低贴现率和借款利率有利于提高经济性。最后,比较了几种制氢工艺的经济性,在征收300$/t CO_(2)税的情况下,高温气冷堆耦合碘硫循环制氢的氢气平准化成本最低。综合来看,高温气冷堆耦合碘硫循环制氢是较清洁且具有经济前景的制氢工艺。

中国不同制氢方式的成本分析

氢能是我国能源系统大幅度低碳转型和实现2060年“碳中和”目标的重要技术选择之一。氢能来源广泛、高效清洁,碳排放主要来自于制氢阶段,不同制氢方式的制氢成本和碳排放强度存在较大差异。本研究以中国氢能生产现状和实际价格水平为基础,建立平准化制氢成本(LCOH)模型,测算了不同制氢方式的平准化成本和碳排放强度。研究发现,煤制氢成本最低为11元/kg,天然气制氢和工业副产氢成本在15〜20元/kg之间,电解水制氢成本普遍在30元/kg以上,其中风电光伏制氢成本超过40元/kg。与煤制氢相比,各种新能源制氢技术减排成本在1000~4000元/tCO_(2)之间。敏感性分析表明,制氢成本的关键影响因素包括制氢设备年运行小时数、制氢原料价格,或者电价以及制氢设备投资成本等。

高温气冷堆中间换热器异型管强化换热研究

本文对用于高温气冷堆中间换热器的两种异型管(横纹管和螺纹管)强化传热性能及其机理进行了三维数值模拟研究。结果表明:当无量纲波纹高度(e/d)和无量纲波纹间距(p/d)相同时,横纹管具有更好的强化换热性能,努塞尔数最高提升了85%;而螺纹管则具有更好的综合性能,PEC最高可达1.08。两种异型管的强化换热机理在于波纹增强了管内流体的湍流脉动,且横纹管对流体湍流脉动的增强更为有效。

基于超高温气冷堆的氢电联产系统设计分析

超高温气冷堆耦合碘硫循环制氢是一种极具发展前景的核能制氢技术。本文提出了一种基于超高温气冷堆的新型氢电联产系统,采用碘硫循环和氦气透平循环来制氢和发电,建立了能量分析的热力学模型,分析了氦气透平循环总压比和反应堆出口温度对系统性能的影响。然后本文以系统氢电效率最大为目标,在总压比、反应堆入口温度、系统净输出功等参数的约束条件下,对系统进行关键参数优化,并分析了反应堆出口温度对优化结果的影响。结果表明:950℃、1000℃、1050℃三种反应堆出口温度下,建议的氦气分流比控制范围分别为0.031~0.750、0.112~0.750、0.181~0.750,对应的产氢率变化范围分别为17.4~295.6 mol·s^(-1)、61.4~298.0 mol·s^(-1)和96.5~299.8 mol·s^(-1)。