利用核能驱动的高温蒸汽电解法生产氢气：一种基于系统协同优化的方法

《Energy》：Nuclear power driven high temperature steam electrolysis for hydrogen production: a systematically synergistic optimization driven high temperature steam electrolysis for hydrogen production: a systematically synergistic optimization

　　

任秦龙|荣宽|钱宇|梁文龙|王鹏飞

中国陕西省西安市西安交通大学能源与动力工程学院，邮编710049

摘要

混合核氢能源系统为深度脱碳提供了有前景的路径。然而，核电站为削峰而进行的灵活负荷跟踪运行会降低其发电效率，同时对电力分配与热能利用的协同性提出更高要求。为解决这一问题，本研究提出了一种针对核能驱动的高温蒸汽电解系统的协同优化策略。在系统层面，构建了线性化的电力分配模型，以优化反应堆的负荷跟踪与氢气生产。同时，建立了高温蒸汽电解系统的详细热力学模型，并运用夹点分析方法优化其内部换热网络，分析系统内的热负荷匹配特性。经过优化后的混合核氢系统可使总成本降低10.2%，同时实现417吨/天的氢气生产能力。当固体氧化物电解槽的运行温度从700℃升高到850℃时，由于电化学动力学得到提升且欧姆损耗减少，氢气生产效率可从68.65%上升至72.85%。相比之下，外部过热蒸汽温度存在阈值效应：一旦超过合适范围，系统的最低冷却需求会从1152千瓦急剧上升到1857千瓦，导致整体系统效率从71.38%下降到68.02%。本研究表明，通过协同优化反应堆的负荷跟踪运行与高温蒸汽电解过程，可以有效提升混合核氢能源系统的灵活性、能源利用效率及经济性。

引言

在全球低碳转型加速的背景下，建立以清洁能源为主的能源体系已成为国际社会的共同目标[1]。作为能够提供大规模、稳定基荷电力的低碳能源，核能在减少污染物排放、推动电力系统深度脱碳方面发挥着不可替代的作用[2]。与此同时，氢气作为一种高效且灵活的二次能源载体，被广泛认为是未来能源体系的关键组成部分[3]。但随着可再生能源比例的提高，核能预计需要承担更多灵活的负荷跟踪任务，而不仅仅以传统的基荷模式运行[4]。这样的运行要求可能会降低其发电效率[5]，并在频繁调整功率的过程中给关键设备带来更大的热机械应力[6,7]。在此背景下，将氢气生产与核能运行相结合，为在负荷跟踪条件下调节发电与能量转换提供了一种有前景的途径[8]。在各种氢气生产技术中，高温蒸汽电解技术尤其适合与核能结合使用，因为它既能利用电能，又能利用热能，从而在整体能源利用效率方面具有潜在优势[9,10,11]。

现有研究表明，现代核电站具备一定的日常负荷跟踪能力[12]。构建合适的电力分配模型，可以有效缓解可再生能源接入带来的削峰压力，降低电力系统的整体运营成本[13]。已有不少研究总结了核电站的典型负荷跟踪模式，并探讨了它们在支撑电网调度中的作用[14,15,16]。不过，这些研究主要关注核电机组本身的削峰特性，而对于核能电力分配模型的构建以及反应堆负荷跟踪与氢气生产之间的协同关系，相关研究还远远不够[17]。后续有一些研究为包括风能、光伏、水能、火电和核能在内的多能源系统提出了短期电力分配模型[18]。尽管这些研究提升了对核能灵活性的系统级描述，但现有的调度策略大多仍以平衡电力供需为主，往往将核能负荷跟踪过程中的多余电力视为一种被动负担[19]。这种视角忽视了核能调控与氢气生产系统之间的潜在协同效应[20]。通过将氢气需求纳入电力分配框架，原本的电力侧削峰问题可以转化为电力与氢气相结合的多能源协同调控问题，从而进一步提升反应堆功率调控与氢气生产的效率[21,22]。

在核能驱动的氢气生产系统中，高温蒸汽电解技术被视为实现高效氢气生产的关键技术路径[23]。不过，这类系统的整体性能并非仅由电解槽堆的电化学行为决定，辅助过程的热力学特性也同样重要[24]。尤其是蒸汽生成、进料预热、运行温度以及外部热源供应条件，都会显著影响高温蒸汽电解技术的氢气生产效率、辅助能耗以及对外部能源的需求[25,26,27]。现有研究已经验证了核能耦合高温蒸汽电解系统的可行性，并对其在不同运行条件下的整体性能进行了初步评估[28,29]。这些研究表明，适宜的热条件能够大幅提升系统效率[30,31]，而不当的热源供应与热量匹配则可能增加能耗，降低系统整体性能[32]。但目前大多数研究仍然主要集中在系统整体效率或单个运行参数对核能耦合高温蒸汽电解系统的影响上。尤其是在核能负荷跟踪条件下，该类系统的内部分热负荷匹配特性、换热网络配置以及关键热力学约束尚未得到充分阐明。因此，仍有必要进一步研究核能耦合高温蒸汽电解系统的内部分热负荷匹配、换热网络配置以及热力学优化问题。

综上所述，现有研究要么侧重于核电机的负荷跟踪能力与电力分配，要么专注于高温蒸汽电解系统的性能评估。然而，当核电站参与灵活负荷跟踪运行时，系统级的电力分配会直接影响氢气生产的分配方案[33]，而高温蒸汽电解系统的热力学特性则进一步决定了系统的能源效率与外部能源需求[34]。因此，针对负荷跟踪运行条件下核能与高温蒸汽电解系统之间的电力分配协同优化问题，目前仍有大量研究不足[35]。为解决这一问题，本研究提出了一种混合核能-氢能系统的协同优化策略。首先建立了线性化的电力分配模型，用于描述反应堆负荷跟踪与氢气生产之间的协同运行关系。同时，构建了高温蒸汽电解系统的详细热力学模型，并运用夹点分析方法分析其内部分热负荷匹配特性，进而优化换热网络。在此基础上，系统地分析了固体氧化物电解槽容量、运行温度以及外部过热蒸汽温度对系统经济性与能源利用效率的影响。本文的其余部分结构如下：第2节介绍电力分配与热力学分析的建模方法；第3节阐述系统级与热力学分析的结果；第4节总结主要结论，并探讨所提系统的工程应用价值。

章节要点

混合核氢系统的电力分配与热力学模型

本章重点是对如图1所示的核能驱动混合核氢能源系统进行建模与优化。首先，考虑核电机组的运行约束、风能与太阳能的弃光弃风成本以及辅助服务补偿因素，构建了电力分配优化模型。通过分段削峰的方法，实现了对核电输出更精细的描述。研究过程中采用了MATLAB语言，结合YALMIP工具箱与CPLEX求解器来完成相关计算。

电力分配模型的数值分析

参考文献[36]中所描述的案例显示，该电力系统包含42台燃煤火电机组，总装机容量为7835兆瓦。系统中还有两座风电场WF1和WF2，每座的装机容量均为1000兆瓦。此外，还有一座装机容量为500兆瓦的光伏发电厂。另外，该系统还包括三台核电机组，总装机容量为2800兆瓦，以及三台抽水蓄能机组，装机容量为900兆瓦。

结论

鉴于核能与氢能在全球深度脱碳中的关键作用，以及传统核能基荷运行的局限性，本研究探讨了在核能驱动的核氢联产系统中，如何对电力分配与高温蒸汽电解过程进行协同优化。通过将线性化电力分配模型与热力学分析以及基于夹点分析的换热网络优化相结合，本研究系统地

CRediT作者贡献说明

任秦龙：文章撰写——审阅与编辑，文章撰写——初稿撰写，结果验证，研究监督，项目管理，方法设计，资金获取，概念构思。荣宽：文章撰写——审阅与编辑，文章撰写——初稿撰写，结果可视化，结果验证，方法设计，研究实施。钱宇：结果可视化，结果验证，研究实施。梁文龙：结果可视化，结果验证，研究实施。王鹏飞：文章撰写——审阅与编辑，结果验证，研究监督，项目管理。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金的资助（项目编号：12472272），特此致谢。