倪 航，曲新鹤,2，彭 威,2,*，赵 钢,2，张 平,2

(1.清华大学 核能与新能源技术研究院，先进核能技术协同创新中心，先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京 100084；2.清华大学-张家港氢能与先进锂电技术联合研究中心，北京 100084)

目前全球能源需求不断增长，温室效应和环境污染等问题日益加剧，“氢经济”即能源以氢为媒介储存、运输和转化的概念受到了广泛关注。氢是一种热值高、清洁绿色的能源载体，氢能的快速发展和广泛应用不仅可助推我国实现“碳达峰、碳中和”的目标，而且有助于在全球范围内缓解温室效应[1-2]。

氢是二次能源，需要一次能源来制取。目前通过化石燃料制取的氢气占全球氢气产量的96%，剩下4%的氢通过电解水制得[3]。化石燃料制取氢气不仅会消耗大量化石能源，而且还会排放温室气体和污染物质，电解水制氢效率较低且成本高，因此寻求清洁、高效、经济可行的大规模制氢方法是满足当前和未来氢气供应的迫切需求，而核能制氢是满足这一需求的较好选择。

超高温气冷堆是目前可提供最高温度供热的反应堆堆型，反应堆出口温度可达950 ℃甚至更高，在工艺热应用上具有广阔前景，适合用于核能制氢[4-5]。热化学分解水制氢是核能制氢领域研究较多的制氢方法，它在不同温度下通过几个不同的反应阶段来完成将水分解为氢气和氧气的总反应。整个反应过程构成了闭路循环，每一步的反应温度与水的直接分解相比都明显降低。

碘硫循环是一种重要的热化学分解水制氢方法，反应的最高温度为800～900 ℃，与超高温气冷堆的反应堆出口温度较为匹配，因此碘硫循环适合与超高温气冷堆耦合，可充分利用超高温气冷堆的热量完成制氢过程[6]。

日本原子能机构(JAEA)建成了碘硫循环制氢的原理验证性台架(1 NL/h)和实验室规模台架(设计产氢量50 NL/h，实际30 NL/h)，并进行了运行测试实验[7]。JAEA针对热功率600 MW、出口温度950 ℃的高温气冷堆进行了GTHTR300C氢电联产设计研究，设计产氢量为1.9 t/h[8]。JAEA还基于高温工程实验堆(HTTR)进行了HTTR-GT/H2的氢电联产设计和系统性能评估[9-10]。韩国从2004年起开始执行核能制氢开发与示范(NHDD)计划，完成了高温气冷堆耦合碘硫循环制氢的概念设计，建立了产氢量50 NL/h的回路，并进行了一些实验研究[11]。

清华大学核能与新能源技术研究院(INET)对碘硫循环制氢中的Bunsen反应相分离特性、硫酸与氢碘酸的纯化精馏工艺、分解反应催化剂特性等内容进行了研究，建成了原理验证性台架IS-10和实验室规模台架IS-100，并进行了连续运行测试实验[12]。INET还对高温气冷堆耦合碘硫循环的氢电联产系统进行了能量梯级利用的设计研究，高温堆的高品位热用于制氢，低品位热进行发电，制氢回路所需的电由发电回路提供，多余的电输出给电网，发电回路还可抽汽向制氢回路供热[13]。目前，INET正在进行高温气冷堆制氢的关键设备研究，建立模拟高温气冷堆供给高温工艺热的氦气加热实验回路并进行实验验证。后续还会进行关键设备放大技术研发和中试工程验证[5]。

目前针对高温气冷堆耦合碘硫循环制氢的技术性研究较多，而经济性分析较少，经济性也是制氢工艺关注的重要方面，从经济性角度对高温气冷堆耦合碘硫循环制氢进行分析对进一步的技术研究和工程建设都具有重要指导意义。

HEEP是IAEA开发的一款专用于核能制氢的经济性分析软件，受到众多研究学者的关注与青睐。Ozcan等[14]利用HEEP软件分析了混合硫热化学循环和高温蒸汽电解两种制氢方式的经济性，结果表明，与高温蒸汽电解的方式相比，混合硫热化学循环的氢气平准化成本降低了约20%。El-Emam等[15-16]对HEEP提供的5个参考案例和几个其他案例进行了经济性分析，并将HEEP的计算结果与G4-ECONS、H2A等其他核能制氢的经济分析软件计算结果进行了对比，结果具有较好的一致性。李智勇等[17]运用HEEP对不同工艺与速率的核能制氢方案进行了经济性研究，结果表明，与压水堆加常规电解的制氢方式相比，采用高温气冷堆加高温蒸汽电解或碘硫循环具有更好的经济性。

本文拟基于HEEP软件对高温气冷堆耦合碘硫循环制氢工艺进行经济性研究，分析制氢厂能量供应方式、碘硫循环制氢效率等技术参数和时间经济参数的影响，并比较几种制氢方式的氢气平准化成本，为提升高温气冷堆耦合碘硫循环制氢的经济性提供参考和借鉴。

1 HEEP软件

1.1 特点与功能

HEEP将核能制氢全过程分为4个环节：核电厂、制氢厂、储氢和运输氢，输入参数集可分为3类：技术参数、成本参数、时间和经济参数[18]。技术参数主要包括核电厂参数、制氢工艺和速率、储氢和运输氢的方式等，成本参数包括资本成本、燃料成本、运行维护成本和退役成本等，时间和经济参数包括建设和运行时间、贴现率、通货膨胀率、股权负债比、借款利率、折旧年限等。

HEEP的计算范围非常广泛，可计算大部分的三代和四代反应堆，如压水堆、高温气冷堆、超临界水堆等，制氢工艺方面可考虑甲烷蒸汽重整制氢、常规电解、高温蒸汽电解、碘硫循环制氢等多种方式[19]。HEEP软件中，核电厂和制氢厂可位于同一地点，也可相隔一定距离。核电厂可为制氢厂单独提供热或电，也可热电联供。制氢厂还可从外部电网获取电能。

1.2 计算原理

HEEP软件进行经济计算的原理是基于现金流量贴现法。核电厂的运行寿命一般较长，通常为40年左右，而收益和支出在不同的时间点发生，因此有必要考虑资金的时间价值，给定贴现率，将不同时期发生的收益和支出相对于指定参考年进行现金流量的贴现。从现在起第i年发生的收入或支出终值FV与现值PV之间的计算关系如下，其中d代表贴现率。

PV=FV/(1+d)i

(1)

HEEP软件在计算时采用氢气平准化成本(LCHP)的概念。平准化成本是一个统一不变的价格，在核电厂和制氢厂运行的整个寿期内，以此价格出售氢气，获得的收益现值与所有支出的现值相等。当出售氢气的价格高于平准化成本时，则可获取利润。因此计算出的氢气平准化成本越低，盈利空间越大，该方案的经济性越好。

从起始时间tstart到终止时间tend，任意现金流量CFi相对于任意参考时间t0的现值PV计算如下：

(2)

支出方面要计算资本成本、运行维护成本、退役成本等所有支出的现值之和：

PV[Expenditure]=PV[CFi]

(3)

按照平准化成本出售氢气的收入现值计算如下：

LCHP×PV[H2Production]

(4)

其中，PV[H2Production]为氢气年产量的现值之和。当收入现值与支出现值相等时满足以下关系：

PV[Expenditure]=PV[Revenue]

(5)

PV[CFi]=LCHP×PV[H2Production]

(6)

LCHP=PV[CFi]/PV[H2Production]

(7)

当将支出现值按核电厂、制氢厂、储氢和运输氢4个环节划分时，氢气平准化成本可表示为：

LCHP=(ENPP+EH2GP+EH2S+EH2T)/

PV[H2Production]

(8)

其中：ENPP、EH2GP、EH2S、EH2T分别为核电厂、制氢厂、储氢、运输氢在寿期的支出现值之和。

核电厂如果只提供热能，当产生净热能为Eth、总支出为Cth时，单位热能成本按下式计算：

CkWth=Eth/Cth

(9)

当核电厂既提供热能也提供电能时，若总支出为C2、产生热能为E2、产生电能为We, 则单位电能成本(Cele)按下式计算：

Cele=(C2-E2×CkWth)/We

(10)

采用HEEP计算出核电厂的单位热能成本与单位电能成本后，基于制氢厂的耗热或耗电量计算核电厂提供给制氢厂的输入能量成本。HEEP输入的经济参数还有税率、借款利率、股权负债比等，Antony等[20]介绍了含有这些经济参数的计算公式。

2 高温气冷堆耦合碘硫循环制氢的经济性分析

HEEP内置有压水堆加常规电解、高温气冷堆加高温蒸汽电解、高温气冷堆加碘硫循环制氢的参考案例，El-Emam等[15-16]和李志勇等[17]都对参考案例的结果进行了对比验证，证实了HEEP计算结果的可靠性。本文以HEEP内置的高温气冷堆加碘硫循环制氢的参考案例为基础，通过改变输入参数分析相关因素的影响，核电厂与制氢厂位于同一地点，暂不考虑氢气的储存和运输环节。

2.1 制氢厂能量供应方式的影响

案例1为HEEP的高温气冷堆耦合碘硫循环制氢的参考案例，核电厂采用2×630.7 MWth的高温气冷堆，制氢厂氢气年产量为1.26×108kg，即制氢速率为4 kg/s。核电厂两台机组只产生热量且全部提供给制氢厂，制氢厂需要的电由外部电网提供，因此需考虑外部能源使用成本。

本文首先研究制氢厂能量供应方式的影响，设置了案例2，增加了核电厂机组数量，核电厂既提供热能也提供电能，在满足制氢厂能量供应的同时实现氢电联产。案例2中核电厂的发电热效率参照目前高温气冷堆可达到的热效率设置，为42%[21]。

案例1、2的核电厂详细参数列于表1，制氢厂参数列于表2，案例计算时采用如表3所列的HEEP默认的时间和经济参数。案例1中核电厂不发电，发电基础设施占资本成本的百分比为0。案例2中假设核电厂每个机组产生的热能与电能相同。考虑到核电厂机组数增加，且需要发电，因此需要更多的核电设备，所以假设每台机组的资本成本增加25%，发电基础设施占资本成本百分比为25%[22]。另外假设燃料消耗成本、运行维护成本占比、退役成本占比不变。

表1 不同案例的核电厂详细输入参数Table 1 Detailed input parameters for different cases of nuclear power plant

表2 不同案例的制氢厂详细输入参数Table 2 Detailed input parameters for different cases of hydrogen production plant

表3 时间和经济参数Table 3 Chronological and economic parameters

以案例1为比较基准，设案例1的相对氢气平准化成本为1，案例2的相对氢气平准化成本和各案例中制氢厂与核电厂成本比重如图1所示。采用高温气冷堆氢电联产，核电厂为制氢厂热电联供时，削减了制氢厂的外部能源使用成本，制氢厂的成本下降，总的氢气平准化成本降低。案例2核电厂热效率为42%时，核电厂热电联供与核电厂只供热相比，氢气平准化成本降低5.0%。

图1 各案例的相对氢气平准化成本Fig.1 Relative levelized cost of hydrogen production in each case

2.2 碘硫循环制氢效率的影响

碘硫循环制氢的效率通常定义为：

(11)

案例2的氢气生产速率为4 kg/s，氢气热值为1.43×108J/kg，制氢耗热量为1 261.4 MWth，耗电量为42.8 MWe，核电厂发电热效率为42%，参考Yan等[23]对高温气冷堆耦合碘硫循环的制氢炼钢项目进行的研究分析，案例2计算的制氢效率为42.0%。JAEA提出的氢电联产GTHTR300C的设计中，碘硫循环制氢效率为45.5%[8]。张平等[5]对我国高温堆制氢发展进行战略研究时指出，碘硫循环预期制氢效率可达50%以上。

为进一步分析制氢效率对经济性的影响，本文在案例2的基础上，假定可通过优化碘硫循环制氢的热交换网络降低制氢工艺的耗热量，提高制氢效率，因此设置了制氢耗热量更低的案例3和4，同时在案例3和4中根据制氢厂的耗热量略调整核电厂给制氢厂的供热和核电厂电功率。案例3和4的核电厂热效率为42%，制氢速率为4 kg/s，与案例2相同，其他参数也与案例2保持一致，具体的核电厂和制氢厂能量参数和计算的制氢效率列于表4，由表4可见，案例3和4的制氢效率分别为45.5%和50.4%。

表4 不同案例的核电厂和制氢厂的能量参数和制氢效率Table 4 Energy-related parameter of nuclear power plant and hydrogen production plant and hydrogen production efficiencies in different cases

以案例2为比较基准，设案例2的相对氢气平准化成本为1，案例3和4的相对氢气平准化成本与各案例核电厂与制氢厂成本比重如图2所示。当制氢厂耗热量减少，碘硫循环制氢效率提升时，核电厂可减少向制氢厂的供热，核电厂输入给制氢厂的能量成本降低，总的氢气平准化成本显著降低。当碘硫循环制氢效率由42.0%提升到50.4%时，氢气平准化成本降低12.0%，因此有必要深入研究碘硫循环制氢工艺流程，设计和优化热交换网络，以提高制氢效率和降低氢气的平准化成本。

图2 不同制氢效率下的相对氢气平准化成本Fig.2 Relative levelized cost of hydrogen production under different hydrogen production efficiencies

2.3 时间和经济参数的影响

1) 运行时间的影响

核电厂运行时间也是核能制氢经济性研究的重要参数，案例2中核电厂运行时间为40年，以案例2为基准，相对氢气平准化成本为1，研究核电厂运行时间对经济性的影响，计算结果如图3所示。核电厂运行时间越长，相对氢气平准化成本越低，但在核电厂较长运行时间水平下，延长核电厂的运行时间，氢气平准化成本降低的幅度会显著减小。

图3 不同核电厂运行时间下的相对氢气平准化成本Fig.3 Relative levelized cost of hydrogen production under different operating time of nuclear power plant

2) 资本成本的影响

核电厂和制氢厂的资本成本在核能制氢项目的支出中占较大比重，对核能制氢的经济性有较大影响。本文以案例2为基准，对核电厂和制氢厂的资本成本进行灵敏度分析，计算结果如图4所示。氢气平准化成本随核电厂和制氢厂资本成本的增加均基本呈线性上升的趋势，核电厂资本成本对氢气平准化成本的影响更大，因此降低核电厂和制氢厂的资本成本对于提高经济性具有重要作用。

图4 核电厂和制氢厂资本成本的灵敏度分析Fig.4 Sensitivity analysis of capital cost for nuclear power plant and hydrogen production plant

3) 贴现率和借款利率的影响

贴现率和借款利率是两个重要的经济参数，以案例2为基准计算不同贴现率和借款利率水平下的相对氢气平准化成本，结果分别如图5、6所示，氢气平准化成本随贴现率和借款利率的增加而上升。贴现率较低时，氢气平准化成本上升较缓，而当贴现率较大时，氢气平准化成本随贴现率增加而较快上升。氢气平准化成本随借款利率的增加基本呈线性上升的趋势。当贴现率和借款利率在较低水平时，高温气冷堆耦合碘硫循环制氢项目的经济性更好。

图5 贴现率对相对氢气平准化成本的影响Fig.5 Relative levelized cost of hydrogen production vs. discount rate

图6 借款利率对相对氢气平准化成本的影响Fig.6 Relative levelized cost of hydrogen production vs. borrowing interest

3 不同制氢工艺的经济性比较

不同制氢工艺之间的经济性比较也是受到广泛关注的问题，对未来制氢工艺的发展走向具有重要影响。本文主要针对高温气冷堆耦合碘硫循环的制氢方式进行经济性分析，在本文计算的不同案例中，案例1的经济性较差，案例4的经济性较好。Dodds[24]在广泛调研的基础上综合考虑各种制氢方式的资本成本、原料价格、能量转化率、CO2排放税的征收等因素，计算了甲烷蒸汽重整制氢、煤气化制氢、生物质能制氢、电解水制氢等制氢工艺的氢气平准化成本。将本文中案例1与4的高温气冷堆耦合碘硫循环制氢的氢气平准化成本与Dodds[24]计算的其他制氢工艺的氢气平准化成本进行比较，以经济性较好的案例4为比较基准，设其相对氢气平准化成本为1，比较结果示于图7。

图7 各种制氢工艺的相对氢气平准化成本对比Fig.7 Comparison of relative levelized cost of hydrogen production of various hydrogen production processes

由图7可见，不征收CO2税时煤气化和甲烷蒸汽重整的相对氢气平准化成本较高温气冷堆耦合碘硫循环低，生物质能制氢和水电解制氢的相对氢气平准化成本高于高温气冷堆耦合碘硫循环。Dodds[24]的研究表明，到2050年CO2税可能会增加到300 $/t，以充分促使经济合作与发展组织(OECD)经济体减少碳排放，实现减排目标。在征收300 $/t CO2税的情况下，煤气化和甲烷蒸汽重整制氢的氢气平准化成本会显著上升，而高温气冷堆耦合碘硫循环、水电解制氢不排放CO2，生物质能制氢过程中释放的CO2通过光合作用被吸收，可认为是碳中和的，因此这3种制氢工艺的相对氢气平准化成本不受CO2税的影响。征收300 $/t的CO2税时，高温气冷堆耦合碘硫循环制氢的相对氢气平准化成本最低，是最经济的制氢工艺。当前在全球温室效应不断加剧的背景下，各国对能量利用过程中的碳排放量日益重视，我国已启动碳交易市场，因此综合来看，发展高温气冷堆耦合碘硫循环制氢工艺是更清洁且更具经济前景的选择。

4 结论

本文运用HEEP软件对高温气冷堆耦合碘硫循环制氢工艺的经济性进行分析，得到以下结论。

1) 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，可削减制氢厂的外部能源成本，总的氢气平准化成本也因此降低。核电厂热效率为42%时，氢气平准化成本降低5.0%。

2) 如果能优化碘硫循环制氢工艺的热交换网络，降低制氢厂的耗热量，提升制氢效率，则可减少核电厂输入给制氢厂的能量成本，从而显著降低总的氢气平准化成本。当碘硫循环制氢效率由42.0%提升至50.4%时，氢气平准化成本降低12.0%。

3) 核电厂运行时间越长，氢气平准化成本越低，但在较长核电厂运行时间水平下，延长核电厂的运行时间，氢气平准化成本降低的幅度会显著减小。氢气平准化成本随核电厂和制氢厂的资本成本增加基本呈线性上升趋势，核电厂的资本成本影响会更大，因此降低核电厂和制氢厂的资本成本对于提高经济性有重要作用。

4) 氢气平准化成本随贴现率增加而上升，贴现率较低时，氢气平准化成本上升较缓，贴现率较高时，氢气平准化成本随贴现率的增加而迅速上升。氢气平准化成本随借款利率的增加呈线性上升趋势。当贴现率和借款利率在较低水平时，高温气冷堆耦合碘硫循环制氢的经济性更好。

5) 不同制氢工艺下的氢气平准化成本对比结果显示，当不征收CO2税时，高温气冷堆耦合碘硫循环的氢气平准化成本仅次于煤气化和甲烷蒸汽重整制氢，如果以300 $/t的价格征收CO2税，则高温气冷堆耦合碘硫循环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方式。

需要说明的是，成本参数、时间参数和经济参数是影响经济性的重要数据，其与氢气平准化成本的最终计算结果密切相关，本文的研究主要是基于文献[15]和[17]中的数据，后续将在获得准确的成本参数、时间参数和经济参数等实时数据的基础上，进行更准确的分析和比较。