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對可再生氫發展前景的思考

2021-03-18    來源:《Engineering》
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[ 導讀 ]:氫氣主要通過改造天然氣制得,煤炭氣化技術和電解技術被認為是最有前景的替代方式。值得注意的是,天然氣和煤炭技術路徑都必須包括碳捕集與封存技術以減少排放,這增加了清潔制氫的成本。目前,全球對氫的研究、開發和示范已進行了大量投資,發展氫能對節能減排具有重要意義。未來10年,可再生能源生產氫氣商業前景可觀,尤其是在脫碳運輸方面。
本文選自中國工程院院刊《Engineering》2020年第12期

作者:Michael J. Brear

來源:Thoughts on the Prospects of Renewable Hydrogen[J].Engineering,2020,6(12):1343-1345.

編者按

氫氣主要通過改造天然氣制得,煤炭氣化技術和電解技術被認為是最有前景的替代方式。值得注意的是,天然氣和煤炭技術路徑都必須包括碳捕集與封存技術以減少排放,這增加了清潔制氫的成本。目前,全球對氫的研究、開發和示范已進行了大量投資,發展氫能對節能減排具有重要意義。未來10年,可再生能源生產氫氣商業前景可觀,尤其是在脫碳運輸方面。

中國工程院院刊《Engineering》刊發《對可再生氫發展前景的思考》,從制氫途徑、電價和資產利用的重要性、系統集成等方面對可再生氫的發展前景進行了闡述。文章指出,可再生氫的成本是目前一個重要的考慮因素,需要積極建立氫氣市場供應鏈。

前沿研究丨對可再生氫發展前景的思考
在過去的兩年左右時間里,全世界對氫作為一種能源越來越感興趣。值得注意的是,這不是氫第一次引起我們的興趣。最新的情況是在21世紀,全世界對氫的研究、開發和示范進行了大量投資。在此之前,20世紀70年代的石油危機也促進了對氫的大量投資。更早以前,還缺乏關于氫的文獻。但是,氫能經濟仍然只是一個概念。

如果確實有氫能經濟,這會有什么不同?

這是我們大家都需要問的一個重要問題,筆者只能給出兩個可能的答案。首先,自從最初有所關注以來,我們迫切需要大幅減少溫室氣體(GHG)排放。其次,相比以前,現在可再生能源的可負擔能力要高得多,在支持者最強有力的支持下,其在降低成本方面也一直超出預期。

盡管可再生能源成本的持續降低是非常有希望的,但實現大幅減少溫室氣體排放仍然是一個有難度的關鍵問題。此外,應對這一挑戰需要對社會和經濟帶來盡可能少的不利影響。

在考慮氫可能起到什么作用時,我們首先應該仔細考慮全球能源系統的龐大的規模和復雜性,以及主要能源商品的常見價格。這些可以為氫能的發展提供各種觀點。對于像澳大利亞這樣人口較少的溫帶國家,在以能源為基礎的前提下,國內天然氣和運輸燃料市場比電力市場更大:

• 電力:消耗≈9×1017J·a−1,常見批發價=60 AUD·MW−1·h−1;

• 天 然 氣:消 耗 ≈1.5×1018J·a−1,常見批發價 ≈8 AUD·GJ−1≈29 AUD·MW−1·h−1;

• 汽油、柴油和煤油:消耗≈2.3×1018 J·a−1,常見批發價≈30 AUD·GJ−1≈108AUD·MW−1·h−1。

毫不奇怪,寒冷國家的天然氣市場通常大于電力市場。但是,這種比較表明,運輸燃料的價格相對較高,用氫代替的前景更為廣闊,在減排上其規??膳c電力部門相提并論。

制氫途徑

如今,氫氣主要通過改造天然氣制得,煤炭氣化技術和電解技術被認為是最有前景的替代方式。值得注意的是,天然氣和煤炭技術路徑都必須包括碳捕集與封存(CCS)技術以減少排放,這增加了清潔制氫的成本。

然而,最近的許多研發都集中在使用可再生能源來給電解器提供能量。堿性和高分子電解質膜(PEM)技術是最常用的技術,兩者都有一些領先的制造商(如參考文獻,并且通過上述文獻可以清晰理解它們的優缺點。

電價和資產利用的重要性

不管是否考慮堿性電解或PEM電解,圖1均顯示電價和電解槽利用率是決定可再生氫生產成本的主要因素。如附錄A中給出的定義所述,如果沒有補貼,可再生能源要與液體燃料競爭,就需要比當前的可再生能源便宜,并能提供高利用率的電解器。

向電解器供應間歇性可再生電力是另一個難題,因為圖1顯示,電解器需要以高容量系數運行才能實現最經濟的性能。這可以通過多種方式來解決,最常見的是采用足夠穩固的電力供應,例如,通過綜合運用可再生能源以及綜合運用水能、核能或化石發電中的幾種來實現。值得注意的是,通過化石能源生產的穩固性電力供應會增加氫氣生產中的溫室氣體,如果不加注意,這會破壞電解制氫的溫室氣體效益。

前沿研究丨對可再生氫發展前景的思考
圖1 氫氣的平均成本(LCOH)與堿性電解器的容量因子(a)和容量因子為75%的成本以及近似的堿性和PEM成本(b)

要使電解器容量系數高而又不依賴于固化的另一種方法是,相對于供應電解器的可再生能源而言,減小電解器的尺寸。如圖2所示,容量遠小于可再生能源供應的電解槽的容量系數趨于100%,而容量與可再生能源相同的電解器,具有與供應可再生能源的電解槽相同的容量系數。盡管非常高的容量系數似乎很有吸引力,但小型電解槽幾乎不產生氫氣。鑒于我們的電力和運輸燃料系統的規模相似,因此我們可以選擇生產相似數量的兩者,如圖2(b)中的黃色方框所示。

前沿研究丨對可再生氫發展前景的思考
圖2 堿性電解器的容量因子(a)和堿性電解槽與提供可再生能源的發電機之間的LCOH(b)。發電數據來自澳大利亞國家電力市場中兩個正在運營的風力和太陽能發電廠

系統集成和其他注意事項

仍有許多尚未討論的因素,其影響可再生制氫的經濟性。這些因素包括:

• 在大規模的電力市場中由電解器提供輔助和需求響應服務,這往往使PEM優于堿性技術;

• 大型電解器的投資成本和效率將在未來十年內如何變化;

• 所有捆綁的電費,特別是網絡費和成本的影響。

盡管這些因素很重要,但它們沒有對本文介紹的基礎經濟產生顯著的影響??稍偕娏Φ膬r格對通過電解制得可再生氫能的前景至關重要。

結語

在未來約10年中,可再生能源生產氫氣具有可觀的商業前景,尤其是在脫碳運輸方面。如果可再生電力價格繼續下降,即使沒有補貼,與傳統液體燃料相比,可再生氫在成本方面仍具有很強的競爭力。在這種情況下,以能源為基礎的氫生產可以與現存的可再生電力相提并論。鑒于這兩個市場的規模,成本是對二者進行選擇時一個重要的考慮因素。

但是,很難看到可再生氫將如何與目前至少便宜3倍的天然氣競爭。要使可再生氫的價格與化石天然氣具有競爭力,需要每噸數百美元的有效碳價格,而且在我們的經濟中還有許多其他更具成本效益的減排方式。反過來,這表明,正如其他研究者所指出的那樣,由天然氣或煤炭以及CCS產生的氫氣可能在一段時間內具有明顯的競爭優勢。因此,堅持僅使用可再生能源很可能會減少實現氫能經濟的機會。我們需要為國內和出口的氫氣市場建立整個供應鏈。從過去約100年的電力能源、天然氣和液體燃料能源的發展中可知,這將是一項持續數十年的與社會相關的基礎設施監管任務。

如果這真的實現的話,那么將擁有以下非常富有吸引力的前景:

• 千兆瓦級的風能和(或)太陽能發電場,與亞千兆瓦級的電解器相連;

• 電解器為電力系統的安全性和可靠性提供輔助服務;

• 電解器還可以出售氧氣,將其作為工業原料獲得額外收入。

然后,公共汽車、卡車、火車和輪船可以使用在CCS或其產品中產生的可再生氫或化石氫運行。同時,混合動力或全電動輕型車輛可以提供清潔的私人出行工具,而氫能可以為工業和非電氣供暖以及為清潔的電力系統提供支持。
 
 
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