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深度:生产、储存、分配、应用,氢经济为未来十年注入活力

来源:新能源网 892 2024-01-25

颗粒在线讯:近年来,全球范围内的脱碳努力势头强劲。可再生能源、电气化和电池储能是主要的解决方案。然而,一些行业仍然难以使用这些方法脱碳,包括重工业、供暖和某些运输部门,如航空和海运。

  氢气为这些具有挑战性的行业提供了一个有希望的解决方案。它作为燃料、能源载体和化学原料的潜力促使许多政府制定了国家氢战略。因此,公司正在抓住市场机会,提供一系列服务、产品和技术。蓬勃发展的氢市场正在引起全球利益相关者的关注。

  一个有凝聚力的价值链对于实现氢的潜力至关重要,包括与最终用户需求相一致的低碳氢气生产、储存和分销基础设施。与石油天然气行业类似,氢价值链包括上游(生产)、中游(储存运输)和下游(最终用途)三个环节。每个部分都提出了独特的技术和社会经济挑战。

  氢能经济:现状与目标

  目前,全球98%以上的氢气来源于基于化石燃料的灰氢和黑氢,通过蒸汽甲烷重整和煤气化生产。这些方法大大增加了二氧化碳的排放。作为回应,许多公司正在开创低碳氢气生产技术,专注于蓝氢(利用二氧化碳捕获的天然气重整)或绿氢(利用可再生能源进行水电解)。

  能源转型需要新的低碳氢设施。因此,各国政府正在为未来几年制定明确的生产目标。例如,英国的目标是到2030年实现10GW的低碳氢气(每年250万吨蓝色氢气,5GW绿色氢气),而美国的目标是每年1000万吨。其他几个国家也有雄心勃勃的生产目标。

  然而,由于生产成本高(尤其是绿色氢)、缺乏支持可再生能源和CCUS基础设施、做出最终投资决策的筹备时间长以及融资和许可方面的挑战,新生产基地项目的宣布和开发步伐落后于这些目标。

  再加上中游存储和分销网络不足,整个价值链的技术和基础设施都有巨大的发展和创新机会。

氢经济为未来十年注入活力

  蓝色氢生产技术

  目前,源自天然气的蓝氢是最具成本效益的低碳氢气生产方法,其氢气的平准化成本(LCOH)估计约为2-4美元/公斤氢气。相比之下,绿氢的LCOH高得多,为4-10美元/公斤氢气,这取决于生产方法和可再生能源可用性等地区因素。因此,蓝氢被视为过渡解决方案,直到绿氢在商业上可行。

  有几种技术可以生产蓝氢。最普遍的是蒸汽甲烷重整(SMR)。已经出现了其他使用甲烷的可扩展方法,如部分氧化(POX)工艺,该工艺将废弃的碳氢化合物原料转化为有价值的合成气,并在全球一些炼油厂使用。另一个值得注意的方法是自热重整(ATR),一种SMR和POX的混合技术。

  ATR因其能源效率和与碳捕获技术的兼容性而备受青睐,这对成本效益高的蓝氢生产至关重要。

  利用ATR的著名项目包括Air Products在阿尔伯塔省的净零氢能综合体,该综合体利用了Topsoe的SynCOR技术。IDTechEx预计,SMR、POX和ATR将在未来十年引领蓝氢行业,到2034年,ATR可能会主导新的产能。

  绿色制氢技术

  通过可再生能源驱动的水电解生产的绿色氢气正引起人们的极大兴趣。它的生产有几种技术。最成熟的是碱水电解槽(AWE),它使用氢氧化钾(KOH)碱性电解质。得益于价格合理的组件和镍、钢等催化材料,AWE拥有比同行更低的资本成本。尽管如此,其动态可操作性较差,并且在大气压下其效率较低。因此,市场上出现了加压AWE,大多数参与者都提供这种系统。

  质子交换膜电解槽(PEEL)是最受欢迎的技术,因为它可以与可再生能源很好地集成,并遵循其特性,在几分钟内提高或降低产量。该技术与AWE有不同的结构和工作原理,使用聚合物膜(主要是Nafion-全氟磺酸隔膜)作为电解质。

  缺点是它依赖于铂族金属(PGM)电催化剂,尤其是阳极的氧化铱——铱是一种昂贵且稀缺的矿物。因此,最大限度地减少PGM的使用和开发替代催化剂是一个关键的行业重点。

  其他技术包括利用陶瓷电解质的固体氧化物电解槽(SOEL)和旨在融合AWE和PEEL优点的阴离子交换膜电解槽(AEMEL)。然而,IDTechEx预测,AWE和PEEL将在未来十年引领市场,因为它们已经建立了市场。

  削减电解槽工厂成本(CAPEX/OPEX)、运营大型工厂和扩大电解槽制造能力对未来至关重要。然而,获得负担得起的可再生电力将最终决定绿色氢的成功。

氢经济为未来十年注入活力

  储氢技术及其应用

  高效氢气运输和储存的发展对于最大限度地发挥氢气作为工业原料、燃料和能源载体的潜力至关重要,氢气是生产和消费之间的桥梁。

  虽然氢具有高的重量能量密度,但由于其在环境条件下的低密度,其储存和运输面临挑战。为了提高其体积能量密度,需要在-253°C的低温下进行大量压缩(100-700巴)或液化。然而,这两个过程都消耗大量能量,压缩和液化分别消耗原始氢能的10-30%和30-40%。

  压缩气体和液氢罐通常用于固定储存,如加氢站。对于生产现场和终端的更大存储,液态氢载体是优先选择。替代品,如金属氢化物,提供较低的压力操作(10-50巴),并且由于其效率,可能更适合储能应用。然而,这些系统尚未广泛商业化。

  压缩氢罐,特别是III型和IV型复合材料罐,在燃料电池电动汽车(FCEV)中很受欢迎,现代Nexo和丰田Mirai等车型使用700巴的IV型罐。虽然压缩存储在轻型汽车中仍将占主导地位,但正如戴姆勒卡车公司所看到的那样,容量更大的液氢罐正在重型汽车领域进行探索。

  地下储气库,如盐洞,与传统的天然气储气库相似。Uniper和Gasunie等公司的目标是尽快将这些设施纳入氢气管道。预计它们将在季节性储存中发挥关键作用,在需求高峰期间为系统供电。

  工业项目也可以将地下设施用作氢气的缓冲储备——瑞典的可持续炼钢项目HYBRIT正在使用衬砌岩洞(LRC)测试这一概念。然而,监管和漫长的项目开发时间仍然是这种存储类型面临的主要挑战。

氢经济为未来十年注入活力

  氢气分配及其应用

  压缩和液氢拖车目前用于小型需求,如加氢站或试点项目。虽然Hexagon Purus和Chart Industries等公司已经开发了各种类型的压缩气体和液体运输船,但LIFTE H2等公司创新了移动加氢机,以抵消加氢站的稀缺性。未来的氢能系统将需要这种混合解决方案。

  全球有约5000公里的氢气管道,主要集中在美国墨西哥湾沿岸和欧洲部分地区。由Air Products、Linde和Air Liquide等工业天然气巨头管理,他们主要向炼油厂等附近的工业设施供应氢气。

  这种限制强调了扩大管道网络以更广泛地连接生产和消费地区的迫切需要,使未来的参与者能够从该网络中供应和提取氢气。管道可能是大规模和长途运输中最具成本效益的解决方案,因此构建网络至关重要。

  计划进行新的建设,像HyNet西北氢管道这样的项目已经在进行中。重新利用天然气管道是可能的,但需要广泛的模拟、测试和风险评估来确定合适的管道。欧洲氢能骨干计划在制定大规模管道网络愿景方面处于领先地位,有30多家运营商参与其中——许多管道计划从现有网络中重新利用。

  将氢气混合到天然气中也是供暖和电力行业部分脱碳的一个流行概念,HyDeploy等项目证明,在现有管道中混合20体积%的氢气是安全的。然而,更高比例的混合物将需要对住宅和工业部门的许多电器和设备进行改造。

  国际长途运输可能涉及液氢(LH2)或转化为氢载体,如氨或液态氢载体(LOHC)。液氢运输在HESC项目中由川崎重工的Suiso Frontier船进行了演示,该船将氢气从澳大利亚运输到日本。然而,由于处理液氢的困难,与氢载体相比,这种途径可能是不可行的。

  使用氢载体的优点是利用现有的运输路线和船只,尽管需要额外的加工设施。Chiyoda Corporation和Hydrogeneous LOHC Technologies等公司正在将其LOHC解决方案商业化。还计划在鹿特丹港建造一个氨接收码头。

  因此,许多公司将氨和LOHC视为国际氢气供应链的关键推动者。因此,考虑到欧洲和日本等地区可能需要净进口氢气,预计它们将在未来发挥重要作用。

  氢在行动:最终用途部门和燃料电池

  通过从灰色氢气过渡到蓝色和绿色氢气,预计氢气将使炼油、氨和甲醇生产等传统使用氢气的行业大幅脱碳。这些行业将占低碳氢气需求的大部分。

  另一个有前景的途径是炼钢,氢气可以生产直接还原铁(DRI)。主要炼钢公司将其视为可持续钢铁的未来,预计它将取代碳密集型高炉工艺。此外,氢气在生物燃料和合成燃料生产以及各种电力和热力应用中正在出现新的工业用途,包括储能、热电联产以及住宅和工业领域的供暖。

  尽管目前对氢气需求的贡献较小,但预计这些行业将实现可观的长期增长。

  氢还为包括运输、备用电力、工业和公用事业在内的几个不同部门提供了一种替代发电方式。目前,质子交换膜燃料电池(PEMFC)是燃料电池装置的主要选择。

  低操作温度、小外形因数和高功率密度,再加上快速上升时间,意味着PEMFC特别适合在零排放交通领域提供电气化的替代方案。

  燃料电池电动汽车(FCEV)在全球范围内,特别是在亚洲,越来越受欢迎,政府的目标和拨款推动了轻型、中型和重型汽车加氢基础设施和新汽车概念的发展。枢纽到枢纽路线的概念对FCEV来说很有趣,它的续航里程远大于电池电动汽车(BEV)。燃料电池推进系统也受到包括海运、铁路和航空在内的长途运输部门的关注。

  然而,将燃料电池堆与适当的储氢装置、换热器和其他平衡装置组件集成仍然是一个挑战。尽管PEMFC具有优势,但它也有局限性,包括需要昂贵的铂族金属催化剂和超纯氢气来防止催化污染。因此,诸如固体氧化物燃料电池(SOFC)的替代燃料电池正受到关注。

  SOFC的高运作温度允许燃料选择的多功能性,并消除了对贵金属催化剂的需求。它们的热排放可以用于局部加热(CHP),大大提高了燃料电池的效率。

  然而,这些温度也会导致热降解和漫长的启动/关闭时间,使SOFC更适合连续固定电源应用,而不是作为快速启动的备用电源。

  尽管燃料电池行业有所增长,但值得缓和炒作。IDTechEx预测,到2033年,SOFC的累计装机总量(MW)将比仅在运输行业的PEMFC低一个数量级,而同期的FCEV与纯电动汽车相比也是相形见绌。

氢经济为未来十年注入活力

  氢的未来之路

  氢市场的势头越来越强劲,其特点是公司参与度、投资、政策支持和广泛认可度不断上升。每年都会看到新的技术进步,因为公司都在评估各种选择和商业模式,以开拓这个新兴市场。市场情绪基本上是乐观的,许多人预计氢经济将强劲增长。

  IDTechEx预计,低碳氢市场将大幅扩张,根据预计产量,到2033年,其估值将达到1300亿美元。

  然而,该行业必须克服一些重大障碍,以确保氢在可持续能源未来的地位。协调生产和运输基础设施与最终用途场地的发展至关重要,因为生产举措取决于签订承购协议。

  这种协调对于避免该行业经常讨论的“先有鸡后有蛋”的困境至关重要。从根本上说,如果没有既定的低碳氢气生产,就不可能有氢气流动性或绿色炼钢,因此随着当地氢气经济的发展,工厂应该有扩张的空间。

  另一个障碍是降低与绿色氢气相关的成本和漫长的时间表。这些挑战可以通过增加可再生基础设施开发、降低可再生能源价格、加强电解槽技术并将其制造规模扩大到吉瓦级来解决。

  此外,政府激励措施,如税收减免、赠款和贷款,将是资金密集型氢项目的关键。加快许可程序,特别是对于蓝氢的CCUS基础设施和加氢站来说,这对于维持项目进度至关重要。

  还有许多更广泛的宏观经济挑战。其中包括在全球经济减速的情况下寻找项目资金,在全球范围内标准化低碳氢气的定义,以及设计氢气的财务和跟踪机制。由于氢尚未商品化,建立健全的金融体系将是氢经济成功的关键。

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