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氢和再生能源的关系

 更新时间:2023-06-02    点击量:437
世界正在经历能源生产、转化、储存和各种形式使用方式的巨大变化。人们越来越意识到,需要走向一个能源不再助长气候变化和当地污染的社会,需要用可再生能源取代化石燃料。


随着可再生能源在全球电力部门的部署增加,需要迅速引入利用可再生电力通过电制气战略使最终各用途部门脱碳,或将电力转化为高价值化学品或燃料的解决方案。此外,到2050年,由于电力需要从最终能源消耗的20%左右增加到50%左右,因此仍然需要对直接电气化更具挑战性的应用场景(所谓的“难以减少"领域)进行脱碳(终端电气化和氢能源的互补)。



氢只是使难以减排的行业用来脱碳的一种选择。能源利用的效率是减少能源供应和上游可再生能力的关键,而生物能源可能是合适的,不仅以生物燃料的形式适用于燃料替代品有限的运输部门(特别是航空),而且还可以作为合成燃料的碳来源。从系统的角度来看,直接电气化效率更高,成本更低,已经在许多领域(例如供暖或乘用车)进行了商业应用。碳捕获与封存(CCS)可能对仍处于使用寿命早期阶段的现有资产和过程排放具有吸引力。然而,即使在理想的情况下,这些技术选择可能还不够,可能需要改变行为来推动能源需求进一步降低。因此,对于能源转型而言,氢是众多解决方案中的一个,应该并行处理。氢也是更广泛的技术组合的一部分,需要适应每个国家的国内条件。

绿氢(即由可再生电力产生的氢)将可再生电力与一系列最终用途应用联系起来,作为电气化、生物能源和直接可再生能源使用的补充。绿氢的潜力远远高于化石燃料,因为它与太阳能和风能的潜力有关,远远超过当今和未来任何情况下的全球能源需求。最重要的是,在脱碳的背景下,绿氢是零碳制氢选择,因为CCS的碳捕集率为85%-95%,而且迄今为止明显更低。

一旦达到规模和具有竞争力的成本,绿色氢还可以进一步转化为其他能源载体,如氨、甲醇、甲烷和液态烃。作为燃料,氢可以用于燃料电池(即一种将空气中的氢与氧结合并产生电力的电化学发电装置),但也可以在发动机和涡轮机中燃烧。燃料电池可用于大型发电厂、微电网或备用发电(例如数据中心)的固定应用,也可用于广泛的运输应用,如燃料电池电动汽车(FCEV)、卡车、轻型车辆、叉车、公共汽车、渡轮和船舶。作为一种化学物质,绿色氢可以减少目前广泛使用化石燃料制氢的行业的温室气体排放,包括炼油、甲醇和氨生产。

绿氢只是生产途径之一。氢也可以从生物能源、甲烷、煤甚至直接从太阳能中产生。目前的大部分生产都是基于甲烷和煤炭(约95%),并且可以通过使用CCS实现低碳。CCS可能适用于天然气成本低、地下储层合适的地区。在短期内,考虑到电解的部署规模相对较小,CCS也可能很适合大规模的工业应用。不过看国内的一些趋势,某些场景可能跨过CCS这个环节,直接进入绿氢环节。

低碳氢也可以通过甲烷热解产生,在这种情况下,碳最终以固体而不是二氧化碳的形式存在,其耗电量比电解低4-5倍,并且可能降低制氢成本。但是每种途径都有其局限性。考虑到生物能源的有限性和较低的固有产氢量,它可能适合于其他应用。CCS不会导致零点排放,需要大量的二氧化碳基础设施,不能实现部门之间耦合,而且仍然容易受到化石燃料价格波动(地缘政治、储量短缺等因素造成)的影响,并且可能面临社会接受问题。此外,与天然气生产和运输相关的甲烷泄漏作为加速气候变化的重要因素,已受到越来越多的关注。在20年的时间范围内,甲烷的全球变暖潜能值是二氧化碳的86倍。热解仍处于中试阶段,需要高温可再生或低碳热量。因此,考虑到该行业,因为它的性质和可再生特性,绿氢是具吸引力的选择之一。

然而,与其他生产途径类似,绿氢也面临着挑战。这些问题包括:目前从电解到运输和燃料电池的整个价值链的高成本;缺乏现有的运输和储存基础设施;高能量损失(这反过来又需要更高的风能/太阳能部署率);以及绿氢可能具有的主要效益(例如降低温室气体排放,脱碳的经济价值)目前还不能体现其实际价值。



可再生能源正在成为世界上便宜的电力来源,具有进一步降低成本的巨大潜力。从长远来看,这为从好的可再生资源到土地或可再生潜力有限的地区进行全球低成本绿氢交易提供了机会。这种贸易可以直接以液氢进行,也可以氢载体的形式增加运输的能量密度,或以商品的形式(例如还原铁和化学品)。

这个等式中缺少的因素是将可再生能源转化为绿氢的关键设备:电解槽。电解槽是利用电力和水作为输入生产氢气所必需的技术。电解是一项成熟的技术,主要应用于化学工业。虽然需要扩大规模以降低成本,但也需要技术创新来进一步改善技术的性能(即其效率和寿命)。这可以通过新的催化剂和配置、设计的标准化以及设备的大规模生产来实现。

如今,在所有有利条件都具备的地区,绿氢已经接近具有竞争力,但这些地区通常远离(工业发展、发达等)需求中心。然而,在大多数地区,绿氢仍然比灰蓝氢贵2-3倍。前者的成本由电解槽设施的电力成本、投资成本、固定运行成本和运行小时数确定(见下图,可见成本和运行时数的关系)。

说明:标称容量下的效率为65% (LHV为51.2 kWh/kg H2),折扣率为8%,堆寿命为80,000小时。
由于运行时间短,投资成本占主导地位,因为它分摊在较少的氢气产量上。当仅使用缩减或余电的电力或与PV耦合而没有任何蓄电储能时,可能会发生这种情况。随着运行时数的增加,电力成本占主导地位。基于当前工艺的效率,进入该工艺的任何电力成本转化为最终生产成本的大约1.5倍左右。

在低成本的可再生电力、低投资成本和高运行小时数的优条件下,绿氢可以实现与化石燃料氢的成本竞争力,注意每年仅3000-4000小时左右就足以实现投资贡献的减少。这可以通过大型风光耦合厂来实现,在全球好的位置,可以实现5000小时以上的容量系数。

总结:

基于化石能源(或者结合CCS等措施)的制氢方式仅是氢能源的一个过渡阶段,也需要该阶段,一是达到一些减碳的效果;二是在绿氢还没有量之前储备好所有氢能源利用消纳场景的技术路径。氢能源一定是基于低代价获得再生能源来制氢,可以是电解、光解、热解等等不同的方式,核算经济效益也仅是投入再生能源以及制氢设备的的装机成本以及后期运维,电价仅仅是一个核算成本的中间体,最终可以略过!


文章来源:氢眼所见

注:已经获得转载权



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