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如何降低清洁氢的成本——DOE

 更新时间:2023-07-21    点击量:501



说明:本文来自DOE出版的《美国清洁能源策略和路线图》编译和节选!透过其中去窥探大家在氢能路径上的相似和不同!

尽管从生产到最终使用的整个氢在其价值链存在各种挑战,但战略上优先考虑降低清洁氢的成本。有许多方法可以在不同的技术就绪水平下生产氢气,并产生广泛的相关碳排放和其他环境影响。各机构将优先考虑并加快行动,集中注意降低成本的最关键障碍;促进产业界、学术界和国家实验室之间的伙伴关系;根据绩效驱动指标持续跟踪和调整其投资组合;促进技术创新和大规模部署。下图1所示,氢能聚焦点是可以实现更广泛的用例和影响,并建立在整个生产途径的当前进展的基础上。


图1:氢气射击目标建立在各种途径的进展基础上,实现了一系列用例和影响


继续推进研发和开发工作,降低成本和相关的生命周期排放,对所有制氢途径仍然很重要。至少到2050年,美国可能会使用水电解制氢、利用化石燃料进行碳捕获和储存制氢以及利用生物质和废物原料制氢的混合方法。如今,热转换途径是全球氢气供应的主要途径,通常成本低,但排放高。使用清洁能源和先进途径(即实验室规模的技术,如光电化学和热化学水分解)的电解槽可以实现接近无排放,但目前成本要高得多。
1、水裂解制氢
电解利用电和电解质或膜将水分解成氢和氧。大多数电解使用以下三种技术之一:碱性、PEM和固体氧化物电解槽(SOECs)。碱性工艺是成熟的,已经使用了一个多世纪。PEM电解槽可以在亚秒级响应时间的负载范围内有效运行,这使得它们与可变能源(如太阳能和风能)特别兼容。SOEC在高温下使用陶瓷电解质,是三种技术中商业化程度低的。SOEC具有比PEM和碱性系统更高的电效率,在可获得高温热量的情况下,例如来自核电厂和聚光太阳能发电,可能更具成本效益。


清洁电力的成本占电解制氢成本的一半以上。通过降低清洁电力(可再生能源、核能)的成本,提高电解效率,降低电解槽和工厂资本平衡成本,以及实现电解槽与电网、可再生能源和核能发电机的动态集成,以获得低成本的可变电力。下图2显示了降低电解清洁氢成本的一种方案,这需要大幅降低资本成本、降低能源成本、提高效率、提高耐久性和可靠性,以降低维护成本。


图2:使用电解槽实现1美元/公斤需要更低的电力成本、更低的资本成本、更高的效率和耐用性以及更高的利用率。所描述的成本不包括激励措施的影响,用于生产清洁氢。


2020年的基准成本为5美元/公斤,这是使用美国能源部的H2A模型计算的氢气平准化成本,其中PEM电解槽资本成本为1,500美元/千瓦(小批量生产),电价为50美元/兆瓦时,容量或利用率为90%。相比之下,根据2020年国家可再生能源实验室(NREL)年度技术基线,使用目前29美元/兆瓦时的太阳能和35%的容量系数,可使得氢的平准化成本约为7.50美元/公斤,如上图2绿色箭头所示。如上图2所示,制氢的平准化成本对电力成本高度敏感。获得具有高容量系数的低成本能源(例如,通过与水电和核电站等现有清洁能源基本负荷相结合)可以促进更低的平准化成本。此外,到本十年末,电解槽资本支出的下降将在清洁氢的平均成本降低中占很大一部分。重要的是要注意成本估算。

该例子显示,到2026年,要实现《法案》要求的每公斤2美元的目标,所需的成本是基于30美元/兆瓦时的能源成本和300美元/千瓦的资本支出成本,而1美元/公斤的氢气锚定目标价将分别需要20美元/兆瓦时和150美元/千瓦的资本支出成本。

这些成本目标不包括清洁氢生产税收抵免。在所有这些情况下,假设电解槽容量系数为90%,需要使用清洁的电力,如核能或地热能,或者通过存储来补充可变的可再生能源。这个场景说明了资本成本需要减少80%,操作和维护成本需要减少90%。应该强调的是,这些只是可以实现这些成本目标的情景。尽管如此,成本、效率、电价、利用因素和耐用性的其他组合,包括高温电解槽热源的使用,也可以实现氢能锚定的目标。2020年,美国能源部启动了一个新的联盟,将国家实验室、工业界和学术界聚集在一起——H2NEW(来自下一代的水电解槽)---关于补充HydroGEN的电解技术,这是一个研究所有水分解技术的联盟,包括直接光电化学和热化学方法H2NEW将加速电解槽技术的进步,并有助于降低成本。如下图3所示,这些成本的降低将需要大批量生产、电解槽堆和工厂(BOP)组件平衡的创新,以及下一代系统中的电解槽集成。提高电解槽效率也有助于降低氢的平均成本,因为电力成本占氢成本的很大一部分。虽然对各种系统配置的分析正在进行中,但该图仅显示了每个类别中成本降低幅度的一个示例。这些数值将随着行业的发展而更新。《通货膨胀削减法案》中的清洁氢生产的信贷等政策也将在未来十年降低资本成本。



图3:降低电解槽资本成本将需要达到规模经济,并创新电解槽堆栈和工厂平衡组件。

降低资本成本没有简单的总体成本驱动因素。如下图4所示,必须解决包括电解堆栈和工厂平衡系统在内的多个组件。


图4:电解槽堆和工厂平衡资本成本降低的驱动因素有很多


随着能源储存和清洁能源需求的增长,利益相关者必须继续探索电解槽并网和离网一体化的创新机制,以实现低成本获得可变的清洁能源。创新的系统设计也可以提高电解槽的经济性,例如通过同步产生的氧气出售产生效益或利用废热。


2、利用碳捕获和储存技术从化石燃料中制氢


该法案要求能源部考虑并支持从多种能源生产氢气的机会,包括化石燃料和CCS。机会包括美国天然气储量丰富的地区、二氧化碳储存库或现有的天然气供应基础设施。如下图5所示,考虑到石化行业对天然气和氢气的需求,目前的天然气基础设施网络和SMR工厂都主要集中在墨西哥湾沿岸地区。氢气目前是炼油行业的重要原料,主要用于裂解重质原油和脱硫产品流等。根据氢气供应来源的不同,用清洁氢气取代目前炼油厂使用的氢气可以将炼油过程的生命周期排放量减少约12%。


图5:美国氢气和天然气的制氢装置和管道


在SMR的二氧化碳排放到大气之前进行捕获和储存,可以将氢气生产的生命周期碳强度降低50%以上,具体取决于CCS速率和上游排放,包括天然气开采、传输和使用过程中的逸散性排放。高碳捕获率(例如超过95%)和极低的上游甲烷排放将是至关重要的。将CCS添加到现有的SMR设备中,为大规模加速化学和精炼氢的使用提供了一条途径。目前,许多小型装置位于炼油设施附近或与炼油设施集成,利用当地低成本和丰富的天然气。许多现有SMR装置所在的墨西哥湾沿岸也包含一些现有的二氧化碳管道基础设施。

带有碳捕获的自热重整(ATR)是另一种从天然气中生产氢气的方法,预计其成本低于带有CCS的传统SMR,特别是在商业规模和低成本电力地区。这种方法需要将空气分离装置与重整过程相结合,以提高热效率,实现更高的捕集率和更低的CCS成本。第三种基于天然气的生产方式是甲烷热解,它利用高温将甲烷分解成氢和固体碳——这是一个有吸引力的选择,因为固体碳可以为工业橡胶和轮胎制造以及油墨、催化剂、塑料和涂料等特种产品提供增值的副产品。

从甲烷原料制氢的温室气体强度也取决于天然气供应的生产和运输过程中甲烷泄漏的程度。预期的法规和甲烷监测方面的进展有望减少这些排放,并提供更大的测量确定性。甲烷泄漏率会对空气质量和毒性产生影响,因作业者的作业方式而异。今天,装备了CCS的小型堆制氢系统比单独的小型制氢装置要贵大约55%。二氧化碳运输和储存成本、可变成本和资本成本的降低有助于实现氢气锚定的的目标,如下图6所示。美国能源部资助研发和研发,以降低成本,提高SMR和ATR系统的CCS性能。未来降低成本的途径包括改进CO2/H2分离的工艺集成,使用高压或高温膜分离,固体CO2吸附剂,先进的催化剂和新的氧气分离方法。然而,使用低成本的天然气仍然是通过CCS途径重整获得低成本氢气的最重要方法。除了降低成本外,美国国家战略还不断强调低温室气体排放途径的重要性,包括减少上游排放。捕获的碳也可以在工业过程中利用,而不是储存在地下。新兴的利用途径包括建筑材料的建造和化学品的生产。美国能源部正在支持将二氧化碳转化为有用产品的研发和开发。


图6:使用CCS的甲烷原料实现每公斤1美元生产成本所需的成本降低。基线是假设使用CCS进行自热重整


在使用化石燃料的所有情况下,联邦机构将优先考虑从生产到最终使用的整个价值链中减少排放。此外,无论其主要生产途径如何,制定测量和监测解决方案并将氢气泄漏风险纳入建设氢气运输基础设施的决策也很重要。最后,美国联邦机构将优先考虑利益相关者的参与,以解决潜在的环境问题和可能因为拥有化石燃料氢和CCS技术而给社区带来的累积负担。


3、生物质和废原料制氢


其他制氢途径包括生物质气化与碳捕获和储存,以及SMR或ATR,使用有机垃圾填埋物、污水或农业废弃物中的沼气等原料代替天然气。根据原料的不同,这些生产方法可能是低碳的,也可能是负碳的。在评估这一途径时,应考虑整个生物质供应链的生命周期排放,包括直接和间接的土地利用变化,以及肥料等农业投入。

当生物质途径与CCS相结合时,它们的净排放量有可能为负。例如,当废物原料从垃圾填埋场转移到用于制造氢气时,处理废物产生的一些甲烷也从大气中转移并热转化为清洁氢气(即,考虑到区域的实际情况和法规,否则不会燃烧或热解的甲烷会排放到大气中)。


4、其他系统的成本


降低成本并不仅仅局限于氢气生产。例如,氢价值链中各种技术和组件的成本如下图7和图8所示。


图7:到2030年的中游成本估计和潜在的最终用途。改编自美国能源部的报告《通往商业发射的道路:清洁氢》。


各机构将继续加强活动,以降低整个价值链中所有关键技术的成本,包括减少供应链脆弱性和促进(美)国内制造业。为响应美国总统关于美国供应链的14017号行政命令,能源部发布了一套清洁能源供应链评估,包括燃料电池和电解槽的供应链。BIL电解槽和清洁氢制造和回收拨款(五年内15亿美元)将与年度拨款一起用于执行这一战略。此外,美国财政部和国税局与能源部合作,宣布为轮合格先进能源项目信贷(48C)提供约40亿美元的额外指导,用于扩大美国清洁能源技术和清洁能源技术生产关键材料的供应链的项目,以及减少工业设施温室气体排放的项目生产电解槽、燃料电池汽车和其他氢技术的设施都有资格申请。

氢气输送、储存和分配给最终用户的成本根据所使用的供应模式而有很大差异。目前,大规模氢气输送主要有四种方法:气体管道拖车、液体罐车、管道(用于输送气体氢气)和化学氢气载体。管道拖车和液体罐车通常用于氢需求正在发展但尚未稳定的地区。天然气管道通常用于可预测几十年的需求和每天数千吨的区域规模。化学载体对远距离氢气输送和出口市场很感兴趣,可以大致分为单向或双向载体。单向载体是在氢气释放后(如氨)不释放副产品的材料。双向载体是那些产品通常在氢释放后返回处理以重复使用或处置的载体(如甲基环己烷/甲苯)。化学氢载体的使用尚处于商业化的早期阶段,需要进行研发工作,以提高这些材料的载氢能力,提高充放电率、可逆性和整体往返效率。


交付后,氢气在使用前可能需要在现场进行调节(例如,加压、预冷或纯化)。在汽车氢燃料站,压缩、储存和分配是三个的驱动因素。研发工作需要降低成本,提高可靠性,并增加这些组件的吞吐量。氢气一旦被分配,通常会被储存在全金属或复合材料包裹的压力容器中。研发人员需要降低当前设计的成本,比如降低碳纤维包覆层的成本,并推进车载存储的新方法,比如绝缘液体罐。例如,下一代燃料(氢)分配系统需要进行研发,由于涉及的资本支出以及在高速率和超高压(700 bar)下为车辆加氢的复杂性,同时要遵守安全协议,因此成本更高。
图8:氢气生产、分配和储存技术的成本驱动因素示例


总结:


从美国《清洁能源策略和路线图》中《如何降低清洁氢的成本?》章节可以看到以下几点核心:
1)未来美国清洁氢的不同来源(电(裂)解水(可基于再生能源或核能)、结合CCS的化石能源来源、生物质等),和国内并无太大差异。更多是我们的能源禀赋不同。
2)降本逻辑也是基于电力来源价格以及基础资本投入(购置和维护成本)。还有整个氢能价值(产业链)不同环节的降本。

3)特别需要关注的是一系列刺激法案以达到美国本土关于这个产业制造能力的架构。这点非常值得关注。



文章来源:氢眼所见
注:已获得转载权

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