澳大利亚CSIRO发布《国家氢能路线图》

         20188月,澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)发布了《国家氢能路线图》[1]。该路线图分析了氢的制备、存储及运输、应用等氢利用价值链上的主要技术、优势技术、发展的现状及存在的障碍,提出了针对性的技术和政策建议,最后针对不同的研究方向提出了2018-2025年和2025-2030年的研究计划。

  该路线图认为,氢气可以取代天然气作为低排放热源,也可以替代许多工业过程中具有成本竞争力的低排放原料,而且通过克服与能源间歇性相关的挑战,氢气可以促进电力网络向可再生能源占比更高的阶段过渡。此外,氢气还为优化电力、天然气和运输部门之间的可再生能源使用提供了机会。在全球范围内,氢气行业受到一系列成熟技术的支撑,相关市场即将达到“临界点”。

  一、氢工业的发展

  氢市场之所以不活跃是因为与其他能量载体(如电池)和原料(如天然气)相比,缺乏支持其应用所需的基础设施及氢供应的成本较高,这可以通过私营部门和公共部门价值链(制备、存储运输及使用)上的一系列战略投资来解决。适当的政策框架可以为氢创造市场拉动效应,随后对基础设施、氢气生产、储存和运输等领域的投资可能才会出现。氢气的独特优势在于它可以同时为多种来源的需求提供服务。

  二、氢利用的价值链

  1、氢的制备

  目前有两种成熟途径可以产生氢:热化学制氢和电化学制氢。热化学制氢(该过程必须与碳捕获和储存及时配合使用以产生清洁的氢)必须规模化(即>500/天)建造,以抵消发电厂和储存制氢过程中伴生的二氧化碳的资本成本。电化学制氢技术包括聚合物电解质膜(PEM)和碱性电解(AE)。虽然目前电解制氢成本较高,但PEM电解很快将成为更具竞争力的氢生产形式,还需要进一步研究提高PEM工厂的设计和效率,扩大生产规模,降低这两种电解氢技术的资本成本。预计到2025年,电解制氢的成本可能会降到2.292.79美元/千克。

  2018-2025年,采用热化学方法制备氢的研发重点为:利用氢选择薄膜增强水和二氧化碳分离效果;进一步研究过程的集约化。2025-2030年继续研发新兴技术,如化学链、甲烷裂解、生物质气化和太阳能燃料;继续进行二氧化碳储存库评价和示范研究。

  2018-2025年,采用电化学方法制备氢的研发重点为:研发催化剂、低阻力膜以提高PEM效率;研发催化剂层和膜以及防腐等提高电池堆使用寿命的方法;降低生产成本;推进新兴的高温电解技术等。

  2、氢的存储和运输

  氢储存技术可大致分为3类:压缩,在较高压力下储存气态氢以增加储存量,包括大型地下储存(例如盐洞)和天然气管道中的线路封装液化,将氢气加压并冷却至-253?C,使其处于液态;化学品,一些可以携带氢气的氨、金属氢化物和甲苯等分子。

  1)氢储存。最合适的氢气储存技术需要考虑氢气量,储存占用空间(例如储罐尺寸)和能源使用等问题。压缩气态氢由于具有相对较低的成本和更大的空间可用性成为固定氢储存最具吸引力的方式。随着压缩效率的提高,预计2025年前由于氢的储存将使氢的生产成本增加约0.3美元/千克,由于氢的液化将使氢的生产成本增加1.591.94美元/千克。作为替代方案,氨合成(通过传统的Haber-Bosch工艺)可以额外增加1.101.33美元/千克的氢气成本。

  2)氢运输。制备地和使用地之间的距离越大,氢气供应链成本越高。储存和运输技术通常需要考虑氢需求、可用的基础设施和距离等要素。氢气在家庭中使用时,管道对长距离输送大量压缩气态氢及其在使用网点中的分布都很重要。随着往返距离(即>4000千米)和对氢的需求增加,将优先发展具有更高氢密度的技术,如氨合成和液化。

  2018-2025年针对氢气的储存和运输,主要研究方向为:管道材料及其操作压力;提高氢气的压缩效率;开发液化催化剂、冷却剂和材料;适合氨裂解的更便宜的催化剂及性能优异的电化学反应;调查用于氢气存储的盐穴储气库及测试枯竭的气体库。

  3、氢的使用

  1)氢燃料运输。氢燃料运输代表了氢工业发展的早期目标市场。目前燃料电池电动汽车(FCEV)投放市场的主要障碍是资本成本以及缺乏支持其使用的基础设施。制造业的规模经济以及专用和自动化生产线的建立能使资本成本最大幅度的减少。澳大利亚FCEV市场的成功在很大程度上取决于氢气加油站的战略部署。目前的成本为从每站150万美元到200万美元不等。预计到2025年,氢气加油站的构建成本和运营成本将大幅减少(即50100万美元)。加油站的部署需要车站操作员和汽车制造商之间的高度协调(即匹配氢气供应和需求)。澳大利亚是通过海外合资企业在特定区域推出大量站点(例如,35年时间推出100个站点)实现的。此外,政府在承担初始需求风险和促进制定相关运营标准方面也发挥着关键作用。

  2018-2025年该领域的主要研究方向为:利用大学和政府旗舰项目的示范性,扩大氢气加油站的适用范围;氢气加油站持续的测试和优化。2025-2030年,制定面向氢气燃料运输的铁路和网络规划。

  2)工业原料。使用清洁氢作为工业原料包含了氢的直接替代。盈亏平衡点将受天然气价格影响,而不是通过电解方法降低氢气成本。因此,在清洁氢具有商业竞争之前,鼓励在这些过程中使用清洁氢比采取措施活跃市场更有必要性。

  2018-2025年针对工业原料的研究主要为:将氢气作为生产源植入现有的工厂生产中;氨存储氢技术。2025-2030年的研究方向主要为利用氢气还原铁矿石制备钢铁。

  3)出口。出口氢气是澳大利亚的重要机遇。该行业的发展在很大程度上取决于生产技术、储存技术和运输技术。2030年之后澳大利亚利用褐煤制氢才能达到商业生产规模,预计最初的大部分需求将通过电解与专用可再生能源和/或并网电力相结合来满足。要想与其他氢气出口国竞争,澳大利亚氢气生产的目标价格需为23美元/千克(不包括储存和运输成本)。

  2018-2025年针对氢气出口的研究主要为大力研发氢气的生产、存储和运输等技术。

  4)电网。氢系统可以为电网提供稳定性和可靠性服务。电网中波动性可再生能源(VRE)的比例在未来5年内将持续增加,因此对这些服务的需求可能会增加。并网电解槽提供灵活的负载,可以帮助管理电网稳定性。对于电网可靠性,氢系统(以及燃气涡轮机)是克服季节间歇性挑战的唯一技术解决方案。虽然燃气涡轮机可能更便宜,但考虑到碳和天然气供应风险及建造新天然气的成本时,其价格差异即可忽略。

  2018-2025年针对电网的研究主要为研发燃料电池,提高资金成本和电池堆的寿命;研发氨/氢涡轮机和可充电燃料电池。

  5)偏远地区电力系统(RAPS)。随着氢和燃料电池成本的降低,基于氢的RAPS有望在2025年前与柴油等价物同样具有商业竞争力,因为氢能够在单一地点为多个作业提供服务(例如物料处理、运输、供热和废水管理),未来34年示范的主要目标应包括较小的远程采矿作业。

  2018-2025年针对RAPS的研究主要为:对特定区域进行可行性研究;在采矿活动中示范RAPS

  6)热量。2030年前,为了产生热量而直接燃烧氢气不太可能在纯商业维度与天然气竞争。富氢的天然气网络为氢气提供了早期市场,并且在不需要对现有基础设施进行重大升级的情况下,为该行业的脱碳提供了一个更短期的选择。然而,由于气体不同的燃烧性质和特性,将天然气100%置换为氢需要对现有的设备和管道进行升级。相比之下,升级住宅设备在技术上更加直接,并且有望在2030年左右实现广泛的推广,这需要更换天然气供应管道中的转换头。通过在管道分配网络处放置电解槽并且在切换发生之前强制制造和安装标准化且更易于转换的设备,可以在一定程度上减轻转换过程中的相关风险。

  2018-2025年针对热量的主要研究方向为:研发能100%产氢的设备;天然气富集氢气试验;在指定城镇进行可行性研究;在指定城镇开始试点项目;在工业现场示范氢气的使用。2025-2030年的研究方向为制定协调推广住宅设备的相关计划。

  7)合成燃料。合成燃料不太可能在纯商业维度与原油衍生燃料相竞争。竞争态势的转变可以通过生产合成气(使其作为煤气化和/或蒸汽甲烷重整的中间体)来实现,然后将其用于生产更高级的合成燃料。但是,该过程仍具有显著的排放特征。作为替代方案,将氢气与二氧化碳废物流相结合的液化动力可用于合成较低排放的燃料,这些燃料可在航空和航运等较重型运输中发挥重要作用。

  2018-2025年针对合成燃料的研究方向为提高可逆水气转换反应的效率。                                               (张超星)

 

  


 

[1] CSIRO roadmap finds hydrogen industry set for scale-up. https://www.csiro.au/en/News/News-releases/2018/Roadmap-finds-Hydrogen-Industry-set-for-scale-up

原文始发于:澳大利亚CSIRO发布《国家氢能路线图》

 

 

注:除标明原创外,均为网友或机构投稿分享,如有宣发需求请联系dongxizhiku@163.com。