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揭秘氢经济

电力和能源
揭开氢经济的神秘面纱(1)

揭秘氢经济

经过:Sandeep Mukunda.

作者:Sandeep Mukunda & Richard Rys

氢气已经成为最新的热门词汇,许多能源分析师称其为可持续能源生产最有前景的前景,并作为下一个可行的燃料,在交通、能源生产和加热应用中取代传统化石燃料。正在进行的促进绿色、零排放和可持续能源的运动,正在导致在世界几个发达地区开发概念的氢动力经济的几项新的投资和研究。由于零碳、致癌物或微粒排放,以及超出图表的热值,氢是超过化石燃料的理想燃料。然而,在历史上,氢一直与生产、传输和存储相关的几个挑战有关,而在价值链的需求侧存在的巨大差距对氢作为一种潜在燃料来源的有效性和真实成本提出了几个问题。

借助ARC咨询集团在全球能源价值链领域的市场研究专长,我们将以中立的态度来解决其中的一些问题,并探讨氢在未来为什么、如何、何时以及将真正取代化石燃料?

揭秘氢经济

绿色氢代

通过“蒸汽甲烷重整”方法进行了超过90%的全局氢气制造。通常称为蓝色氢,蒸汽甲烷重整被广泛用作大规模氢生产的低成本手段。蓝色氢被广泛用作化学制造业的原料,以生产氨和其他应用。虽然蓝氢是目前最便宜的生产方法,但它需要天然气,并将碳捕获和储存添加到改革过程中,以限制二氧化碳排放将大大提高大规模发电的成本。

随着可再生能源的不断普及,电解水现在被企业视为全球制氢的下一个最佳工艺。通过电解制氢,利用风能和太阳能产生的过剩电力,可再生能源发电将是一个更可持续和成本效益更高的过程。由于可再生能源的成本持续下降,减少电力浪费的情况不断增加,这一过程可能很快就会商业化。这种损耗是由多种原因导致的,如风能和太阳能发电的季节性、高和低功耗周期、缺乏传输基础设施,以及与当前电池技术相关的成本、规模和可扩展性问题。氢的生产可以位于偏远的可再生能源站点附近,否则就需要昂贵的输电线。

PEM(质子交换膜)电解过程是通过电解的最新氢气发电技术的优秀示例,效率记录在70%至80%之间。随着该领域的持续研究,预计电解过程的整体效率会随着时间的推移而进一步增强,电解槽的成本将下降。

绿色氢气传动和储存

氢气值链的真正挑战将以经济有效的方式压缩,传输和储存。本发明的管道基础设施设计用于天然气可能不适用于由于管道中使用的钢弱氢而设计的氢气传递,尽管在非常低的水平下存在于现有的天然气管道线中允许一些氢气。随着氢气在高压下传递,温度和浓度会导致结构缺陷,如金属脆化,起泡,脱碳,晶界裂缝和最终失效,特别是在低碳和低合金钢管道中,常用于油和天然气传输。此外,从管道和过程控制设备(如阀门)的逃逸排放和渗漏将导致过程植物中的潜在危险的工作条件。有必要专门为卓越品质的氢气服务建立新的基础设施,这将导致更高的成本和时间。

氢消费量
加热

由于天然气的低成本和清洁燃烧能力,天然气一直是大众、住宅和商业供暖的首选能源。在不久的将来,氢完全取代天然气供暖是极不可能的。迫在眉睫的挑战是,在住宅和商业层面更换现有的氢服务基础设施所需的成本和时间。然而,以极低的浓度混合氢气和天然气是最可行的立即使用的选择,这可以被视为一线希望。

发电

氢可以与甲烷混合,在现有的天然气基峰值工厂,纯氢燃气涡轮机,或电解槽。然后,它们可以用于管理商业和家庭电力应用中的高峰负荷,并作为具有太阳能和风力发电能力的工业和数据中心的二次能源存储。

虽然储存大量的氢以使一个峰值工厂运行数天是昂贵的,但使用锂电池来完成这项任务可能更昂贵。绿色氢可以用来生产氨气,并可以在水泥和钢铁工业中取代天然气。氢还可以用来从烟囱中捕获二氧化碳并制造甲烷,而甲烷又可以被用来生产甲醇、汽油或柴油,这需要更多的成本和能源。

在电池技术与氢气作为二次能源的竞争中,效率和成本是需要考虑的两个主要因素。目前,绿色氢的整体往返效率约为40%,而锂电池的往返效率约为95%。氢效率正在提高,一些低成本的电网级电池,如Ambri电池,往返效率约为80%,而抽水蓄能的往返效率约为65%。随着储存时间从几小时延长到几天,绿色氢的成本开始显得更加有利。氢既可压缩,又可以灵活地转换为其他存储容量有限的高密度燃料,而锂电池的尺寸和成本与容量成线性关系。液流电池,如钒氧化还原,只需要大的空间,长期的电力存储,但钒的成本远远高于绿色氢。长期的能量储存(几天或几周)是氢的灵活性显示了巨大的前景,在制造和发电应用。

流动性

以氢为燃料的汽车可用的动力装置是基于氢的内燃(IC)发动机或燃料电池。在氢气IC发动机和燃料电池技术之间的持续争论中,ARC认为燃料电池是最终的赢家,因为它几乎零排放,更高的相对效率和可能的车辆电网发电。与IC发动机的25 - 30%相比,当前燃料电池技术的最高运行效率约为60%,预计将随着研究的进行而提高。

电动汽车的不断普及将是氢动力燃料电池汽车增长面临的最大挑战。不断增长的充电基础设施网络、快速充电能力和汽车电池技术的创新正在降低客户对电动汽车的担忧,比如里程焦虑、高成本和寿命。

在翻盖方上,与与电动车辆电池寿命相关的限制不同,燃料电池供电的车辆可以产生和供应国内消费的动力,并且可能回到商业网格中。只有在公用事业公司或政府由公用事业公司或政府的大规模实施。未来的氢气动力车辆可以是独立燃料电池动力车辆或具有插件充电技术的混合动力,电池尺寸相当降低到本日技术

结论
关键外卖:

  • 可再生能源,如风和太阳能,可以取代发电应用中的传统化石燃料使用,氢气只能能够实现转换。
  • 只有在有效利用风能和太阳能发电产生的过剩能源时,氢发电才是可持续和可扩展的。
  • “绿色氢”作为一种可行的二次能源,将减少对石油、天然气和电池技术的依赖。为了启动氢经济,未来需要提高效率和氢生产、分配、工业应用和电网储能的成本。
  • 目前围绕石油和天然气的管道基础设施可能不适合使用高浓度的氢气。为了大规模的氢气输送,需要建立新的管道项目。
  • 保持氢燃料价格低于汽油价格是燃料电池汽车成功超越传统IC发动机汽车的关键。
  • 氢经济的成功在很大程度上取决于能源经济向可再生能源的转变有多积极。然而,其他储能技术或电池技术的突破将进一步推动氢动力和二次发电的时间表。
  • 各国政府需要通过财政补贴来鼓励必要的基础设施建设,以促进基础设施的根本性改变,以启动绿色氢的使用。

目前,氢市场的消费价值链存在较大差距。然而,在技术市场上出现的数字转型复兴正在导致各种业务的机械和机电系统的若干产品电气化。这将增加对电力产品的需求,可能还会增加对燃料电池的使用。

然而,在全球范围内,氢经济将至少多年逐渐增加牵引力。与此同时,天然气将为电网发挥关键作用,以支持不可转让的可再生能源发电。煤炭,石油和天然气将在未来十年内占几个地区的重要能力来源。基于氢的能量系统在发展中具有资本赤字的发展中的能源系统,用于创建电网,用于呈现态度现代化或开发可再生能源。也就是说,可能有可能使用用于氨肥料的氢气的可再生能源进行农业基础设施,并在没有较大电网的情况下操作机械。

西欧和日本等地区的消费价值链才刚刚开始。加州和安大略省极有可能成为北美发展氢能源经济的先锋。早期适应促进氢技术的几个显著例子是:

  • 德国埃森的蒂森克虏伯公司是新的绿色氢气财团的一部分,该财团最近从德国政府获得了3000万欧元的拨款,正在与魁北克水电公司合作一个88兆瓦的电解器项目
  • 总部位于加州圣何塞的Bloom Energy正从甲烷燃料电池扩展到氢燃料电池
  • 总部位于安大略的安桥公司正在将天然气与低浓度氢(低于2%)混合,用于住宅供暖。

这些公司正在为未来提供氢气和可持续能源网络的方式铺平道路。

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