无码综合天天久久综合网,一卡二卡久久,国产无码电影在线,久久久中文名字字幕蜜桃

歡迎來到江蘇氫港新能源科技有限公司網(wǎng)站!

0512-58588966
Technical articles技術文章
首頁 > 技術文章 > 如何降低清潔氫的成本——DOE

如何降低清潔氫的成本——DOE

 更新時間:2023-07-21    點擊量:694



說明:本文來自DOE出版的《美國清潔能源策略和路線圖》編譯和節(jié)選!透過其中去窺探大家在氫能路徑上的相似和不同!

盡管從生產到最終使用的整個氫在其價值鏈存在各種挑戰(zhàn),但戰(zhàn)略上優(yōu)先考慮降低清潔氫的成本。有許多方法可以在不同的技術就緒水平下生產氫氣,并產生廣泛的相關碳排放和其他環(huán)境影響。各機構將優(yōu)先考慮并加快行動,集中注意降低成本的最關鍵障礙;促進產業(yè)界、學術界和國家實驗室之間的伙伴關系;根據(jù)績效驅動指標持續(xù)跟蹤和調整其投資組合;促進技術創(chuàng)新和大規(guī)模部署。下圖1所示,氫能聚焦點是可以實現(xiàn)更廣泛的用例和影響,并建立在整個生產途徑的當前進展的基礎上。


圖1:氫氣射擊目標建立在各種途徑的進展基礎上,實現(xiàn)了一系列用例和影響


繼續(xù)推進研發(fā)和開發(fā)工作,降低成本和相關的生命周期排放,對所有制氫途徑仍然很重要。至少到2050年,美國可能會使用水電解制氫、利用化石燃料進行碳捕獲和儲存制氫以及利用生物質和廢物原料制氫的混合方法。如今,熱轉換途徑是全球氫氣供應的主要途徑,通常成本低,但排放高。使用清潔能源和先進途徑(即實驗室規(guī)模的技術,如光電化學和熱化學水分解)的電解槽可以實現(xiàn)接近無排放,但目前成本要高得多。
1、水裂解制氫
電解利用電和電解質或膜將水分解成氫和氧。大多數(shù)電解使用以下三種技術之一:堿性、PEM和固體氧化物電解槽(SOECs)。堿性工藝是成熟的,已經使用了一個多世紀。PEM電解槽可以在亞秒級響應時間的負載范圍內有效運行,這使得它們與可變能源(如太陽能和風能)特別兼容。SOEC在高溫下使用陶瓷電解質,是三種技術中商業(yè)化程度低的。SOEC具有比PEM和堿性系統(tǒng)更高的電效率,在可獲得高溫熱量的情況下,例如來自核電廠和聚光太陽能發(fā)電,可能更具成本效益。


清潔電力的成本占電解制氫成本的一半以上。通過降低清潔電力(可再生能源、核能)的成本,提高電解效率,降低電解槽和工廠資本平衡成本,以及實現(xiàn)電解槽與電網(wǎng)、可再生能源和核能發(fā)電機的動態(tài)集成,以獲得低成本的可變電力。下圖2顯示了降低電解清潔氫成本的一種方案,這需要大幅降低資本成本、降低能源成本、提高效率、提高耐久性和可靠性,以降低維護成本。


圖2:使用電解槽實現(xiàn)1美元/公斤需要更低的電力成本、更低的資本成本、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勵措施的影響,用于生產清潔氫。


2020年的基準成本為5美元/公斤,這是使用美國能源部的H2A模型計算的氫氣平準化成本,其中PEM電解槽資本成本為1,500美元/千瓦(小批量生產),電價為50美元/兆瓦時,容量或利用率為90%。相比之下,根據(jù)2020年國家可再生能源實驗室(NREL)年度技術基線,使用目前29美元/兆瓦時的太陽能和35%的容量系數(shù),可使得氫的平準化成本約為7.50美元/公斤,如上圖2綠色箭頭所示。如上圖2所示,制氫的平準化成本對電力成本高度敏感。獲得具有高容量系數(shù)的低成本能源(例如,通過與水電和核電站等現(xiàn)有清潔能源基本負荷相結合)可以促進更低的平準化成本。此外,到本十年末,電解槽資本支出的下降將在清潔氫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。

該例子顯示,到2026年,要實現(xiàn)《法案》要求的每公斤2美元的目標,所需的成本是基于30美元/兆瓦時的能源成本和300美元/千瓦的資本支出成本,而1美元/公斤的氫氣錨定目標價將分別需要20美元/兆瓦時和150美元/千瓦的資本支出成本。

這些成本目標不包括清潔氫生產稅收抵免。在所有這些情況下,假設電解槽容量系數(shù)為90%,需要使用清潔的電力,如核能或地熱能,或者通過存儲來補充可變的可再生能源。這個場景說明了資本成本需要減少80%,操作和維護成本需要減少90%。應該強調的是,這些只是可以實現(xiàn)這些成本目標的情景。盡管如此,成本、效率、電價、利用因素和耐用性的其他組合,包括高溫電解槽熱源的使用,也可以實現(xiàn)氫能錨定的目標。2020年,美國能源部啟動了一個新的聯(lián)盟,將國家實驗室、工業(yè)界和學術界聚集在一起——H2NEW(來自下一代的水電解槽)---關于補充HydroGEN的電解技術,這是一個研究所有水分解技術的聯(lián)盟,包括直接光電化學和熱化學方法H2NEW將加速電解槽技術的進步,并有助于降低成本。如下圖3所示,這些成本的降低將需要大批量生產、電解槽堆和工廠(BOP)組件平衡的創(chuàng)新,以及下一代系統(tǒng)中的電解槽集成。提高電解槽效率也有助于降低氫的平均成本,因為電力成本占氫成本的很大一部分。雖然對各種系統(tǒng)配置的分析正在進行中,但該圖僅顯示了每個類別中成本降低幅度的一個示例。這些數(shù)值將隨著行業(yè)的發(fā)展而更新?!锻ㄘ浥蛎浵鳒p法案》中的清潔氫生產的信貸等政策也將在未來十年降低資本成本。



圖3:降低電解槽資本成本將需要達到規(guī)模經濟,并創(chuàng)新電解槽堆棧和工廠平衡組件。

降低資本成本沒有簡單的總體成本驅動因素。如下圖4所示,必須解決包括電解堆棧和工廠平衡系統(tǒng)在內的多個組件。


圖4:電解槽堆和工廠平衡資本成本降低的驅動因素有很多


隨著能源儲存和清潔能源需求的增長,利益相關者必須繼續(xù)探索電解槽并網(wǎng)和離網(wǎng)一體化的創(chuàng)新機制,以實現(xiàn)低成本獲得可變的清潔能源。創(chuàng)新的系統(tǒng)設計也可以提高電解槽的經濟性,例如通過同步產生的氧氣出售產生效益或利用廢熱。


2、利用碳捕獲和儲存技術從化石燃料中制氫


該法案要求能源部考慮并支持從多種能源生產氫氣的機會,包括化石燃料和CCS。機會包括美國天然氣儲量豐富的地區(qū)、二氧化碳儲存庫或現(xiàn)有的天然氣供應基礎設施。如下圖5所示,考慮到石化行業(yè)對天然氣和氫氣的需求,目前的天然氣基礎設施網(wǎng)絡和SMR工廠都主要集中在墨西哥灣沿岸地區(qū)。氫氣目前是煉油行業(yè)的重要原料,主要用于裂解重質原油和脫硫產品流等。根據(jù)氫氣供應來源的不同,用清潔氫氣取代目前煉油廠使用的氫氣可以將煉油過程的生命周期排放量減少約12%。


圖5:美國氫氣和天然氣的制氫裝置和管道


在SMR的二氧化碳排放到大氣之前進行捕獲和儲存,可以將氫氣生產的生命周期碳強度降低50%以上,具體取決于CCS速率和上游排放,包括天然氣開采、傳輸和使用過程中的逸散性排放。高碳捕獲率(例如超過95%)和極低的上游甲烷排放將是至關重要的。將CCS添加到現(xiàn)有的SMR設備中,為大規(guī)模加速化學和精煉氫的使用提供了一條途徑。目前,許多小型裝置位于煉油設施附近或與煉油設施集成,利用當?shù)氐统杀竞拓S富的天然氣。許多現(xiàn)有SMR裝置所在的墨西哥灣沿岸也包含一些現(xiàn)有的二氧化碳管道基礎設施。

帶有碳捕獲的自熱重整(ATR)是另一種從天然氣中生產氫氣的方法,預計其成本低于帶有CCS的傳統(tǒng)SMR,特別是在商業(yè)規(guī)模和低成本電力地區(qū)。這種方法需要將空氣分離裝置與重整過程相結合,以提高熱效率,實現(xiàn)更高的捕集率和更低的CCS成本。第三種基于天然氣的生產方式是甲烷熱解,它利用高溫將甲烷分解成氫和固體碳——這是一個有吸引力的選擇,因為固體碳可以為工業(yè)橡膠和輪胎制造以及油墨、催化劑、塑料和涂料等特種產品提供增值的副產品。

從甲烷原料制氫的溫室氣體強度也取決于天然氣供應的生產和運輸過程中甲烷泄漏的程度。預期的法規(guī)和甲烷監(jiān)測方面的進展有望減少這些排放,并提供更大的測量確定性。甲烷泄漏率會對空氣質量和毒性產生影響,因作業(yè)者的作業(yè)方式而異。今天,裝備了CCS的小型堆制氫系統(tǒng)比單獨的小型制氫裝置要貴大約55%。二氧化碳運輸和儲存成本、可變成本和資本成本的降低有助于實現(xiàn)氫氣錨定的的目標,如下圖6所示。美國能源部資助研發(fā)和研發(fā),以降低成本,提高SMR和ATR系統(tǒng)的CCS性能。未來降低成本的途徑包括改進CO2/H2分離的工藝集成,使用高壓或高溫膜分離,固體CO2吸附劑,先進的催化劑和新的氧氣分離方法。然而,使用低成本的天然氣仍然是通過CCS途徑重整獲得低成本氫氣的最重要方法。除了降低成本外,美國國家戰(zhàn)略還不斷強調低溫室氣體排放途徑的重要性,包括減少上游排放。捕獲的碳也可以在工業(yè)過程中利用,而不是儲存在地下。新興的利用途徑包括建筑材料的建造和化學品的生產。美國能源部正在支持將二氧化碳轉化為有用產品的研發(fā)和開發(fā)。


圖6:使用CCS的甲烷原料實現(xiàn)每公斤1美元生產成本所需的成本降低。基線是假設使用CCS進行自熱重整


在使用化石燃料的所有情況下,聯(lián)邦機構將優(yōu)先考慮從生產到最終使用的整個價值鏈中減少排放。此外,無論其主要生產途徑如何,制定測量和監(jiān)測解決方案并將氫氣泄漏風險納入建設氫氣運輸基礎設施的決策也很重要。最后,美國聯(lián)邦機構將優(yōu)先考慮利益相關者的參與,以解決潛在的環(huán)境問題和可能因為擁有化石燃料氫和CCS技術而給社區(qū)帶來的累積負擔。


3、生物質和廢原料制氫


其他制氫途徑包括生物質氣化與碳捕獲和儲存,以及SMR或ATR,使用有機垃圾填埋物、污水或農業(yè)廢棄物中的沼氣等原料代替天然氣。根據(jù)原料的不同,這些生產方法可能是低碳的,也可能是負碳的。在評估這一途徑時,應考慮整個生物質供應鏈的生命周期排放,包括直接和間接的土地利用變化,以及肥料等農業(yè)投入。

當生物質途徑與CCS相結合時,它們的凈排放量有可能為負。例如,當廢物原料從垃圾填埋場轉移到用于制造氫氣時,處理廢物產生的一些甲烷也從大氣中轉移并熱轉化為清潔氫氣(即,考慮到區(qū)域的實際情況和法規(guī),否則不會燃燒或熱解的甲烷會排放到大氣中)。


4、其他系統(tǒng)的成本


降低成本并不僅僅局限于氫氣生產。例如,氫價值鏈中各種技術和組件的成本如下圖7和圖8所示。


圖7:到2030年的中游成本估計和潛在的最終用途。改編自美國能源部的報告《通往商業(yè)發(fā)射的道路:清潔氫》。


各機構將繼續(xù)加強活動,以降低整個價值鏈中所有關鍵技術的成本,包括減少供應鏈脆弱性和促進(美)國內制造業(yè)。為響應美國總統(tǒng)關于美國供應鏈的14017號行政命令,能源部發(fā)布了一套清潔能源供應鏈評估,包括燃料電池和電解槽的供應鏈。BIL電解槽和清潔氫制造和回收撥款(五年內15億美元)將與年度撥款一起用于執(zhí)行這一戰(zhàn)略。此外,美國財政部和國稅局與能源部合作,宣布為輪合格先進能源項目信貸(48C)提供約40億美元的額外指導,用于擴大美國清潔能源技術和清潔能源技術生產關鍵材料的供應鏈的項目,以及減少工業(yè)設施溫室氣體排放的項目生產電解槽、燃料電池汽車和其他氫技術的設施都有資格申請。

氫氣輸送、儲存和分配給最終用戶的成本根據(jù)所使用的供應模式而有很大差異。目前,大規(guī)模氫氣輸送主要有四種方法:氣體管道拖車、液體罐車、管道(用于輸送氣體氫氣)和化學氫氣載體。管道拖車和液體罐車通常用于氫需求正在發(fā)展但尚未穩(wěn)定的地區(qū)。天然氣管道通常用于可預測幾十年的需求和每天數(shù)千噸的區(qū)域規(guī)模?;瘜W載體對遠距離氫氣輸送和出口市場很感興趣,可以大致分為單向或雙向載體。單向載體是在氫氣釋放后(如氨)不釋放副產品的材料。雙向載體是那些產品通常在氫釋放后返回處理以重復使用或處置的載體(如甲基環(huán)己烷/甲苯)。化學氫載體的使用尚處于商業(yè)化的早期階段,需要進行研發(fā)工作,以提高這些材料的載氫能力,提高充放電率、可逆性和整體往返效率。


交付后,氫氣在使用前可能需要在現(xiàn)場進行調節(jié)(例如,加壓、預冷或純化)。在汽車氫燃料站,壓縮、儲存和分配是三個的驅動因素。研發(fā)工作需要降低成本,提高可靠性,并增加這些組件的吞吐量。氫氣一旦被分配,通常會被儲存在全金屬或復合材料包裹的壓力容器中。研發(fā)人員需要降低當前設計的成本,比如降低碳纖維包覆層的成本,并推進車載存儲的新方法,比如絕緣液體罐。例如,下一代燃料(氫)分配系統(tǒng)需要進行研發(fā),由于涉及的資本支出以及在高速率和超高壓(700 bar)下為車輛加氫的復雜性,同時要遵守安全協(xié)議,因此成本更高。
圖8:氫氣生產、分配和儲存技術的成本驅動因素示例


總結:


從美國《清潔能源策略和路線圖》中《如何降低清潔氫的成本?》章節(jié)可以看到以下幾點核心:
1)未來美國清潔氫的不同來源(電(裂)解水(可基于再生能源或核能)、結合CCS的化石能源來源、生物質等),和國內并無太大差異。更多是我們的能源稟賦不同。
2)降本邏輯也是基于電力來源價格以及基礎資本投入(購置和維護成本)。還有整個氫能價值(產業(yè)鏈)不同環(huán)節(jié)的降本。

3)特別需要關注的是一系列刺激法案以達到美國本土關于這個產業(yè)制造能力的架構。這點非常值得關注。



文章來源:氫眼所見
注:已獲得轉載權

掃一掃,關注微信
地址:江蘇省蘇州市張家港市華夏科技園F幢三樓 傳真:0512-58588966
版權所有 © 2024 江蘇氫港新能源科技有限公司  備案號:蘇ICP備2020068389號-1

聯(lián)