绿氢——链接可再生能源与工业

南纬53°西经70°,在麦哲伦-智利南极区,巴塔哥尼亚高原吹着终年不断的风,在这片苍莽的草场之上,一个“将风转化为燃料”的构想已开启。

文 | 王勇

这里是狭长的智利最南部地区,西邻太平洋,东临阿根廷,气候多风,风速强劲且稳定,而且总是从一个方向吹来,在这样一个“风水”宝地,西门子能源携手HIF领导的几家国际公司,正在探索麦哲伦地区风能的最佳利用方式。

Haru Oni项目应运而生。该项目旨在利用智利麦哲伦地区的强风来生产碳中和属性的燃料。由于当地具备良好的风力条件和由此带来的低电价,从全球范围来看,智利都具有巨大的潜力,进行绿氢生产、出口和本地使用。

在经过项目组的深入调研后,认为凭借其巨大的风电潜能,估算麦哲伦地区的发电量将可达到目前智利全国发电量的七倍之巨。

风和水将成为绿色能源新的希望。Haru Oni项目,充分展示了包括广泛创新且气候友好的技术,即通过利用水和风能以及从空气中捕集的二氧化碳制成“绿色合成燃料”。

相比于化石燃料,绿色合成燃料作为一种液态能源载体,碳排放会减少约九成。如果再生产合成汽油,可同时与现有的液体燃料基础设施相兼容。

Haru Oni试点工厂是西门子在建设交通运输行业去碳化旅程的第一个前哨。预计到2022年试点阶段结束时,合成甲醇年产量将初步达到 75 万升左右,其中部分合成甲醇将转化为合成汽油(年产量约 13 万升)。

到2024年,计划将年产能提高到5500万升,然后到2026年,增加到每年超过5.5亿升。这些燃料足以满足约100万辆汽车行驶一年。

而在此过程中,经“风能-绿电-电解水”而来的绿氢,成为可再生能源与工业等深度脱碳需求场景之间的纽带。

图片来源:西门子能源

绿氢才是未来

去碳化是目前全球经济面临的最重要的挑战之一。而应对这一挑战的关键是不断发展可再生能源以及多维能源交叉耦合,即通过绿氢,将可再生能源链接到发达的工业、能源和交通基础设施中。

与煤炭、天然气等不同,氢并非是一次能源,而是同电能一样属于二次能源,更容易耦合电能、热能等多种能源,同时与电能一起建立互联互通的现代能源网络,促进电力与建筑、交通运输和工业之间的互联。

根据国际可再生能源机构(IRENA)发布的《世界能源转型展望》,作为“1.5°C”路径的一部分,绿氢有助于显著减少二氧化碳排放——特别是在工业部门以及长途运输、航运和航空方面。

氢能的高热值属性是其在交通领域最具潜力的优势,是常见燃料中热值最高的,为142KJ/g,约是石油的3倍,煤炭的4.5倍。

目前,已有氢动力列车在德国北部正式客运,未来将有更多氢动力列车取代非电气化线路上的柴油列车,英国、荷兰和奥地利等国家也有类似的部署;而在船运和航空领域,两者也正处于示范阶段,在未来的碳减排路线中,氢能正在逐步绽放其光芒。

以氢气为原料的工业领域应用已具备数十年的发展历史,在中国,90%以上的氢气都用于工业原料,而氢能作为二次能源的定位则必须要追溯其制氢环节的碳足迹。

根据2020中国氢能产业发展报告数据,目前全球制氢原料中,天然气使用最为广泛,占比约为43%,其次是工业副产品制氢,占比为33%,而电解水制氢使用最少,比例极低。

西门子能源股份公司新能源业务全球首席战略官兼亚太区业务负责人赵作智博士表示,“在制氢环节需要重视碳足迹的追溯,而绿氢将在通往低碳未来的道路上起到至关重要的作用。”

在明确了绿氢的未来路线后,西门子能源使用质子交换膜(PEM)水电解技术,利用可再生能源生成“绿色无碳”的氢气。该技术方案具有气体纯度高、效率高、使用寿命长、无化学品等特点。

在该技术路线下,生产1kg 的氢气平均需要50kWh的耗电量,具体耗电量将取决于电解槽的操作模式和辅助系统的效率。根据IRENA,考虑碳减排成本,2030年左右绿氢将与灰氢实现平价。

此外,其Silyzer产品系列可以将太阳能和风能等间歇性波动能源整合到工艺过程中,达到“实时跟随,秒级响应”。在西门子能源位于奥地利的H2FUTURE项目中,世界上第一台PEM电解设备Silyzer 300(半机)每小时可产生1200Nm³的绿氢,功率需求为6 MW,电解系统的效率高达80%。

图片来源:西门子能源

西门子能源旗下的西门子歌美飒也在探索海上的氢能路线,计划在五年内总投资约1.2亿欧元,用于开发海上风电生产氢的完全集成式解决方案。

“成本的下降不是单纯的技术问题,而是规模化效应的结果。”赵作智博士认为,为此西门子将主动推进氢项目以加快发挥规模化和系统化优势。

氢绝非暂时的解决方案,而是可持续能源行业中的重要组成部分。

构建氢经济价值链

“我坚信全球能源转型的下一步将基于氢经济——通过水电解将‘绿色电子’转变为‘绿色分子’。”西门子能源执行副总裁,新能源事业部CEO Armin Schnettler相当看好氢的未来。

数年之前,氢能还处于能源转型对话中的边缘,热度高但是依然冷门,而今在“双碳目标”的驱动下,氢能的潜力正在被迅速挖掘,由此延伸出的产业链将构建未来的氢经济乃至氢社会。

近年来,氢能方面的规划和试点项目已经演变成具体的投资和全面的项目。

Power-to-X是西门子能源在氢能领域构建的相对完整的能源转化体系,即将可再生能源产生的电力(Power)通过电解水产生电转氢(e-Hydrogen),进而转化为多种形式的电制燃料和存储能源(X)。

在这一环节中,西门子能源从电力供应、制氢直到成品燃料方案已经有了足够的技术和项目储备。

在上游,西门子能源可以提供适合光伏和风能等可再生能源的发电和输配电设备及解决方案,确保无碳电力生产。

在中游,西门子能源掌握先进高效质子交换膜(PEM)电解水制氢技术,以及碳捕获等配套技术,已经成功商用。

在下游,西门子能源提供电制燃料与化石燃料混用的解决方案,当前的燃料基础设施不需要立即做出改变,保证能源应用从化石能源到完全可持续能源的平稳过渡。

而这些也仅是西门子能源参与的氢经济的一部分。氢气作为能源,在交通、建筑、电力、钢铁等领域有着广阔的应用空间,可助力多个行业和领域实现脱碳。

在交通运输领域,氢燃料电池以及含氢燃料能应用于小型车辆、公交大巴、货运卡车等交通载具,甚至在将来成熟应用于火车、货轮和航空领域。

在建筑供热和制冷领域,可以天然气掺氢的方式利用氢气,使用纯氢气对建筑供热同样具备技术可行性。

在发电和储电领域,氢能及衍生燃料可以降低常规火力发电厂的碳排放强度,其大规模、长周期储能性质为解决电力供需不平衡提供了新的路径。

钢铁行业是碳排放最高的行业之一,碳排放量占全球的 7%。通过采用氢气作为低碳能源和冶炼中的还原剂,可以避免大部分的碳排放。

在H2FUTURE项目中,通过公用事业公司VERBUND、钢铁制造商奥钢联和西门子能源的合作,已经在奥地利奥钢联林茨钢厂安装和成功运行了一套6 MW 的大型PEM电解水制氢系统。

奥地利输电系统运营商(TSO) 奥地利电网(APG)将为电解槽系统提供辅助服务的资格预审。荷兰的研究中心TNO和奥地利K1-MET将研究欧盟28国钢铁行业更大规模的项目可复制性。

“用户并不是单纯需要一个电解器,而是需要一个整体的解决方案和实际应用场景,使方案的安全性、技术可靠性和经济性达到最优化。”在赵作智博士看来,西门子能源计划成为氢能领域的全方位解决方案提供者。

其解决方案覆盖了从上游的风力发电机组、输配电设备、电解水系统、氢气压缩设备到下游的绿色燃料合成、绿氢再电气化、燃机掺烧等全氢能源产业链条。

氢能介于可再生能源与工业之间,以其多耦合的禀赋优势发挥着纽带作用,而西门子能源也将以绿氢为支点,撬动氢经济的未来。

来源:界面新闻

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