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澳大利亚CSIRO发布国家氢能产业发展路线图
2018-11-27 | 编辑: | 【 】| | 供稿部门:规划战略与信息中心
    

  8月25日,澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)发布了《国家氢能发展路线图:迈向经济可持续发展的氢能产业》 ,描绘了澳大利亚氢能产业的未来发展蓝图,系统分析了澳大利亚氢能产业链上不同环节(如制备、存储及运输、终端应用等)主要技术的发展现状、问题,以及氢能产业发展面临的挑战,提出了针对性的研发和发展政策建议。报告关键要点如下:

  1、澳大利亚发展氢能产业的必要性

  澳大利亚于2016年批准通过了《巴黎气候协定》,承诺到2030年温室气体排放量将在2005年的水平上减少26%-28%。而氢气是一种清洁高效的能源,其在能源和工业部门的广泛应用有助于上述两个行业的深度脱碳。澳大利亚已经具备了一系列成熟的技术来建立经济可持续发展的氢能产业,不仅可以满足国内的能源需求,还能够为澳大利亚提供新的出口机会(澳大利亚具有丰富的太阳能、风能资源,可以通过上述能源制备大量的氢能),因此发展氢能产业不仅有助于澳大利亚解决能源安全相关问题,还能促进经济增长和减排目标的实现。当前,在全球范围内,支撑氢能行业发展的一系列技术已日渐成熟,这意味着氢能产业已经从技术开发转向市场开拓。

  2、氢能产业发展面临的问题

  当前氢能产业发展面临的主要障碍在于基础设施缺乏(如加氢站)和/或氢供应成本较高(如存储和运输)。但是,通过私人和公共部门在价值链上(如氢气制备、存储运输及应用领域)的一系列战略投资,可以克服这两个障碍。同时制定适当的政策框架可以拉动氢工业市场,促进对基础设施,氢气生产、储存和运输的投资。

  3、氢气的生产

  氢气有两种成熟的生产途径:(1)热化学制气,使用化石燃料生产氢气,该过程必须配合碳捕集与封存(CCS)设施,成熟的技术包括输入天然气的蒸汽甲烷重整(SMR)和煤气化技术;热化学制氢气需达到一定规模(>500吨/天)才能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。目前的生产效率还有待提升。(2)电化学制气,将水电解为氢气和氧气,需消耗电力来产生氢气,成熟技术包括聚合物电解质膜(PEM)和碱性电解(AE)技术。目前电解制氢成本较高,但PEM电解法正迅速成为更具竞争力的氢生产方式,而进一步研究提高PEM工厂的设计、效率,增加生产规模,都有助于电解制氢技术资本成本的下降。预计到2025年,电解制氢成本有望降至约2.29-2.79澳元/千克。

  针对上述问题,报告提出在2018-2025年间两种制气技术的重点研究领域。其中,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CO2分离效果;进一步提升研究过程的集约化。而电化学方法制氢的研发重点包括:开发高效催化剂、低阻力膜以提高PEM效率;研发催化剂层和膜以及防腐蚀技术等提高电解池使用寿命的方法;降低生产成本;推进新兴的高温电解技术等。

  4、氢气的储存和运输

  氢存储技术主要分为三类:一是压缩法,在较高压力下压缩气态氢,包括大型地下储存(例如盐洞)和天然气管道中的“管道充填”;二是液化法,将氢气加压并冷却至-253℃使其处于液态;三是化学方法,通过氨、金属氢化物和甲苯等分子来携带氢。

  (1)氢气的储存:考虑储存成本和空间可用性,氢气压缩是氢气储存的最佳选择。考虑到压缩效率可能会提高,到2025年,氢气存储将使氢气生产成本增加0.3澳元/千克。包括液化在内的其他储存技术和氨等材料作为载体具有较高的体积密度,但成本更高,液化可能会使2025年氢气生产成本增加1.59-1.94澳元/千克。作为替代方案,氨合成(通过传统的Haber-Bosch工艺)为氢气生产增加1.10-1.33澳元/千克的成本。

  (2)氢气的运输:氢气场地和使用地之间的距离越大,供应链成本就越高。储存和运输技术的结合通常需要考虑许多因素,包括氢需求、可用基础设施和距离。随着往返距离(>4000 km)和对氢的需求增加,更高氢密度的技术(例如氨合成和液化)可能成为首要选择。鉴于它们在通过船舶输出氢气方面的潜在可能性,这些技术正得到进一步发展。

  针对存储和运输存在的技术问题,报告提出在2018-2025年间的重点研究领域,主要包括: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;适合氨裂解的更廉价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。

  5、氢的利用

  (1)氢燃料汽车

  氢燃料汽车代表了氢工业发展的早期目标市场。然而,燃料电池汽车(FCEV)投放市场的主要障碍是成本过高以及缺乏支持其使用的基础设施。虽然正在进行FCEV改进方面的研发,但成本降低的最大希望将源于制造规模扩大以及专用自动化生产线的建立。澳大利亚FCEV市场的成功主要取决于加氢站站的战略部署。根据目前的配置,其成本从150-200万澳元/站不等。预计到2025年,加氢站的搭建成本(50-100万澳元/站)和运营成本将大幅减少。加氢站的部署需要站点运营商和汽车制造商之间的高度协调(即氢气供应和需求之间的匹配)。澳大利亚是通过海外合资企业在特定区域推出大量站点实现的(例如,3-5年时间建立100个加氢站)。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年间,氢燃料汽车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,扩大加氢站的适用范围;加氢站持续的测试和优化。

  (2)偏远地区电力系统(RAPS)

  随着氢和燃料电池成本的降低,使用氢能的RAPS可能在2025年之前具备与柴油相当的商业竞争力。未来三到四年示范项目的关键目标应包括小型远程采矿作业,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、供暖和废水管理)。

  2018-2025年间,氢气在RAPS应用方面的主要研究内容为:在特定区域开展可行性研究;在采矿活动中示范RAPS;研发氨/氢涡轮机和可充电燃料电池。

  (3)工业原料

  氢作为工业原料主要指将甲烷水蒸气重整(steam methane reforming, SMR)制的氢作为生产源,其盈亏平衡点将受天然气价格的影响,这一情况将持续至2025年。由于澳大利亚对进口精炼燃料产品的依赖程度越来越高,石油化学工业中越来越少使用氢来处理和提炼原油。然而,澳大利亚越来越重视降低进口液体燃料的依赖和加强运输部门的脱碳,氢可以在处理生物质燃料方面发挥作用,氢制氨和其他化学品(如甲醇)有助于向低碳经济转型。

  2018-2025年间,工业原料的研究主要涉及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。

  (4)出口

  氢气出口是澳大利亚的重要机遇。中国、日本、韩国和新加坡对进口氢气的需求在2030年可能达到380万吨(价值约99亿澳元),而澳大利亚有能力在出口市场中发挥关键作用。2030年之后澳大利亚利用褐煤制氢才能达到商业生产规模,而在这之前大部分的需求将通过电解法结合某些可再生能源和/或并网电力来满足。想要与其他氢气出口国竞争,澳大利亚的氢气生产价格需要达到2-3澳元/千克(不含储存和运输成本)。

  2018-2025年间,氢气出口领域重点研究内容包括:大力研发氢气的生产、存储和运输等技术。

  (5)电网

  氢系统可以增强电网稳定性(秒至小时时间段的存储)和电网可靠性(季节性存储)。由于未来五年内电网中波动性可再生能源的比例将持续增加,因此对电网稳定服务需求会增加。并网电解装置可提供灵活的负载以帮助稳定电网。然而,由于氢气价格低于2澳元/千克才能与电池、抽水电站和燃气轮机竞争,因此不太可能专门建造仅用于稳定电网的氢气系统。然而,从电网可靠性考虑,氢气系统以及燃气轮机是仅有的应对电网季节性间歇性变化的技术解决方案。虽然燃气轮机可能更便宜,但考虑到碳和天然气的供应风险,两者的价格差异可能缩小。

  2018-2025年间,氢气在电网应用领域的研究重点包括:研发燃料电池,降低资金成本和提升电池堆的寿命。

  (6)供暖

  2030年前,通过燃烧天然气供暖不太可能具备与天然气供暖相当的价格竞争力。因此,这种利用形式需要政府明确的政策信号,关注天然气的脱碳。由于燃烧器特征及气体特性差异,氢气完全替代天然气需要对现有的设备和部分管道进行升级,投入成本极大。相比之下,升级住宅设备在技术上更加直接,并可在2030年左右实现广泛推广。

  2018-2025年间,氢气供暖领域的主要研究内容为:研发能100%产氢的设备;在指定城镇进行设备升级的可行性研究;在指定城镇开始试点项目;在工业现场展示氢气的使用。

  (7)合成燃料

  合成燃料不太可能在纯商业基础上与原油衍生燃料竞争。然而,如果需要局部燃料供应,则可以将煤气化和/或SMR生产的合成气作为生产更高级合成燃料的中间体。但是,该过程仍有大量碳排放。作为替代方案,将氢气与二氧化碳废气流相结合的“能量液化”可用于合成较低排放的燃料,这些燃料可能在航空和航运等重型运输中发挥重要作用。

  2018-2025年间,合成燃料重点研究内容为提高可逆水煤气转换反应的效率。

 

信息来源:中国科学院武汉文献情报中心http://energy.whlib.ac.cn/STMonitor/qbwnew/bg_recordshow.htm?id=1031&parentPageId=1542851544109&serverId=109&controlType=

 

 
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