如何降低清潔氫的成本——DOE

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

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(jī)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(hù)成本。

2020年的基準(zhǔn)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(zhǔn)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(chǎn))，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(shù)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(zhǔn)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(zhǔn)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(fù)荷相結(jié)合)可以促進(jìn)更低的平準(zhǔn)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(biāo)，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(biāo)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(biāo)不包括清潔氫生產(chǎn)稅收抵免。在所有這些情況下，假設(shè)電解槽容量系數(shù)為90%，需要使用清潔的電力，如核能或地?zé)崮埽蛘咄ㄟ^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(hù)成本需要減少90%。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，這些只是可以實現(xiàn)這些成本目標(biāo)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(biāo)。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(xué)術(shù)界聚集在一起——H2NEW（來自下一代的水電解槽）---關(guān)于補充HydroGEN的電解技術(shù)，這是一個研究所有水分解技術(shù)的聯(lián)盟，包括直接光電化學(xué)和熱化學(xué)方法H2NEW將加速電解槽技術(shù)的進(jìn)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(chǎn)、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?xì)涑杀镜暮艽笠徊糠帧ｋm然對各種系統(tǒng)配置的分析正在進(jìn)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。《通貨膨脹削減法案》中的清潔氫生產(chǎn)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(dá)到規(guī)模經(jīng)濟(jì)，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(qū)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(nèi)的多個組件。

隨著能源儲存和清潔能源需求的增長，利益相關(guān)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(jī)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(shè)計也可以提高電解槽的經(jīng)濟(jì)性，例如通過同步產(chǎn)生的氧氣出售產(chǎn)生效益或利用廢熱。

該法案要求能源部考慮并支持從多種能源生產(chǎn)氫氣的機(jī)會，包括化石燃料和CCS。機(jī)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(yīng)基礎(chǔ)設(shè)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(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)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(zhì)原油和脫硫產(chǎn)品流等。根據(jù)氫氣供應(yīng)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%。

在SMR的二氧化碳排放到大氣之前進(jìn)行捕獲和儲存，可以將氫氣生產(chǎn)的生命周期碳強(qiáng)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(guān)重要的。將CCS添加到現(xiàn)有的SMR設(shè)備中，為大規(guī)模加速化學(xué)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(shè)施附近或與煉油設(shè)施集成，利用當(dāng)?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(chǔ)設(shè)施。

帶有碳捕獲的自熱重整(ATR)是另一種從天然氣中生產(chǎn)氫氣的方法，預(yù)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(jié)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(chǎn)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(chǎn)品提供增值的副產(chǎn)品。

從甲烷原料制氫的溫室氣體強(qiáng)度也取決于天然氣供應(yīng)的生產(chǎn)和運輸過程中甲烷泄漏的程度。預(yù)期的法規(guī)和甲烷監(jiān)測方面的進(jìn)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(zhì)量和毒性產(chǎn)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(biāo)，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(jìn)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(jìn)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(qiáng)調(diào)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(xué)品的生產(chǎn)。美國能源部正在支持將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用產(chǎn)品的研發(fā)和開發(fā)。

在使用化石燃料的所有情況下，聯(lián)邦機(jī)構(gòu)將優(yōu)先考慮從生產(chǎn)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(chǎn)途徑如何，制定測量和監(jiān)測解決方案并將氫氣泄漏風(fēng)險納入建設(shè)氫氣運輸基礎(chǔ)設(shè)施的決策也很重要。最后，美國聯(lián)邦機(jī)構(gòu)將優(yōu)先考慮利益相關(guān)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(shù)而給社區(qū)帶來的累積負(fù)擔(dān)。

其他制氫途徑包括生物質(zhì)氣化與碳捕獲和儲存，以及SMR或ATR，使用有機(jī)垃圾填埋物、污水或農(nóng)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(chǎn)方法可能是低碳的，也可能是負(fù)碳的。在評估這一途徑時，應(yīng)考慮整個生物質(zhì)供應(yīng)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(nóng)業(yè)投入。

當(dāng)生物質(zhì)途徑與CCS相結(jié)合時，它們的凈排放量有可能為負(fù)。例如，當(dāng)廢物原料從垃圾填埋場轉(zhuǎn)移到用于制造氫氣時，處理廢物產(chǎn)生的一些甲烷也從大氣中轉(zhuǎn)移并熱轉(zhuǎn)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)。

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

各機(jī)構(gòu)將繼續(xù)加強(qiáng)活動，以降低整個價值鏈中所有關(guān)鍵技術(shù)的成本，包括減少供應(yīng)鏈脆弱性和促進(jìn)（美）國內(nèi)制造業(yè)。為響應(yīng)美國總統(tǒng)關(guān)于美國供應(yīng)鏈的14017號行政命令，能源部發(fā)布了一套清潔能源供應(yīng)鏈評估，包括燃料電池和電解槽的供應(yīng)鏈。BIL電解槽和清潔氫制造和回收撥款(五年內(nèi)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(jìn)能源項目信貸(48C)提供約40億美元的額外指導(dǎo)，用于擴(kuò)大美國清潔能源技術(shù)和清潔能源技術(shù)生產(chǎn)關(guān)鍵材料的供應(yīng)鏈的項目，以及減少工業(yè)設(shè)施溫室氣體排放的項目生產(chǎn)電解槽、燃料電池汽車和其他氫技術(shù)的設(shè)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(yīng)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(xué)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(yù)測幾十年的需求和每天數(shù)千噸的區(qū)域規(guī)模。化學(xué)載體對遠(yuǎn)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(chǎn)品的材料。雙向載體是那些產(chǎn)品通常在氫釋放后返回處理以重復(fù)使用或處置的載體(如甲基環(huán)己烷/甲苯)。化學(xué)氫載體的使用尚處于商業(yè)化的早期階段，需要進(jìn)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。

總結(jié)：

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

文章來源：氫眼所見
注：已獲得轉(zhuǎn)載權(quán)