氢燃料电池优劣势及潜力解析:到2030年氢燃料电池相当

瘾与深港 2021-04-12 13:12:13

尽管纯电池电动汽车的风口快速增长,但是交通领域还未确定零排放方案。在英国,重型货车、海运、公共汽车和铁路至少占该国运输排放的26%。以英国为例,本文探讨了氢燃料在解决这些排放方面的问题时所面临的挑战和机遇。


氢燃料电池优劣势及潜力解析:到2030年氢燃料电池相当


运输过程中氢燃料的价值链


氢燃料在道路运输中的应用是一个与能源的生产和汽车在加油站补充燃料的过程高度相关的过程。其中有4个关键的考虑:氢能源运输的潜在好处和目前的不足;氢能源的价格和生产方法之间的关系;压缩、存储和供应的基础设施;蓝氢的碳补集设施。


氢燃料电池的好处


供应链和市场竞争:由于制造电动汽车电池的稀有金属供应有限,氢很快将在实现零排放交通中扮演不可或缺的角色(尽管燃料电池汽车需要电池)。此外,天然丰富的氢元素意味着它有可能在汽车行业引发竞争,而电动汽车电池的原材料供应则由少数几家大型企业控制。


可达性:氢能源可以被运送到电网难以到达的地区。


动力系统应用:氢比柴油汽车和电动汽车具有更高的能量密度,尤其是在被压缩的情况下。这意味着燃料所需的空间和重量更少,更适合长途驾驶和对牵引力要求更高的车辆,如载重货车。


环境和寿命挑战:燃料电池汽车需要较少的稀有金属,这些金属通过碳密集型开采活动得到。只需一个小电池就可以调节每辆车的速度。电池体积更小也意味着,与电动汽车相比,燃料电池汽车将面临更少的寿命终止和剩余价值相关的挑战和风险。


经济机遇:在减少交通碳排放的领域,氢是一种相对较少被涉足的方式。英国(尤其是苏格兰)在这一领域相对具有优势,它为外来投资和经济增长提供了机会。


目前氢燃料电池领域的技术空白


技术的成熟度和可靠性:氢能源技术的成熟速度是因应用而异的。阿伯丁氢能汽车项目已经见证了单层客车的许多可靠性问题。未来五年,将在涉及双层客车的第二阶段进一步推进其成熟度。


相似的示范项目被规划用来在其他的道路用例中来验证这个概念。2021年3月,英国政府宣布了多项投资来支持关于氢燃料电池用例的研究、开发和试验。包括用于开发苏格兰东北部氢能源运输枢纽的300百万英镑(合416万美元),以及在威尔士开发大型货车(HGV)氢能源枢纽的480万英镑。


来自电池技术的竞争:随着电池技术(包括HGV)革新的飞速发展,氢能源技术也随之与时俱进。例如,特斯拉已经研发了能够有潜力行驶300到500英里的电动卡车。


存储复杂性:在常温常压下,氢是以气体的形式存在的,这意味着要存储氢能源,首先要对其进行压缩。氢能源还需要在高压或者低温环境下进行运输,这为后勤运输带来了挑战。


排放量:尽管氢能源可以大幅度减少碳排放量,但是,因为没有充足的可再生能源,大多数氢能的生产仍旧依赖化石燃料。


“绿氢”很昂贵:水电解是目前唯一能够以零排放提取氢能,在当前的生产规模下,它是非常昂贵的。


深入了解挑战


氢能源的价格:在英国,氢能源的价格仍然是明显高于其他类型的能源(如图所示)。随着绿氢进一步拉高这些成本,如果想在四到五年内使其成为商业上可行的零排放替代方案,需要一种政府支持形式的刺激办法,来填补氢能源相对其他能源的成本溢价(最起码是短期内)。


氢燃料电池优劣势及潜力解析:到2030年氢燃料电池相当


挪威见证了这种激励措施所带来的好处。在挪威,采用新的制氢方法与免税等政府激励措施相结合,已经大幅降低了氢能的生产成本。


加利福尼亚能源委员会的一项研究估计,到2030年,每公斤氢能的成本可以从14—18美元降低到6.6—8.25美元,与现在的柴油价格相当。


氢能的生产方法:目前主要有两种前沿的制氢方法。第一种是甲烷蒸汽重整,这涉及到天然气的液化。这是当下最经济而且最北广泛使用的方案;1kg的氢气大约需要0.490MJ的电力和3 kg的天然气,总共相当于165 MJ。以千瓦时计算的话,这大约相当于46 kWh/kg。


第二种是电解法,通过利用电能从水中分离出氢能来实现制氢目的。这种方法较少被使用,但是它是目前唯一的零排放制氢方法。耗电量大约是55 kWh/kg。电解虽然是一种完全零排放的制氢方法(这取决于可再生能源的使用),但电解仍是最昂贵的生产方法。下述关于2030年的预测概述了不同方法的成本和排放量。


氢燃料电池优劣势及潜力解析:到2030年氢燃料电池相当


不同制氢方案的成本和排放量比较


转换、存储和分配(CSD)的基础设施


原则上,氢可以两种形式存储和运输:纯液体/气体,或液态有机氢载体(LOHC)的形式,后者允许其与现有基础设施一起存储和运输。氢能源CSD基础设施的资本和运营成本主要受到转化、存储和分配成本的影响。


处理气态氢气是CSD最具成本效益的方法。但是,作为一种存储手段,LOHC正在证明其成本与气体氢的存储机制相当。这不仅是因为LOHC通过能够使用现有的液体燃料存储和分配基础设施,这将对新基础设施的需求降到了最低。进一步的研究还表明,有可能将碳捕集与封存(CCS)设施中存储的二氧化碳与氢气结合起来以产生LOHC,从而使其可以在氢能经济中被重复利用。


随着新技术的不断涌现,新的担忧出现了,为了激励LOHC制造商制造出能够优化在锁定和解锁氢能的过程中所发生的的放热和吸热反应过所涉及热能的设施,将需要大量的LOHC。另外,需要大量的能源来促进脱氢反应,大约10 kWh/kg(每公斤氢能10千瓦时能源)。


尽管存在这些担忧,大规模的LOHC开发的投资仍然在进行,例如,现代汽车投资了总部在德国的Hydrogenious LOHC Technologies GmbH,以及利用基于甲苯的LOHC技术在文莱和川崎市之间建立的日本循环供应链。


用于蓝氢/LOHC的碳捕集设施


CCS是捕集和存储二氧化碳的过程,这对于抵消蓝氢生产所产生的碳排放至关重要。英国在CCS上最显着的举动是,挪威重要的能源公司Equinor计划在赫尔市附近建立一个新的氢能和CCS设施,这将是同类中规模最大的。


然而,CCS的高昂成本将这项技术挡在了主流应用的门外。其成本由碳捕集、存储站点的距离及其自身特点决定。碳捕集与封存协会(CCSA)估计,电力行业早期的CCS项目每减排一吨二氧化碳将花费约69-103美元。此外,碳储存地点的二氧化碳泄漏可能会造成环境和气候变化的危害。


结论


对于政府和市场主要参与者而言,这意味着什么?基于上述考虑,以下几项行动将涉及到各个利益相关方。


汽车OEM应进行需求预测分析,以提供产品策略、生产和售后基础设施规划的信息。他们应与CDS基础设施提供商展开合作,以确定加油要求和降低成本的可能。在CCS方面,他们应考虑垂直整合的投资机会。


作为零排放燃料,氢能具有真正的潜力,但它需要政府与工业界之间的大力合作,并且需要采用能源系统范围的方法,以使其商业化和可持续发展。


政府和地方当局应该为氢能源衍生的可再生能源的规定开发一套系统级方案,通过免税和资助来鼓励CSD设施的研发和投资。在CCS方面,他们应当开发适用于CCS设施的环境标准。


为了给投资策略提供信息依据,能源、石油和天然气公司必须对蓝氢(CCS)和绿氢进行完整的需求、成本和收益分析,并且还要分析对纯氢与LOHC、结合CCS的蓝氢与绿氢的处理的对比。


新入局者和学者必须朝着寻求新型解决方案的方向努力,以释放价值链中的效率,并开发能够解决CSD设施成本挑战的新型方案。他们还应当开发能够允许在制造LOHC过程中重复利用碳的方案。


投资者将有机会探索整个价值链。


总之,尽管氢能是具有实际潜力的零排放能源,但是,为了使其在商业上可行以及实现「从油井到车轮」的可持续发展,它需要政府与工业界之间的大力合作,以及能源系统级的方案(包括供暖和发电)。此外,还需要进行额外的研究、开发和试验,以改善氢燃料电池电动汽车(FCEV)的性能特征,进一步降低氢生产和燃料电池制造的成本。

来源:AutoxByte

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