氫能及燃料電池系列

隨著可再生能源時(shí)代的全面到來，減輕電網(wǎng)波動(dòng)，平衡供需成為可再生能源發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。而解決這些問題的關(guān)鍵就在于儲能技術(shù)。氫儲能技術(shù)在儲能技術(shù)中有著無可比擬的優(yōu)勢。這項(xiàng)被德國能源署譽(yù)為“德國能源轉(zhuǎn)型的基石”的技術(shù)到底是什么?本文將做簡單介紹。

提到氫能，大家現(xiàn)在大提特提的多是氫燃料電池汽車的應(yīng)用，然而我們需要認(rèn)識到一個(gè)事實(shí):當(dāng)下工業(yè)界對氫能源的需求在氫能源市場中占主導(dǎo)地位。相比交通行業(yè)，氫能的利用更加直接，沒了加氫站布局的困擾，所面臨的最主要的瓶頸就只是，怎樣低碳廉價(jià)的生產(chǎn)氫氣了，因此氫能在工業(yè)中的應(yīng)用更經(jīng)濟(jì)有效。本文將著重介紹氫能在石油化工和鋼鐵工業(yè)的應(yīng)用：

氫氣在石油化工領(lǐng)域應(yīng)用

化工行業(yè)當(dāng)中，大部分氫氣用于加氫處理、加氫裂化和脫硫。由于優(yōu)質(zhì)低硫燃料的需求激增，以及輕質(zhì)低硫燃油的減少，氫的需求量在不斷增長。過去氫氣本身是化工的副產(chǎn)品之一，然而現(xiàn)在需量增加，導(dǎo)致供需失衡，石化工業(yè)目前也在采取天然氣為原料進(jìn)行氫氣的制備。根據(jù)現(xiàn)在情況假設(shè)，估計(jì)到2030年，與2005年相比，煉油行業(yè)氫氣使用量將翻倍。

除去傳統(tǒng)燃料精煉之外，第二代的生物質(zhì)燃料生產(chǎn)中需要相當(dāng)數(shù)量的氫氣進(jìn)行加氫脫氧。因此，無論對于在精煉過程中減少常規(guī)燃料的使用，還是在生物燃料的碳足跡改善中，氫燃料都扮演者重要的角色，尤其氫的脫碳具有顯著的影響。通過管道進(jìn)行氫氣的輸送已經(jīng)有大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在美國，現(xiàn)有的氫氣管道系統(tǒng)約為2 400公里，而在歐洲已有近1 600公里。

即使是最樂觀的估計(jì)，在氫能源需量激增的未來，仍然需要高能量密度液體燃料方便運(yùn)輸。到2050年，石油基燃料仍可占全球運(yùn)輸燃料總需求的60%，包括生物燃料在內(nèi)的所有液體燃料的市場份額約為80%。這樣的份額主要是由于在公路貨運(yùn)，航空和航運(yùn)中需要高能量液體燃料，并且還反映了使用氫氣或電力的替代車輛具有更高效率的事實(shí)，從而降低了它們在總運(yùn)輸能量使用中的份額。由于所有液體燃料在生產(chǎn)過程中都需要?dú)錃猓虼嗣撎伎梢援a(chǎn)生顯著的碳減排效應(yīng)。用低碳?xì)浯婊瘹洌?050年每年可減少約100 MtCO2的二氧化碳排放量。

氫氣在鋼鐵工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

氫在鋼鐵工業(yè)中，往往是相關(guān)過程的中間產(chǎn)物，同時(shí)也能夠就地作為燃料消納。目前，71%的鋼鐵產(chǎn)量是基于傳統(tǒng)高爐，使用焦炭，煤和/或天然氣用作還原劑。堿性氧氣爐中，一般從鐵中除去過量的碳并產(chǎn)生液態(tài)鋼。

在焦炭生產(chǎn)(焦?fàn)t煤氣，COG)以及高爐(高爐煤氣，BFG)和堿性氧氣爐(堿性氧氣爐，BOFG)期間產(chǎn)生含氫氣體，一旦收集并處理后可在過程中重新使用，可替代其他化石燃料用于加熱。 2012年，約68%的鋼鐵生產(chǎn)過程循環(huán)使用了這部分氫氣。

在鋼鐵工業(yè)過程中更有效地使用副產(chǎn)物氫可以有助于提高整體能效并減少碳排放。為了最大限度地減少對氫氣工廠的投資需求，副產(chǎn)品氫氣也可以在市場引入的初期階段作為燃料電池電動(dòng)汽車(FCEV)的燃料。 然而，為了在質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)中使用，氫氣需要經(jīng)過凈化和清潔，這些步驟會在經(jīng)濟(jì)性上帶來壓力。

富氫氣體也可用作鋼生產(chǎn)的替代方法中的還原劑。 DRI工藝和熔融還原(SR)工藝都可以在不需要焦炭的情況下生產(chǎn)。由于焦炭生產(chǎn)非常耗碳，因此在評估整個(gè)工藝鏈時(shí)可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排。在DRI過程中，通過使用氫氣，可以進(jìn)一步減少排放。 如果可以有效控制氫氣價(jià)格，使用CCS或可再生電力的化石燃料產(chǎn)生的氫可以顯著減少碳排放。

一些研究項(xiàng)目，如歐洲的超低二氧化碳煉鋼(ULCOS)，致力于提高DRI和SR工藝的性能，并探索鐵礦石還原劑的替代品。在這些項(xiàng)目中，成功研發(fā)出高爐替代裝置，在過程中收集、處理和再利用高爐爐頂氣體作為還原劑。與傳統(tǒng)高爐相比，每噸生鐵的焦炭需求量已顯著降低。

在日本，根據(jù)COURSE 50研究項(xiàng)目開發(fā)的工藝能夠?qū)⒏粴銫OG引入高爐以減少碳排放。該研究項(xiàng)目還旨在從BFG中分離和回收二氧化碳。韓國財(cái)團(tuán)POSCO / RIST也正在開發(fā)一種轉(zhuǎn)化工藝，通過蒸汽重整以COG和CO2為原料生產(chǎn)富氫氣體，可用于高爐或SR工藝中的鐵礦石還原。