歐盟總結(jié)先進替代燃料技術(shù)進展及部署障礙
發(fā)布時間:
2023-03-27
歐盟委員會聯(lián)合研究中心近日發(fā)布了《先進替代燃料技術(shù)發(fā)展報告》,總結(jié)了先進替代燃料全鏈條技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及部署障礙。主要內(nèi)容如下:
一、技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢
1、電力合成燃料
電力合成燃料(Power-to-X)的主要途徑是通過電解水生成H2,隨后與CO2合成轉(zhuǎn)化為氣體或液體燃料。電力合成燃料是未來能源系統(tǒng)中不可或缺的組成部分,能夠?qū)⑦^剩的波動性可再生能源整合到能源系統(tǒng)中,還能平衡電力供需。盡管電力合成燃料所需的許多技術(shù)步驟已廣泛用于工業(yè)中,但某些環(huán)節(jié)技術(shù)的成熟度較低,因此目前尚未實現(xiàn)完整的電力合成燃料技術(shù)鏈的規(guī)?;虡I(yè)生產(chǎn)。
圖1 電力合成燃料的潛在技術(shù)路徑
(1)可再生能源電力制氫
目前,商用堿性電解堆的額定效率(低熱值)和比能耗分別為63%-71%和4.2-4.8 kWh/Nm3,質(zhì)子交換膜電解堆分別為60%-68%和4.4-5.0 kWh/Nm3,而固體氧化物電解堆則為100%(運行于熱中性點電壓)和3 kWh/Nm3。在生產(chǎn)能力方面,這三類電解堆的生產(chǎn)速率分別為1400、400和<10 Nm3/h。另外,電解系統(tǒng)在較低氫氣生產(chǎn)速率下(如低于100 Nm3/h)的性能會下降。壽命是電解槽的另一個重要參數(shù),質(zhì)子交換膜電解槽壽命最長,達到6-10萬小時,其次是堿性電解槽(5.5-12萬小時),固體氧化物電解槽尚未完全商業(yè)化,其壽命為0.8-2萬小時。而且,由于老化帶來的效率降幅約為:堿性電解槽每年降低0.25%-1.5%;質(zhì)子交換膜電解槽每年降低0.5%-2.5%;固體氧化物電解槽不確定性較大,每年效率降低的范圍在3%-50%。而在投資成本方面,堿性電解槽最低(800-1500歐元/kW),其次是質(zhì)子交換膜電解槽(1400-2100歐元/kW),固體氧化物電解槽則超過了2000歐元/kW,具體范圍難以確定。
總體而言,堿性電解槽是當(dāng)前電解水制氫最成熟的技術(shù),其投資和維護成本最低,已經(jīng)可以生產(chǎn)單堆最高容量達到6 MW的電解槽。近年來,靈活儲能的需求極大地推動了質(zhì)子交換膜電解槽的發(fā)展,其容量已經(jīng)進入MW級,6 MW規(guī)模的試點工廠已經(jīng)在運行。與堿性電解槽相比,質(zhì)子交換膜電解槽在緊湊型設(shè)計(高電流密度)、加壓運行和靈活性方面都具有優(yōu)勢。隨著電解槽產(chǎn)量提升、供應(yīng)鏈的發(fā)展、制造工藝的改進以及技術(shù)創(chuàng)新,未來的投資成本可能會下降。質(zhì)子交換膜電解槽和堿性電解槽能夠為電網(wǎng)提供非??斓呢摵蓜討B(tài)響應(yīng)(響應(yīng)時間低于1秒)。相比之下,固體氧化物電解槽具有提高制氫效率的潛力,并且可以可逆運行,但需繼續(xù)進行系統(tǒng)開發(fā),以及壽命、加壓運行和循環(huán)穩(wěn)定性的驗證。除使用可再生能源電解水制氫外,還有光催化制氫和光生物水解制氫等綠色制氫方法。其中,過去十年光催化制氫的轉(zhuǎn)化率(從太陽能到氫氣)已經(jīng)從3%提升至10%以上,但其技術(shù)成熟度仍為第3級。
(2)碳捕集技術(shù)?
高濃度排放源的碳捕集。CO2的大規(guī)模工業(yè)排放主要來自四個行業(yè):鋼鐵、水泥、煉油和造紙,其中水泥行業(yè)由于工藝簡單和單一煙道流等特點,其碳捕集率可達到最高。水泥生產(chǎn)中60%的碳排放來自煅燒含CaCO3原料的過程,剩余40%則來自供熱。目前歐盟“地平線2020”計劃資助的CEMCAP項目已經(jīng)獲得了200 kWth規(guī)模中試實驗的成功(技術(shù)成熟度達到6級),并且在較廣工作條件下可以保持較高碳捕集率(95%)。?
胺基溶劑燃燒后碳捕集。目前燃燒后碳捕集是最可行的技術(shù),可顯著減少燃煤電廠的碳排放。其中最為先進的技術(shù)是基于胺基溶劑的碳捕集技術(shù),已經(jīng)應(yīng)用于一些燃煤電廠。
(3)燃料合成:電力合成氣體燃料
H2和CO2合成甲烷的主要途徑有以下三種:生物甲烷化、等溫催化甲烷化和絕熱固定床甲烷化。生物甲烷化適用于小型發(fā)電廠,因為可以使用余熱來提供過程熱,其主要優(yōu)點是對雜質(zhì)(如硫和氧)具有高度耐受性,因此可以簡化原料氣的清潔過程,目前生物甲烷化仍處于實驗室和示范階段。絕熱固定床甲烷化適用于超過100 MW的規(guī)模,已經(jīng)進入商業(yè)生產(chǎn)階段。等溫催化甲烷化是常規(guī)工廠規(guī)模的最合適技術(shù),但其仍處于實驗階段,并正在進行大規(guī)模測試。由于效率偏低,電力合成氣體燃料主要用于消耗過剩電力,而非用作滿足當(dāng)前天然氣需求的技術(shù)。對于從可再生能源到合成天然氣直至用于天然氣發(fā)電的整個轉(zhuǎn)換鏈,其能源轉(zhuǎn)換效率可以達到30%-40%,與傳統(tǒng)火電廠相當(dāng),到2030年有望達到40%-50%。此外,由于成本偏高,電力合成氣體燃料的另一發(fā)展趨勢是擴大規(guī)模以實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟,但其面臨可再生能源電力的波動性以及CO2來源的規(guī)模和位置限制。
(4)燃料合成:電力合成液體燃料
電力合成液體燃料通常指將電解水制取的H2與CO2或CO合成烴類燃料,主要有費托合成和甲醇路線。費托合成使用合成氣生產(chǎn)液體烴燃料,合成氣幾乎可以從任何含碳原料中產(chǎn)生,使用煤炭或天然氣為原料的大型費托合成工廠正在成功運行。利用電解水制取的H2,通過費托合成方式與CO2合成汽油、柴油等液體燃料,這一新型路徑與傳統(tǒng)費托合成的區(qū)別在于規(guī)模更小,以匹配CO2來源。微結(jié)構(gòu)化反應(yīng)器設(shè)計能夠增加反應(yīng)表面積,從而大大增強熱傳遞并改善溫度控制。推動微通道費托合成反應(yīng)器技術(shù)商業(yè)化的公司有美國Velocys公司和德國Ineratec GmbH公司。對于不同的工廠規(guī)模,采用費托合成的電力合成液體燃料技術(shù)的投資成本為300-2100歐元/千瓦燃料。
除費托合成外,還可將H2與CO/CO2合成為甲醇,用于生產(chǎn)交通燃料,或?qū)⑵溆米鞔萌剂稀D壳?,甲醇路線的研發(fā)重點是CO2直接加氫轉(zhuǎn)化為甲醇。公路和航空運輸部門正研究將甲醇轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴,目前已部署了幾家甲醇制汽油的商業(yè)工廠,此外還可將甲醇轉(zhuǎn)化為柴油和煤油,收率高達80%。對于不同的工廠規(guī)模,采用甲醇路線的投資成本為200-1200歐元/千瓦燃料。
2、微生物發(fā)酵
微生物發(fā)酵制燃料技術(shù)主要由新西蘭的朗澤公司(Lanzatech)推動,通過殘留氣體發(fā)酵將碳生物轉(zhuǎn)化為醇類產(chǎn)品。該技術(shù)可以將富含碳的廢氣作為碳源,因而為碳利用提供了一種新的方法。工業(yè)廢氣微生物發(fā)酵以朗澤公司為主導(dǎo),主要利用鋼鐵、煉油等行業(yè)產(chǎn)生的廢氣生產(chǎn)乙醇,進而可用于生產(chǎn)航空替代燃料。該技術(shù)已經(jīng)到了試點/示范階段,2018年10月維珍大西洋航空公司宣布首次利用微生物發(fā)酵產(chǎn)生的燃料進行了飛機試飛。2018年中已有大規(guī)模示范工廠宣布開工建設(shè)。
3、其他技術(shù)
除上述技術(shù)外,還有一些其他先進燃料技術(shù)。如基于藍細菌工藝?yán)每稍偕茉措娏χ迫〉?/span>H2生產(chǎn)氨,以用作交通替代燃料。相比H2,氨更易于存儲和運輸,且已經(jīng)具備成熟的生產(chǎn)和分配基礎(chǔ)設(shè)施。對于氨-燃料系統(tǒng)的生命周期分析顯示,需改進車輛技術(shù)提升經(jīng)濟性,以實現(xiàn)氨燃料在交通領(lǐng)域的使用。
另一種技術(shù)是使用塑料等廢物生產(chǎn)液體燃料,主要涉及氣化、費托合成和熱解等過程。目前已有示范工廠,直接從垃圾場回收原料中熱解塑料,無需進行任何預(yù)處理,熱解油可在現(xiàn)有煉油廠中提煉為運輸燃料。加拿大Enerkem公司的工藝已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化,其將固體廢物轉(zhuǎn)化為甲醇、乙醇或其他化學(xué)品。美國Velocys公司也利用城市固廢生產(chǎn)燃料,是中小型費托反應(yīng)器的供應(yīng)商。美國Fulcrum BioEnergy公司的首個固廢生產(chǎn)燃料工廠已經(jīng)開始了第二階段的建設(shè),但其塑料原料可能來自于化石燃料。
二、主要部署障礙
1、成本障礙。成本是阻礙電力合成燃料進一步部署的主要障礙,盡管各個環(huán)節(jié)的技術(shù)已經(jīng)存在,仍然缺乏電力合成燃料完整的大規(guī)模生產(chǎn)路徑。電力合成燃料的成本仍然過高,難以與其他燃料競爭。
2、電網(wǎng)負荷障礙。如果實現(xiàn)電力合成燃料的大規(guī)模生產(chǎn),則將會極大增加對可再生能源電力的需求,這將會給電網(wǎng)增加大量負荷。
3、技術(shù)障礙。需改進電解系統(tǒng)以最大限度地提高H2的產(chǎn)量,同時保持較好運行性能。將H2作為燃料直接使用在一定程度上受到基礎(chǔ)設(shè)施的限制,此外,還需要普及氫燃料電池汽車。使用費托合成的電力合成液體燃料技術(shù)已被證明可以大規(guī)模使用,但需驗證該技術(shù)可以在較小的規(guī)模上很好地工作,從而能夠與小規(guī)模的CO2來源相匹配。涉及甲醇合成的電力合成液體燃料技術(shù)需要改善高工藝壓力的問題。碳捕集系統(tǒng)的總體改進仍在繼續(xù),尤其需要減少能源消耗問題。廢氣發(fā)酵技術(shù)盡管仍在發(fā)展,但仍需進一步進行示范驗證。
(來源:先進能源科技戰(zhàn)略情報研究中心)
相關(guān)新聞
推動綠色新能源,共建美好未來
聯(lián)系信息
海外項目
聯(lián)系電話:02568082504
聯(lián)系郵箱:guoji@njkskn.com
國內(nèi)項目
聯(lián)系電話:02569969602
聯(lián)系郵箱:marketing@njkskn.com