從燃料電池到原料:IDTechEx報告介紹氫能應用指南

13 3 From Fuel Cells to Feedstocks: A Guide to Hydrogen Applications, Reports IDTechEx

波士頓, 2023年10月4日 — 隨著能源和工業景觀正在經歷轉型式的變化,氫能經濟正處於可持續增長的門檻。預期的氫價值鏈將整合生產、儲存和分配系統,支持從工業過程到各種運輸領域等廣泛應用。雖然電氣化仍然是許多領域脫碳的主要方式,但氫作為這些難以減排行業的關鍵解決方案而浮現。


Overview of hydrogen application sectors & fuel cell technologies. Source: IDTechEx

氫能應用領域和燃料電池技術概覽。來源:IDTechEx

傳統工業應用:煉油、氨和甲醇

煉油、氨和甲醇生產等傳統工業領域在不斷發展的氫能技術景觀中繼續發揮關鍵作用。IDTechEx預測,石化煉油在可預見的未來仍將是低碳氫的最大消費者之一。加氫裂化和加氫處理是使用大量氫的關鍵工藝,後者是煉油廠中主要消耗氫的操作。全球石油消費增加和需要加工更重質原油的需求等因素正在推動這個領域對氫的需求增長。

石化公司正在努力減少其碳足跡。許多煉油廠位於工業區或化工園區內,這些地區正在成為新的碳捕集和氫基礎設施項目的重點,例如HyNet North West倡議中的Stanlow煉油廠。此外,氫在煉油廠的能源和熱能生成系統中的利用具有進一步減排的潛力,而這些系統目前依賴燃燒技術。但是,值得注意的是,預計這種進步在煉油市場中將是長期的。

氨生產作為另一項重要的低碳氫應用,對肥料和化工行業的脫碳計劃做出了重大貢獻。將哈伯-博士法適應綠色或藍色氫提供了一條有前途的途徑,以減少二氧化碳排放。除了傳統用途外,氨也越來越被視為有效的氫載體,用於國際運輸,這表明這個領域持續增長的前景。

IDTechEx還確定低碳甲醇生產是一條雖不太突出但仍然至關重要的氫應用途徑。像Carbon Recycling International (CRI)這樣的公司在這方面正在取得重大進展,開發Finnjord E-methanol廠等項目。甲醇是各種化學品的重要組成部分,並越來越多地用於能源儲存和作為汽車燃料。利用綠色或藍色氫可以大大減少化學品生產中的排放。但是,與綠色氨一樣,綠色甲醇生產的成本仍然很高,並在很大程度上取決於二氧化碳來源。此外,二氧化碳需要來自直接空氣捕集或廢物/生物質,才能將甲醇歸類為真正碳中性。

新興工業應用:煉鋼、發電和合成燃料生產

IDTechEx預計氫在中長期內在煉鋼過程中將發揮重要作用。傳統鋼鐵生產佔全球二氧化碳排放的7-9%。ArcelorMittal、SSAB和Tata Steel等領先企業正在積極研究氫動力直接還原鐵-電弧爐(H2-DRI-EAF)技術,以生產更可持續的鋼鐵。這體現在HYBRIT示範項目上 – 一個瑞典SSAB、LKAB和Vattenfall之間的合作項目。這些公司正在瑞典展示一條無化石燃料的鋼鐵價值鏈,利用可再生能源和氫,其中涉及對鋼鐵生產供應鏈的所有元素進行脫碳。儘管技術挑戰仍然存在,但氫作為這一轉型的支柱。

氫在發電和供熱中的應用仍處於初期階段,但對更廣泛的脫碳努力具有關鍵的前景。氫在可再生能源儲存、離網儲存和熱電聯產廠中具有潛在的應用。儘管電力-氣體-電力轉換中的效率損失,但對於選擇有限的離網應用,氫呈現出有吸引力的替代方案。但是,氫在發電和供熱應用(尤其是可再生能源儲存)中的利用仍需要完善的商業模式,以使其在商業上更可行。

氫在生物燃料和合成燃料生產中也發揮著重要作用。第一代和先進生物燃料通過應用綠色氫可以變得越來越碳中性。Neste和TotalEnergies等主要煉油商正專注於這些燃料,受消費者需求和監管政策的推動。但是,IDTechEx預計氫在這個領域的作用至少在中期內相對有限。

移動應用:燃料電池電動汽車(FCEV)、海事、鐵路和航空

燃料電池是將為這些運輸部門提供動力的關鍵技術。這些運輸部門將需要高效整合燃料電池堆與合適的氫儲存方法、熱交換器和其他平衡系統。儘管技術和商業化挑戰依然存在,但汽車和重型運輸領域對氫燃料電池的興趣和投資正在增長。

在輕型商用車輛方面,日本是全球領先的市場。豐田Mirai和本田Clarity Fuel Cell等轎車型號已在日本銷售多年。輕型商用車也正在採用氫燃料電池,例如豐田Coaster和日野葉子II巴士。中國也正在積極推進氫燃料電池汽車的商業化,例如上汽集團和比亞迪。

在重型商用車輛方面,Nikola和Hyzon Motors等初創公司正在開發氫燃料電池卡車。但主流OEM也在積極參與其中,例如DAF Trucks、Volvo和Daimler Trucks。這些公司要麼已經推出氫燃料電池卡車原型,要麼計劃在未來幾年內推出。

鐵路也是氫燃料電池應用的有前途的新領域。Alstom正在開發Coradia iLint氫動力列車,並已在德國投入運營。Vivarail和BNSF也正在試驗氫燃料電池動車組。氫還可用於為現有電氣化鐵路提供動力。

航空領域的氫燃料電池應用目前仍處於概念階段,但一些公司已宣布雄心勃勃的目標。空中客車計劃在2035年推出100個座位級的氫動力飛機,而通用動力的商務噴氣機部門希望在2030年代中期實現氫燃料電池動力的噴氣機。

總體而言,氫作為多個行業脫碳努力的支柱,將在各種應用中發揮日益重要的作用。從傳統工業到新興運輸領域,氫技術正在蓬勃發展。隨著生產和基礎設施的發展,氫價值鏈將不斷完善,為實現更可持續的工業生態系統奠定基礎。