歐盟總結先進替代燃料技術進展及部署障礙
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《先進替代燃料技術發(fā)展報告》，總結了先進替代燃料全鏈條技術的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及部署障礙。主要內容如下：
一、技術現(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，能夠將過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步驟已廣泛用于工業(yè)中，但某些環(huán)節(jié)技術的成熟度較低，因此目前尚未實現(xiàn)完整的電力合成燃料技術鏈的規(guī)模化商業(yè)生產。
圖1 電力合成燃料的潛在技術路徑
（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。在生產能力方面，這三類電解堆的生產速率分別為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，堿性電解槽是當前電解水制氫最成熟的技術，其投資和維護成本最低，已經可以生產單堆最高容量達到6 MW的電解槽。近年來，靈活儲能的需求極大地推動了質子交換膜電解槽的發(fā)展，其容量已經進入MW級，6 MW規(guī)模的試點工廠已經在運行。與堿性電解槽相比，質子交換膜電解槽在緊湊型設計（高電流密度）、加壓運行和靈活性方面都具有優(yōu)勢。隨著電解槽產量提升、供應鏈的發(fā)展、制造工藝的改進以及技術創(chuàng)新，未來的投資成本可能會下降。質子交換膜電解槽和堿性電解槽能夠為電網提供非常快的負荷動態(tài)響應（響應時間低于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化率（從太陽能到氫氣）已經從3%提升至10%以上，但其技術成熟度仍為第3級。
（2）碳捕集技術?
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項目已經獲得了200 kWth規(guī)模中試實驗的成功（技術成熟度達到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，可顯著減少燃煤電廠的碳排放。其中最為先進的技術是基于胺基溶劑的碳捕集技術，已經應用于一些燃煤電廠。
（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（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，已經進入商業(yè)生產階段。等溫催化甲烷化是常規(guī)工廠規(guī)模的最合適技術，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，而非用作滿足當前天然氣需求的技術。對于從可再生能源到合成天然氣直至用于天然氣發(fā)電的整個轉換鏈，其能源轉換效率可以達到30%-40%，與傳統(tǒng)火電廠相當，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液體烴燃料，合成氣幾乎可以從任何含碳原料中產生，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。微結構化反應器設計能夠增加反應表面積，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器技術商業(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，用于生產交通燃料，或將其用作船用燃料。目前，甲醇路線的研發(fā)重點是CO2直接加氫轉化為甲醇。公路和航空運輸部門正研究將甲醇轉化為液態(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)酵將碳生物轉化為醇類產品。該技術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，主要利用鋼鐵、煉油等行業(yè)產生的廢氣生產乙醇，進而可用于生產航空替代燃料。該技術已經到了試點/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。
3、其他技術
除上述技術外，還有一些其他先進燃料技術。如基于藍細菌工藝利用可再生能源電力制取的H2生產氨，以用作交通替代燃料。相比H2，氨更易于存儲和運輸，且已經具備成熟的生產和分配基礎設施。對于氨-燃料系統(tǒng)的生命周期分析顯示，需改進車輛技術提升經濟性，以實現(xiàn)氨燃料在交通領域的使用。
另一種技術是使用塑料等廢物生產液體燃料，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公司的工藝已經實現(xiàn)商業(yè)化，其將固體廢物轉化為甲醇、乙醇或其他化學品。美國Velocys公司也利用城市固廢生產燃料，是中小型費托反應器的供應商。美國Fulcrum BioEnergy公司的首個固廢生產燃料工廠已經開始了第二階段的建設，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)的技術已經存在，仍然缺乏電力合成燃料完整的大規(guī)模生產路徑。電力合成燃料的成本仍然過高，難以與其他燃料競爭。
2、電網負荷障礙。如果實現(xiàn)電力合成燃料的大規(guī)模生產，則將會極大增加對可再生能源電力的需求，這將會給電網增加大量負荷。
3、技術障礙。需改進電解系統(tǒng)以最大限度地提高H2的產量，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設施的限制，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已被證明可以大規(guī)模使用，但需驗證該技術可以在較小的規(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）
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