氫能及燃料電池系列

隨著可再生能源時代的全面到來，減輕電網波動，平衡供需成為可再生能源發展的當務之急。而解決這些問題的關鍵就在于儲能技術。氫儲能技術在儲能技術中有著無可比擬的優勢。這項被德國能源署譽為“德國能源轉型的基石”的技術到底是什么?本文將做簡單介紹。

提到氫能，大家現在大提特提的多是氫燃料電池汽車的應用，然而我們需要認識到一個事實:當下工業界對氫能源的需求在氫能源市場中占主導地位。相比交通行業，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，怎樣低碳廉價的生產氫氣了，因此氫能在工業中的應用更經濟有效。本文將著重介紹氫能在石油化工和鋼鐵工業的應用：

氫氣在石油化工領域應用

化工行業當中，大部分氫氣用于加氫處理、加氫裂化和脫硫。由于優質低硫燃料的需求激增，以及輕質低硫燃油的減少，氫的需求量在不斷增長。過去氫氣本身是化工的副產品之一，然而現在需量增加，導致供需失衡，石化工業目前也在采取天然氣為原料進行氫氣的制備。根據現在情況假設，估計到2030年，與2005年相比，煉油行業氫氣使用量將翻倍。

除去傳統燃料精煉之外，第二代的生物質燃料生產中需要相當數量的氫氣進行加氫脫氧。因此，無論對于在精煉過程中減少常規燃料的使用，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。通過管道進行氫氣的輸送已經有大量的實踐經驗，在美國，現有的氫氣管道系統約為2 400公里，而在歐洲已有近1 600公里。

即使是最樂觀的估計，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輸。到2050年，石油基燃料仍可占全球運輸燃料總需求的60%，包括生物燃料在內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，航空和航運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，從而降低了它們在總運輸能量使用中的份額。由于所有液體燃料在生產過程中都需要氫氣，因此脫碳可以產生顯著的碳減排效應。用低碳氫代替化石氫，到2050年每年可減少約100 MtCO2的二氧化碳排放量。

氫氣在鋼鐵工業領域的應用

氫在鋼鐵工業中，往往是相關過程的中間產物，同時也能夠就地作為燃料消納。目前，71%的鋼鐵產量是基于傳統高爐，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生液態鋼。

在焦炭生產(焦爐煤氣，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%的鋼鐵生產過程循環使用了這部分氫氣。

在鋼鐵工業過程中更有效地使用副產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，副產品氫氣也可以在市場引入的初期階段作為燃料電池電動汽車(FCEV)的燃料。 然而，為了在質子交換膜燃料電池(PEMFC)中使用，氫氣需要經過凈化和清潔，這些步驟會在經濟性上帶來壓力。

富氫氣體也可用作鋼生產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。由于焦炭生產非常耗碳，因此在評估整個工藝鏈時可以實現二氧化碳減排。在DRI過程中，通過使用氫氣，可以進一步減少排放。 如果可以有效控制氫氣價格，使用CCS或可再生電力的化石燃料產生的氫可以顯著減少碳排放。

一些研究項目，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。在這些項目中，成功研發出高爐替代裝置，在過程中收集、處理和再利用高爐爐頂氣體作為還原劑。與傳統高爐相比，每噸生鐵的焦炭需求量已顯著降低。

在日本，根據COURSE 50研究項目開發的工藝能夠將富氫COG引入高爐以減少碳排放。該研究項目還旨在從BFG中分離和回收二氧化碳。韓國財團POSCO / RIST也正在開發一種轉化工藝，通過蒸汽重整以COG和CO2為原料生產富氫氣體，可用于高爐或SR工藝中的鐵礦石還原。