歐盟總結先進替代燃料技術進展及部署障礙
發布時間：
2023-03-27
歐盟委員會聯合研究中心近日發布了《先進替代燃料技術發展報告》，總結了先進替代燃料全鏈條技術的現狀、發展趨勢以及部署障礙。主要內容如下：
一、技術現狀及趨勢
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中，但某些環節技術的成熟度較低，因此目前尚未實現完整的電力合成燃料技術鏈的規模化商業生產。
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，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展，其容量已經進入MW級，6 MW規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勢。隨著電解槽產量提升、供應鏈的發展、制造工藝的改進以及技術創新，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?？斓呢摵蓜討B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，但需繼續進行系統開發，以及壽命、加壓運行和循環穩定性的驗證。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的大規模工業排放主要來自四個行業：鋼鐵、水泥、煉油和造紙，其中水泥行業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電廠，因為可以使用余熱來提供過程熱，其主要優點是對雜質（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的規模，已經進入商業生產階段。等溫催化甲烷化是常規工廠規模的最合適技術，但其仍處于實驗階段，并正在進行大規模測試。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電的整個轉換鏈，其能源轉換效率可以達到30%-40%，與傳統火電廠相當，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展趨勢是擴大規模以實現規模經濟，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費托合成的區別在于規模更小，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烴，目前已部署了幾家甲醇制汽油的商業工廠，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、微生物發酵
微生物發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。工業廢氣微生物發酵以朗澤公司為主導，主要利用鋼鐵、煉油等行業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酵產生的燃料進行了飛機試飛。2018年中已有大規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-燃料系統的生命周期分析顯示，需改進車輛技術提升經濟性，以實現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商業化，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，盡管各個環節的技術已經存在，仍然缺乏電力合成燃料完整的大規模生產路徑。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。如果實現電力合成燃料的大規模生產，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模使用，但需驗證該技術可以在較小的規模上很好地工作，從而能夠與小規模的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。碳捕集系統的總體改進仍在繼續，尤其需要減少能源消耗問題。廢氣發酵技術盡管仍在發展，但仍需進一步進行示范驗證。
（來源：先進能源科技戰略情報研究中心）
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