氫能,因?yàn)槠淙紵笾慌欧潘?,被視為未來的清潔燃料。包括日本、德?guó)、韓國(guó)、澳大利亞、中國(guó)等在內(nèi)的國(guó)家,在重構(gòu)新能源體系過程中,都把“氫能源”放到重要戰(zhàn)略地位。
但是,并非所有的氫能都是綠色的,這主要取決于氫氣的來源。因?yàn)樯a(chǎn)方式不同,商業(yè)制氫分為“灰色氫”、“藍(lán)色氫”、“綠色氫”(點(diǎn)擊可查看具體定義)。前兩種氫來自化石燃料,也存在不同程度的二氧化碳排放。
只有“綠氫”,因?yàn)橐燥L(fēng)力、太陽能等可再生能源電力電解水產(chǎn)生氫氣,這種方式獲得的氫氣可以實(shí)現(xiàn)綠色零排放,所以成為研究重點(diǎn)。
綠氫因?yàn)槌杀颈容^高,目前占比非常低,全球綠氫供應(yīng)量占消費(fèi)總量不到5%。綠氫成為叫好不叫座的產(chǎn)品。
目前,歐洲、美國(guó)、日本等地,突然流行垃圾制取氫氣,這是一種比“綠氫”更環(huán)保的方式,而且成本更低,在一些地方還能獲得額外的垃圾處理費(fèi),所以也可以稱為“零成本”制綠氫。
這到底是一種什么技術(shù),是如何運(yùn)作的,讓我們來了解一下。
Boson Energy是一家總部位于盧森堡的科技公司。公司創(chuàng)始人包括Jan Grimbrandt 和Wlodzimierz Blasiak等,都是圈內(nèi)牛人。
Jan Grimbrandt 是Boson的首席執(zhí)行官,在工業(yè)和清潔技術(shù)能源領(lǐng)域內(nèi)擁有廣泛的知名度,他在創(chuàng)立Boson之前,曾創(chuàng)建過兩家公司,分別是Mobotec Europe AB和Altoptronic AB,都是關(guān)于脫碳和控制污染之類的企業(yè),后來賣給了 Nalco和西門子公司,獲得了第一桶金。
圖說:Boson的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Jan Grimbrandt
Wlodzimierz Blasiak則是高溫氣化和燃燒領(lǐng)域備受尊敬的專家,在全職加入 Boson之前,他是瑞典斯德哥爾摩皇家理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系的教授,他的主要研究課題是低NOx燃燒、高性能工業(yè)爐的設(shè)計(jì)、富氧燃燒和高溫氣化等問題。
Boson公司聲稱,它們的任務(wù)就是解決世界垃圾問題,通過將不可回收的廢物轉(zhuǎn)化為可持續(xù)和有利可圖的氫能和其他能源資源。
以零或更低的成本從不可回收的廢物中生產(chǎn)負(fù)碳綠氫,是主推產(chǎn)品。他們認(rèn)為,賣氫和其他附加產(chǎn)品的收入完全可抵消生產(chǎn)氫氣的費(fèi)用。
Boson開發(fā)了一種等離子體輔助氣化過程,該過程利用極高的溫度將廢物分解成氫、二氧化碳和熔化的泥漿,這些泥漿會(huì)凝固成藍(lán)色/灰色的玻璃狀巖石。
圖說:反應(yīng)堆底部爐子中的等離子火炬。
來源:Boson
Jan Grimbrandt 告訴媒體,這一過程將創(chuàng)造幾個(gè)收入來源。氫氣、“綠色二氧化碳”和玻璃巖將被出售以賺取利潤(rùn),同時(shí)該公司還將從地方當(dāng)局和回收公司獲得處理垃圾的費(fèi)用,以及避免垃圾填埋場(chǎng)甲烷排放的碳信用額。
盡管二氧化碳是一種溫室氣體,但它是各種行業(yè)使用的一種重要產(chǎn)品,包括碳酸飲料、食品加工、食品包裝和溫室,通常來自化石燃料。它還可以用來幫助固化水泥和其他建筑材料,這將固定二氧化碳,防止其釋放到大氣中。
這種惰性玻璃巖可用作水泥、混凝土和道路建設(shè)的工業(yè)集料。
這些收入來源基本上足以抵消氫氣生產(chǎn)的成本,從而使零碳?xì)錃獾纳a(chǎn)成本達(dá)到零甚至低于零。
根據(jù)Boson的說法,該工藝每噸廢棄物將產(chǎn)生大約100公斤的負(fù)碳?xì)錃?,并且每噸所需的可再生電力只是水電解產(chǎn)生綠氫的六分之一。
全球每年約有20億噸不可回收的垃圾被傾倒或焚燒,潛在市場(chǎng)是巨大的。
“歐洲每年有1億噸垃圾被填埋,1億噸垃圾被焚燒。所以這些廢物中有2000萬噸潛在的氫氣?!盝an Grimbrandt 說。
歐盟委員會(huì)制定了到2030年生產(chǎn)1000萬噸綠色氫氣的目標(biāo),主要來自40GW的電解槽,并同時(shí)進(jìn)口相同數(shù)量的綠氫。
Boson認(rèn)為,從能源安全角度來看,讓歐洲在當(dāng)?shù)貜膹U物或生物質(zhì)中生產(chǎn)氫氣會(huì)更有意義,而不是像德國(guó)、荷蘭和歐委會(huì)計(jì)劃的那樣,試圖從世界其他地區(qū)進(jìn)口氫氣。
Boson公司目前正在歐洲各地(西班牙、德國(guó)、瑞典、挪威、波蘭、荷蘭和盧森堡)開發(fā)10個(gè)商業(yè)項(xiàng)目,這些項(xiàng)目包括在歐洲清潔氫聯(lián)盟(ECH2A)的750多個(gè)符合歐委會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目中。
這十個(gè)項(xiàng)目每年能生產(chǎn)6萬噸負(fù)碳?xì)錃?。如果把這個(gè)容量放在電解槽下,基本上相當(dāng)于1GW的風(fēng)力電解槽。
Boson的愿景是與當(dāng)?shù)貜U物管理公司和市政當(dāng)局合作,共同建設(shè)、擁有和運(yùn)營(yíng)小型、無污染的廢物制氫工廠,每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)施的空間只有40*60平方米,每年生產(chǎn)3500噸清潔氫氣。
Boson計(jì)算出,要將全球每年20億噸未循環(huán)利用的廢物全部轉(zhuǎn)化為氫氣,需要6萬家這樣的分布工廠。如果所有的氫氣都被用來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車,將減少20%的全球與能源相關(guān)的二氧化碳排放。
Boson目前正與將提供設(shè)備和系統(tǒng)的合作伙伴公司合作,包括西門子能源、總部位于蒙特利爾的PyroGenesis、總部位于維也納的RHI Magnesita、挪威綠色技術(shù)公司Haldor-Topsoe和美國(guó)霍尼韋爾公司。
Boson基于25年發(fā)展設(shè)計(jì)的系統(tǒng)其實(shí)非常簡(jiǎn)單。主要是一套等離子體輔助氣化過程。
粗略粉碎的廢物進(jìn)入一個(gè)垂直的反應(yīng)器,由能夠產(chǎn)生高達(dá)7000°C溫度的電動(dòng)等離子火炬從底部加熱。
因?yàn)榉磻?yīng)堆頂部的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于底部,因此廢物在流向底部的過程中會(huì)經(jīng)過不斷增加的熱區(qū),每個(gè)溫度區(qū)都發(fā)揮著自己的重要功能。
在最上面的區(qū)域,廢物被干燥和加熱。然后,它向下移動(dòng)到更熱的區(qū)域,在那里發(fā)生熱解(在沒有氧氣的情況下通過加熱分解)。生物可降解物質(zhì)變成熱解氣體,是氫、一氧化碳和輕烴(主要是甲烷)的混合物。
在下一個(gè)區(qū)域,剩余的物質(zhì)——碳和無機(jī)材料,被蒸汽氣化,所有這些步驟中釋放的氣體結(jié)合成一種氫和一氧化碳的混合物。
然后,離開反應(yīng)器的氣體經(jīng)過蒸汽重整和水煤氣變換過程,將剩余的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸嫁D(zhuǎn)化為額外的氫氣和二氧化碳。最后一步是將合成氣分離成氫氣和二氧化碳。留下的是少量的剩余氣體,由氮、一些二氧化碳和一小部分碳?xì)浠衔锝M成,用作生產(chǎn)蒸汽的能源。
剩下的物質(zhì)主要是無機(jī)灰和礦渣,落入底部的玻璃化室,在那里它被等離子火炬加熱到1500-2000°C進(jìn)入熔融狀態(tài)。這種類似熔巖的液體被提取出來,冷卻成一種惰性的玻璃狀物質(zhì),Boson給它取了一個(gè)名字“IMBY巖石”。
圖說:垃圾制氫產(chǎn)生的玻璃狀巖石。
來源:Boson
在這個(gè)過程中,廢物轉(zhuǎn)化為氫氣比直接焚燒顯然更好。
在歐洲,通過焚燒垃圾發(fā)電可以防止甲烷垃圾填埋場(chǎng)的排放,但燒爐也會(huì)排放溫室氣體,包括二氧化碳和NOx排放,以及其他對(duì)人類健康有害的污染物。
特別是塑料垃圾燃燒會(huì)產(chǎn)生有毒污染物。大約12%的城市固體廢物由塑料組成,當(dāng)塑料燃燒時(shí),會(huì)向大氣中釋放有毒氣體,如二噁英、呋喃、汞和多氯聯(lián)苯,由此釋放的有毒物質(zhì)對(duì)植被、人和動(dòng)物的健康以及整個(gè)環(huán)境都構(gòu)成了威脅。二噁英在莊稼和水道中停留,最終進(jìn)入我們的食物,這是一種有毒化合物,可導(dǎo)致癌癥和神經(jīng)損害。
垃圾焚燒時(shí),還會(huì)產(chǎn)生煙道氣中存在的飛灰和堆積在焚燒爐底部的底灰。后者可以添加到瀝青中,但前者是一種危險(xiǎn)物質(zhì),必須在礦山或采石場(chǎng)進(jìn)行處理和處置,并支付額外費(fèi)用。
因此,從人類健康的角度來看,焚燒并不是一件好事。從經(jīng)濟(jì)角度來看,這也不是理想的。
在歐洲,垃圾處理公司,每處理一噸廢物能賺取15-20歐元。如果從焚燒轉(zhuǎn)向這套垃圾制氫工藝,將帶來每噸20歐元至200歐元的利潤(rùn)。
其實(shí),除了Boson Energy公司,在美國(guó)、中國(guó)、日本、英國(guó)等地,也紛紛冒出諸多通過廢棄物制取氫氣的初創(chuàng)公司。
比如美國(guó)加州的Ways2H公司,成立于2019年,正在研發(fā)的氫氣生產(chǎn)系統(tǒng),使用的原料垃圾品種很多,木屑、城市垃圾、污水、污泥、醫(yī)療垃圾、飛機(jī)運(yùn)營(yíng)和乘客產(chǎn)生的垃圾,在公司的車間里都能變成氫氣,1噸的垃圾可生產(chǎn)出40~50公斤的氫氣。
Ways2H還和Element 2合作,計(jì)劃在英國(guó)建立40座垃圾制氫站。
另一家總部位于華盛頓特區(qū)的SGH2 Energy公司,也是一家將廢物轉(zhuǎn)化為氫氣的公司。
2020年5月,SGH2宣布,將聯(lián)合加州蘭開斯特市政府、日本氫工業(yè)氣體公司巖谷在蘭開斯特引入世界上最大的綠色氫生產(chǎn)設(shè)施。該工廠將采用SGH2氣化技術(shù),利用生物垃圾、生物質(zhì)和循環(huán)水生產(chǎn)負(fù)碳?xì)洹?/span>
作為該綠色制氫設(shè)施的接收方和共同所有者,蘭開斯特市將幫助提供有保證的廢紙?jiān)?,減少垃圾填埋場(chǎng)產(chǎn)生的甲烷,從而為該市節(jié)省垃圾填埋和填埋場(chǎng)空間成本,每噸約為50-75美元。
SGH2 則同意,十年內(nèi),每年向南加州各地的加油站出售3850噸“比綠色更環(huán)?!钡呢?fù)碳?xì)洹_@筆交易是迄今為止全球第一筆長(zhǎng)期綠色氫氣承購(gòu)協(xié)議。
這座等離子增強(qiáng)型氣化廠計(jì)劃于2023年夏天投產(chǎn),將由市政府和SGH2通過公私合作伙伴關(guān)系共同擁有。
今年1月,英國(guó)政府公布了一個(gè)最新的政府資助項(xiàng)目:提供500萬英鎊初期資金,支持高等院校、科研機(jī)構(gòu)以及初創(chuàng)企業(yè)進(jìn)行新技術(shù)研發(fā),發(fā)展可回收生物質(zhì)制氫和垃圾制氫。
與此同時(shí),日本汽車制造商豐田、工業(yè)氣體生產(chǎn)商巖谷徹和工程設(shè)計(jì)公司JGC也宣布,將合作研究塑料垃圾制氫技術(shù),推動(dòng)可持續(xù)氫經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
中國(guó)企業(yè)也成為了垃圾制氫領(lǐng)域的“先行者”。2021年9月,東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司與重慶市潼南區(qū)人民政府簽訂了垃圾發(fā)電耦合制氫及氫能示范項(xiàng)目合作意向書,將環(huán)保和氫能結(jié)合到一起,建成后有望成為中國(guó)首個(gè)商業(yè)化垃圾制氫示范項(xiàng)目。
當(dāng)發(fā)展綠氫成為各國(guó)能源轉(zhuǎn)型重要組成部分,廉價(jià)和超級(jí)綠色的垃圾制氫也必將迎來非常好的市場(chǎng)前景。
參考資料:
[1]https://www.rechargenews.com/energy-transition/-we-will-produce-carbon-negative-green-hydrogen-from-non-recyclable-waste-at-zero-or-below-zero-cost-/2-1-1162744
[2]https://www.rechargenews.com/transition/its-much-cheaper-to-produce-green-hydrogen-from-waste-than-renewables/2-1-801160
[3]https://bosonenergy.com/
[4]國(guó)際能源參考:垃圾制氫不再“小眾”
[5]孜然實(shí)驗(yàn)室:燒垃圾產(chǎn)氫氣,一舉兩得,這個(gè)工廠厲害了
[6]https://ways2h.com/