【氢能及燃料电池】氢能如何应用在工业领域？

氢能及燃料电池系列

随着可再生能源时代的全面到来，减轻电网波动，平衡供需成为可再生能源发展的当务之急。而解决这些问题的关键就在于储能技术。氢储能技术在储能技术中有着无可比拟的优势。这项被德国能源署誉为“德国能源转型的基石”的技术到底是什么?本文将做简单介绍。

提到氢能，大家现在大提特提的多是氢燃料电池汽车的应用，然而我们需要认识到一个事实:当下工业界对氢能源的需求在氢能源市场中占主导地位。相比交通行业，氢能的利用更加直接，没了加氢站布局的困扰，所面临的最主要的瓶颈就只是，怎样低碳廉价的生产氢气了，因此氢能在工业中的应用更经济有效。本文将着重介绍氢能在石油化工和钢铁工业的应用：

氢气在石油化工领域应用

化工行业当中，大部分氢气用于加氢处理、加氢裂化和脱硫。由于优质低硫燃料的需求激增，以及轻质低硫燃油的减少，氢的需求量在不断增长。过去氢气本身是化工的副产品之一，然而现在需量增加，导致供需失衡，石化工业目前也在采取天然气为原料进行氢气的制备。根据现在情况假设，估计到2030年，与2005年相比，炼油行业氢气使用量将翻倍。

除去传统燃料精炼之外，第二代的生物质燃料生产中需要相当数量的氢气进行加氢脱氧。因此，无论对于在精炼过程中减少常规燃料的使用，还是在生物燃料的碳足迹改善中，氢燃料都扮演者重要的角色，尤其氢的脱碳具有显着的影响。通过管道进行氢气的输送已经有大量的实践经验，在美国，现有的氢气管道系统约为2 400公里，而在欧洲已有近1 600公里。

即使是最乐观的估计，在氢能源需量激增的未来，仍然需要高能量密度液体燃料方便运输。到2050年，石油基燃料仍可占全球运输燃料总需求的60%，包括生物燃料在内的所有液体燃料的市场份额约为80%。这样的份额主要是由于在公路货运，航空和航运中需要高能量液体燃料，并且还反映了使用氢气或电力的替代车辆具有更高效率的事实，从而降低了它们在总运输能量使用中的份额。由于所有液体燃料在生产过程中都需要氢气，因此脱碳可以产生显着的碳减排效应。用低碳氢代替化石氢，到2050年每年可减少约100 MtCO2的二氧化碳排放量。

氢气在钢铁工业领域的应用

氢在钢铁工业中，往往是相关过程的中间产物，同时也能够就地作为燃料消纳。目前，71%的钢铁产量是基于传统高炉，使用焦炭，煤和/或天然气用作还原剂。碱性氧气炉中，一般从铁中除去过量的碳并产生液态钢。

在焦炭生产(焦炉煤气，COG)以及高炉(高炉煤气，BFG)和碱性氧气炉(碱性氧气炉，BOFG)期间产生含氢气体，一旦收集并处理后可在过程中重新使用，可替代其他化石燃料用于加热。 2012年，约68%的钢铁生产过程循环使用了这部分氢气。

在钢铁工业过程中更有效地使用副产物氢可以有助于提高整体能效并减少碳排放。为了最大限度地减少对氢气工厂的投资需求，副产品氢气也可以在市场引入的初期阶段作为燃料电池电动汽车(FCEV)的燃料。 然而，为了在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中使用，氢气需要经过净化和清洁，这些步骤会在经济性上带来压力。

富氢气体也可用作钢生产的替代方法中的还原剂。 DRI工艺和熔融还原(SR)工艺都可以在不需要焦炭的情况下生产。由于焦炭生产非常耗碳，因此在评估整个工艺链时可以实现二氧化碳减排。在DRI过程中，通过使用氢气，可以进一步减少排放。 如果可以有效控制氢气价格，使用CCS或可再生电力的化石燃料产生的氢可以显着减少碳排放。

一些研究项目，如欧洲的超低二氧化碳炼钢(ULCOS)，致力于提高DRI和SR工艺的性能，并探索铁矿石还原剂的替代品。在这些项目中，成功研发出高炉替代装置，在过程中收集、处理和再利用高炉炉顶气体作为还原剂。与传统高炉相比，每吨生铁的焦炭需求量已显着降低。

在日本，根据COURSE 50研究项目开发的工艺能够将富氢COG引入高炉以减少碳排放。该研究项目还旨在从BFG中分离和回收二氧化碳。韩国财团POSCO / RIST也正在开发一种转化工艺，通过蒸汽重整以COG和CO2为原料生产富氢气体，可用于高炉或SR工艺中的铁矿石还原。