绿色氢气生产之路
使用可再生能源制造的绿色氢气有望帮助仍然严重依赖化石燃料的工业过程脱碳。要释放其潜力,需要提高电解槽的产能并降低成本。
氢能被吹捧为向零碳经济过渡的关键推动力是有充分理由的。氢是宇宙中最丰富的元素,是一种多功能的能量载体,能量密度极高,重量轻,可以长时间储存。它还不产生碳排放,燃烧时只产生热量和水。然而,由于氢气的提取方式,今天使用的绝大多数氢气实际上都是高度污染的。全球生产的氢气中约有 96% 是“灰色”氢气,这意味着它是使用煤炭和天然气等化石燃料制成的,向大气中排放了大量碳排放。只有用可再生电力生产的绿色氢气才是真正的清洁能源解决方案。
绿色氢气是通过一种称为电解的过程制成的,其中电力为电解槽提供动力,电解槽将水分解成氢气和氧气。要使氢能被认为是绿色的,所使用的电力必须来自太阳能或风能等可再生能源。
氢气已经用于化工和炼油行业。电解槽技术的突破意味着它也可以成为所谓的重工业中化石燃料的可行替代品,这些工业更难实现电气化——想想钢铁和混凝土生产、长途运输和航空。
克服绿色氢气生产的障碍
炼钢——它也恰好是最大的二氧化碳生产者之一——是绿色氢能的主要候选者之一。通过使用绿色氢气的突破性制造工艺,可以创造绿色钢材,这可以减少高达 95% 的碳排放量。然而,要实现绿色钢铁的工业规模,还有大量的工作要做。首先,钢铁制造商需要获得充足的净零氢气供应。
麦肯锡预测,到 2050 年,对绿色氢的需求可能会增长到每年 6 亿公吨以上。如今,到 2030 年,绿色氢和蓝色氢(后者由天然气生产)的计划总产量约为 2600 万吨。
为了成功扩大绿色氢能的规模,需要降低成本,使其能够在价格上与化石燃料竞争。目前,绿色氢气的成本是灰色氢气的四倍,从每公斤 3 欧元到 8 欧元不等,而每公斤只有 1 到 2 欧元。
绿色氢气生产的主要挑战:
生产成本
可扩展性
电解槽效率
安全
成本设备维护管理软件
加大绿色氢气生产实现必要的规模经济需要制氢商迅速扩大电解槽产能。根据国际能源署 (IEA) 的数据,2020 年全球电解槽容量为 0.3 吉瓦 (GW)。到 2026 年,全球电解槽容量将达到近 17 GW。随着成本的下降和技术发展的势头增强,预计产能将继续增长。
虚拟孪生在构建电解槽中的作用
乍一看,制造氢气的过程——利用电力将水分解成氢气和氧气——似乎相对简单。然而,电解槽本身是一种高度复杂的设备,不能立即购买。根据它们的用例和类型,它们在设计、设置和作方面可能会有很大差异,并且通常是绿色氢气生产中成本最大的组成部分之一。
电解槽设备制造商必须考虑材料成本、模块尺寸、设置可变性和特定工业应用的适用性等因素,同时考虑耐用性和堆栈降解率。电解槽的预期使用寿命为 5,000 至 80,000 小时,因此必须能够在资产的整个生命周期内对其进行监控。
为了管理设计、制造和运行绿色氢能设施的复杂性,公司需要能够在虚拟世界的整个运营设置中对电解槽进行建模、测试和优化。达索系统的 3DEXPERIENCE 平台提供制造商实现这一目标所需的端到端功能。
使用3DEXPERIENCE 平台的虚拟孪生功能,氢气设备制造商可以在设备的整个生命周期(从调试到维护)中跟踪设备。这样可以尽早集成维护需求、优化电池堆栈以及结构完整性、压力和故障分析的虚拟测试。通过捕获所有资产数据,他们可以降低成本、防止安装问题、最大限度地减少停机时间并提高工人的安全性。
扩大绿色氢气生产
欧盟和联合国等机构制定的绿色氢能目标将继续推动全球可再生能源产能,并有助于降低绿色氢能生产的相关成本。例如,联合国绿色氢能弹射器倡议将其绿色电解槽的目标几乎翻了一番,从 2020 年的 25 吉瓦增加到 2027 年的 45 吉瓦。
除了行业合作和资金外,该行业还需要数字化能力来提高产品开发效率。像麦克菲能源通过在云端 3DEXPERIENCE 平台上管理其所有流程,提高其电解槽和低碳加氢站的竞争力。这使他们能够:
标准化流程以及设计和仿真应用程序
集中数据和项目管理
促进内部以及与全球供应商的协作。
提高电解槽的性能、质量和安全性
通过使用 3DEXPERIENCE 平台管理产品生命周期和对制造进行虚拟建模,McPhy 旨在缩短上市时间并提高设备性能。
随着世界逐渐远离化石燃料,电解槽技术创新是扩大绿色氢能规模的关键。据 IRENA 的 Emanuele Taibi 博士称,到 2030 年,绿色氢的成本可能会减半,使其在未来十年内具有竞争力并广泛使用。