液氫、氨、甲醇和液態(tài)甲烷海上供應(yīng)鏈系統(tǒng)的能源效率對比研究

       目前，世界各國正在積極推行氣候中和或碳中和，推動了可再生能源的快速發(fā)展；但可再生電力存在時空分布不均的問題，將可再生電力進行化學(xué)儲存，以可再生能源載體形式運輸至能源需求高的地區(qū)或國家，利于實現(xiàn)可再生資源的再分配；因此，可再生能源載體的海上供應(yīng)鏈是全球產(chǎn)業(yè)從化石燃料向可再生能源全面轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。

       液氫、氨、甲醇和液態(tài)甲烷被認為是有前景的能源載體，將在未來的海運場景中取代部分液化天然氣。但目前研究中針對四種可再生能源載體整個供應(yīng)鏈的系統(tǒng)評估較少。能量分析是評估和改善綜合能源系統(tǒng)性能的重要方法，其直接反應(yīng)技術(shù)發(fā)展水平，也會影響能源系統(tǒng)的生命周期排放和經(jīng)濟性；然而，目前對四種可再生能源載體的能源效率評估多關(guān)注于供應(yīng)鏈的某些子過程，如生產(chǎn)階段中的電解制氫、電力制甲烷等，儲運過程研究不足；其次，不同可再生能源載體海上供應(yīng)鏈之間的對比分析鮮有報道。

       基于此，華中科技大學(xué)陳漢平教授團隊在《Carbon Capture Science & Technology》發(fā)表研究文章——“A comparative study on energy efficiency of the maritime supply chains for liquefied hydrogen, ammonia, methanol and natural gas”對該問題進行了探討，楊海平教授為通訊作者，宋倩倩（研究生）為第一作者。該文首先采用Aspen Hysys模擬和熱力學(xué)計算模型對供應(yīng)鏈系統(tǒng)各個子過程進行了能量分析，并研究了蒸發(fā)氣體回收對四種能源載體海運供應(yīng)鏈能源效率的影響，進一步對環(huán)境溫度、運輸距離、船舶尺寸等參數(shù)進行了敏感性分析。文章主要內(nèi)容包括：

1.四種能源載體海運供應(yīng)鏈系統(tǒng)的物質(zhì)與能量流動

       建立了四種可再生能源載體海上供應(yīng)鏈系統(tǒng)模型，分為液態(tài)能源載體生產(chǎn)階段（包含生產(chǎn)和液化）和能源載體儲運階段（包括港口儲存、裝載、船運、卸載），進一步對可再生能源載體生產(chǎn)和儲運過程的物質(zhì)和能量流動進行了建模和計算分析。結(jié)果表明，四種能源載體由可再生能源生產(chǎn)時，氨、甲醇、液氫和液態(tài)甲烷供應(yīng)鏈的能量效率達到97.37%、98.02%、89.10%和96.23%。供應(yīng)鏈的能源效率取決于貨物裝卸過程中蒸發(fā)氣體的產(chǎn)生，氨、甲醇、液氫和液態(tài)甲烷供應(yīng)鏈的總蒸發(fā)氣體分別為0.0467、0、2.3660%和0.4129%。蒸發(fā)氣體回收可將氨，甲醇，液氫和液態(tài)甲烷的能量效率分別提高0.29%、0、4.88%和2.10%，縮小了液氫與其他三種能源載體間的能源效率差距。

圖 1. 能源載體海運供應(yīng)鏈的能量和質(zhì)量流動。（a）氨、（b）甲醇、（c）液氫和（d）液態(tài)甲烷。

2.儲運過程中不同參數(shù)對能源效率的影響

       對能源效率進行了敏感性分析，選擇的參數(shù)是環(huán)境溫度（15-45℃），陸上儲存時間（3-30天），裝卸管道長度（10-90天），航行時間（3-30天）和船舶尺寸（30000-50000m³)。結(jié)果表明：環(huán)境溫度、港口的儲存時間、運輸距離等參數(shù)增加時，能源載體供應(yīng)鏈的能效會降低，而當(dāng)船舶尺寸增加時，能效會增加。這些參數(shù)對液氫的影響最大，其次是液態(tài)甲烷、氨和甲醇。當(dāng)蒸發(fā)氣體被回收時，這種影響會減弱，特別是液氫和液態(tài)甲烷。氨和甲醇在海運供應(yīng)鏈中的能量損失遠低于液氫和液態(tài)甲烷，從能源效率的角度表明，氨和甲醇有可能取代液化天然氣成為未來的能源載體，液氫需要高效的蒸發(fā)氣體回收系統(tǒng)來提高競爭力。

圖3. 船舶尺寸的影響。

       某科技有限公司引進、研究和開發(fā)厭氧熱解氣化技術(shù)。與國內(nèi)外研究機構(gòu)及公司合作共同開發(fā)合成氣催化技術(shù)，讓垃圾，農(nóng)業(yè)，林業(yè)等有機廢棄物回到物質(zhì)和能源的良性循環(huán)體系之中，實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

       生物質(zhì)制天然氣技術(shù)：德國STRABAG干式厭氧發(fā)酵技術(shù)，將秸稈、餐廚垃圾或廚余垃圾等進行厭氧發(fā)酵處理，生產(chǎn)天然氣或甲烷；

       生物質(zhì)制甲醇技術(shù)：利用成熟先進的費托合成工藝，結(jié)合氣化工藝，利用生物質(zhì)制造甲醇等能源物質(zhì)或者其它化工材料；

       氣化技術(shù)：采用國際先進的沸騰床等工藝，如城市生活垃圾（MSW）、垃圾衍生燃料（RDF）進入氣化爐進行氣化、重整，生產(chǎn)合成氣；

       合成技術(shù)：利用成熟先進的費托合成工藝，將生物質(zhì)氣化產(chǎn)物、煤氣等合成甲醇、航空煤油和其它化工材料。另外，也制備合成氣催化劑。

        與國內(nèi)外研究機構(gòu)及公司合作共同開發(fā)以下工藝技術(shù)和產(chǎn)品，讓垃圾廢氣等廢棄物回到物質(zhì)和能源的良性循環(huán)體系之中。

【上一篇：“雙碳” 背景下能源化工集團綠色低碳技術(shù)路徑研究】

【下一篇：重整碳九資源介紹】