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探討 | 垃圾制氫突然風靡全球,或許有多神就有多玄!

分類:固廢觀察    發布時間:2022年5月30日 19:24    作者:固廢觀察公眾號    文章來源:固廢觀察公眾號

氫能,因為其燃燒后只排放水,被視為未來的清潔燃料。包括日本、德國、韓國、澳大利亞、中國等在內的國家,在重構新能源體系過程中,都把“氫能源”放到重要戰略地位。

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。因為生產方式不同,商業制氫分為“灰色氫”、“藍色氫”、“綠色氫”(點擊可查看具體定義)。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”,因為以風力、太陽能等可再生能源電力電解水產生氫氣,這種方式獲得的氫氣可以實現綠色零排放,所以成為研究重點。

綠氫因為成本比較高,目前占比非常低,全球綠氫供應量占消費總量不到5%。綠氫成為叫好不叫座的產品。

目前,歐洲、美國、日本等地,突然流行垃圾制取氫氣,這是一種比“綠氫”更環保的方式,而且成本更低,在一些地方還能獲得額外的垃圾處理費,所以也可以稱為“零成本”制綠氫。

這到底是一種什么技術,是如何運作的,讓我們來了解一下。


圖片來源:ways2h



01

一噸垃圾產出100公斤氫氣


Boson Energy是一家總部位于盧森堡的科技公司。公司創始人包括Jan Grimbrandt 和Wlodzimierz Blasiak等,都是圈內牛人。

Jan Grimbrandt 是Boson的首席執行官,在工業和清潔技術能源領域內擁有廣泛的知名度,他在創立Boson之前,曾創建過兩家公司,分別是Mobotec Europe AB和Altoptronic AB,都是關于脫碳和控制污染之類的企業,后來賣給了 Nalco和西門子公司,獲得了第一桶金。


圖說:Boson的創始人兼首席執行官Jan Grimbrandt


Wlodzimierz Blasiak則是高溫氣化和燃燒領域備受尊敬的專家,在全職加入 Boson之前,他是瑞典斯德哥爾摩皇家理工學院材料科學與工程系的教授,他的主要研究課題是低NOx燃燒、高性能工業爐的設計、富氧燃燒和高溫氣化等問題。

Boson公司聲稱,它們的任務就是解決世界垃圾問題,通過將不可回收的廢物轉化為可持續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負碳綠氫,是主推產品。他們認為,賣氫和其他附加產品的收入完全可抵消生產氫氣的費用。

Boson開發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,這些泥漿會凝固成藍色/灰色的玻璃狀巖石。


圖說:反應堆底部爐子中的等離子火炬。

來源:Boson


Jan Grimbrandt 告訴媒體,這一過程將創造幾個收入來源。氫氣、“綠色二氧化碳”和玻璃巖將被出售以賺取利潤,同時該公司還將從地方當局和回收公司獲得處理垃圾的費用,以及避免垃圾填埋場甲烷排放的碳信用額。

盡管二氧化碳是一種溫室氣體,但它是各種行業使用的一種重要產品,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、混凝土和道路建設的工業集料。

這些收入來源基本上足以抵消氫氣生產的成本,從而使零碳氫氣的生產成本達到零甚至低于零。

根據Boson的說法,該工藝每噸廢棄物將產生大約100公斤的負碳氫氣,并且每噸所需的可再生電力只是水電解產生綠氫的六分之一。

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。

歐盟委員會制定了到2030年生產1000萬噸綠色氫氣的目標,主要來自40GW的電解槽,并同時進口相同數量的綠氫。

Boson認為,從能源安全角度來看,讓歐洲在當地從廢物或生物質中生產氫氣會更有意義,而不是像德國、荷蘭和歐委會計劃的那樣,試圖從世界其他地區進口氫氣。

Boson公司目前正在歐洲各地(西班牙、德國、瑞典、挪威、波蘭、荷蘭和盧森堡)開發10個商業項目,這些項目包括在歐洲清潔氫聯盟(ECH2A)的750多個符合歐委會標準的項目中。

這十個項目每年能生產6萬噸負碳氫氣。如果把這個容量放在電解槽下,基本上相當于1GW的風力電解槽。

Boson的愿景是與當地廢物管理公司和市政當局合作,共同建設、擁有和運營小型、無污染的廢物制氫工廠,每個標準設施的空間只有40*60平方米,每年生產3500噸清潔氫氣。

Boson計算出,要將全球每年20億噸未循環利用的廢物全部轉化為氫氣,需要6萬家這樣的分布工廠。如果所有的氫氣都被用來驅動電動汽車,將減少20%的全球與能源相關的二氧化碳排放。

Boson目前正與將提供設備和系統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、挪威綠色技術公司Haldor-Topsoe和美國霍尼韋爾公司。



02

垃圾制氫是如何運作的?


Boson基于25年發展設計的系統其實非常簡單。主要是一套等離子體輔助氣化過程。

粗略粉碎的廢物進入一個垂直的反應器,由能夠產生高達7000°C溫度的電動等離子火炬從底部加熱。

因為反應堆頂部的溫度遠遠低于底部,因此廢物在流向底部的過程中會經過不斷增加的熱區,每個溫度區都發揮著自己的重要功能。

在最上面的區域,廢物被干燥和加熱。然后,它向下移動到更熱的區域,在那里發生熱解(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。

在下一個區域,剩余的物質——碳和無機材料,被蒸汽氣化,所有這些步驟中釋放的氣體結合成一種氫和一氧化碳的混合物。

然后,離開反應器的氣體經過蒸汽重整和水煤氣變換過程,將剩余的碳氫化合物和一氧化碳轉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氫化合物組成,用作生產蒸汽的能源。

剩下的物質主要是無機灰和礦渣,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進入熔融狀態。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,Boson給它取了一個名字“IMBY巖石”。


圖說:垃圾制氫產生的玻璃狀巖石。

來源:Boson


在這個過程中,廢物轉化為氫氣比直接焚燒顯然更好。

在歐洲,通過焚燒垃圾發電可以防止甲烷垃圾填埋場的排放,但燒爐也會排放溫室氣體,包括二氧化碳和NOx排放,以及其他對人類健康有害的污染物。

特別是塑料垃圾燃燒會產生有毒污染物。大約12%的城市固體廢物由塑料組成,當塑料燃燒時,會向大氣中釋放有毒氣體,如二噁英、呋喃、汞和多氯聯苯,由此釋放的有毒物質對植被、人和動物的健康以及整個環境都構成了威脅。二噁英在莊稼和水道中停留,最終進入我們的食物,這是一種有毒化合物,可導致癌癥和神經損害。

垃圾焚燒時,還會產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,但前者是一種危險物質,必須在礦山或采石場進行處理和處置,并支付額外費用。

因此,從人類健康的角度來看,焚燒并不是一件好事。從經濟角度來看,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。如果從焚燒轉向這套垃圾制氫工藝,將帶來每噸20歐元至200歐元的利潤。



03

垃圾制氫在全球突然火起來了


其實,除了Boson Energy公司,在美國、中國、日本、英國等地,也紛紛冒出諸多通過廢棄物制取氫氣的初創公司。

比如美國加州的Ways2H公司,成立于2019年,正在研發的氫氣生產系統,使用的原料垃圾品種很多,木屑、城市垃圾、污水、污泥、醫療垃圾、飛機運營和乘客產生的垃圾,在公司的車間里都能變成氫氣,1噸的垃圾可生產出40~50公斤的氫氣。

Ways2H還和Element 2合作,計劃在英國建立40座垃圾制氫站。

另一家總部位于華盛頓特區的SGH2 Energy公司,也是一家將廢物轉化為氫氣的公司。

2020年5月,SGH2宣布,將聯合加州蘭開斯特市政府、日本氫工業氣體公司巖谷在蘭開斯特引入世界上最大的綠色氫生產設施。該工廠將采用SGH2氣化技術,利用生物垃圾、生物質和循環水生產負碳氫。

作為該綠色制氫設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原料,減少垃圾填埋場產生的甲烷,從而為該市節省垃圾填埋和填埋場空間成本,每噸約為50-75美元。

SGH2 則同意,十年內,每年向南加州各地的加油站出售3850噸“比綠色更環?!钡呢撎細?。這筆交易是迄今為止全球第一筆長期綠色氫氣承購協議。

這座等離子增強型氣化廠計劃于2023年夏天投產,將由市政府和SGH2通過公私合作伙伴關系共同擁有。

今年1月,英國政府公布了一個最新的政府資助項目:提供500萬英鎊初期資金,支持高等院校、科研機構以及初創企業進行新技術研發,發展可回收生物質制氫和垃圾制氫。

與此同時,日本汽車制造商豐田、工業氣體生產商巖谷徹和工程設計公司JGC也宣布,將合作研究塑料垃圾制氫技術,推動可持續氫經濟發展。

中國企業也成為了垃圾制氫領域的“先行者”。2021年9月,東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司與重慶市潼南區人民政府簽訂了垃圾發電耦合制氫及氫能示范項目合作意向書,將環保和氫能結合到一起,建成后有望成為中國首個商業化垃圾制氫示范項目。

當發展綠氫成為各國能源轉型重要組成部分,廉價和超級綠色的垃圾制氫也必將迎來非常好的市場前景。


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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]國際能源參考:垃圾制氫不再“小眾”

[5]孜然實驗室:燒垃圾產氫氣,一舉兩得,這個工廠厲害了

[6]https://ways2h.com/


來源 | 環球零碳
者 | 維小尼
編輯 | 匡宋堯

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