液氫、氨、甲醇和液态甲烷海上供應鏈系統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，推動瞭(le)可再生能源的快速發展；但可再生電力存在時空分布不均的問題，将可再生電力進行化學儲存，以可再生能源載體形式運輸至能源需求高的地區或國家，利於(yú)實現可再生資源的再分配；因此，可再生能源載體的海上供應鏈是全球産業從化石燃料向可再生能源全面轉型的關鍵。

       液氫、氨、甲醇和液态甲烷被認爲是有前景的能源載體，将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鏈的系統評估較少。能量分析是評估和改善綜合能源系統性能的重要方法，其直接反應技術發展水平，也會影響能源系統的生命周期排放和經濟性；然而，目前對四種可再生能源載體的能源效率評估多關注於(yú)供應鏈的某些子過程，如生産階段中的電解制氫、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鏈之間的對比分析鮮有報(bào)道。

       基於此，華中科技大學陳漢平教授團隊在《Carbon Capture Science & Technology》發表研究文章——“A comparative study on energy efficiency of the maritime supply chains for liquefied hydrogen, ammonia, methanol and natural gas”對該問題進行瞭(le)探讨，楊海平教授爲通訊作者，宋倩倩（研究生）爲第一作者。該文首先採用Aspen Hysys模拟和熱力學計算模型對供應鏈系統各個子過程進行瞭(le)能量分析，並(bìng)研究瞭(le)蒸發氣體回收對四種能源載體海運供應鏈能源效率的影響，進一步對環境溫度、運輸距離、船舶尺寸等參數進行瞭(le)敏感性分析。文章主要内容包括：

1.四種能源載體海運供應鏈系統的物質與能量流動

       建立瞭(le)四種可再生能源載體海上供應鏈系統模型，分爲液态能源載體生産階段（包含生産和液化）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産和儲運過程的物質和能量流動進行瞭(le)建模和計算分析。結果表明，四種能源載體由可再生能源生産時，氨、甲醇、液氫和液态甲烷供應鏈的能量效率達到97.37%、98.02%、89.10%和96.23%。供應鏈的能源效率取決於(yú)貨物裝卸過程中蒸發氣體的産生，氨、甲醇、液氫和液态甲烷供應鏈的總蒸發氣體分别爲0.0467、0、2.3660%和0.4129%。蒸發氣體回收可将氨，甲醇，液氫和液态甲烷的能量效率分别提高0.29%、0、4.88%和2.10%，縮小瞭(le)液氫與其他三種能源載體間的能源效率差距。

圖 1. 能源載體海運供應鏈(liàn)的能量和質量流動(dòng)。（a）氨、（b）甲醇、（c）液氫和（d）液态甲烷。

2.儲運過程中不同參數對能源效率的影響

       對能源效率進行瞭敏感性分析，選擇的參數是環境溫度（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)。結果表明：環境溫度、港口的儲存時間、運輸距離等參數增加時，能源載體供應鏈的能效會降低，而當船舶尺寸增加時，能效會增加。這些參數對液氫的影響最大，其次是液态甲烷、氨和甲醇。當蒸發氣體被回收時，這種影響會減弱，特别是液氫和液态甲烷。氨和甲醇在海運供應鏈中的能量損失遠低於液氫和液态甲烷，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爲未來的能源載體，液氫需要高效的蒸發氣體回收系統來提高競争力。

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。與國内外研究機構及公司合作共同開發(fā)合成氣催化技術，讓垃圾，農業，林業等有機廢(fèi)棄物回到物質和能源的良性循環體系之中，實現碳中和目标。

       生物質制天然氣技術：德國STRABAG幹式厭氧發酵技術，将稭稈、餐廚(chú)垃圾或廚(chú)餘垃圾等進行厭氧發酵處理，生産(chǎn)天然氣或甲烷；

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

       氣化技術：採(cǎi)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，生産(chǎn)合成氣；

       合成技術：利用成熟先進的費托合成工藝，将生物質氣化産(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(bèi)合成氣催化劑。

        與國内外研究機構及公司合作共同開發(fā)以下工藝技術和産(chǎn)品，讓垃圾廢氣等廢棄物回到物質和能源的良性循環體系之中。

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