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    好文推薦 | 污水廠變制氫廠:澳大利亞水務碳中和的嘗試

    分類:固廢觀察 > 國際視野    發布時間:2022年2月23日 9:24    作者:固廢觀察公眾號    文章來源:

    本報告指出氫能革命的步伐在逐步加快,這對城市水處理行業意味著什么?水行業是否對氫能有足夠的認識?在這份報告里,大家能夠了解水務行業使用氫氣的基礎知識,并指出了未來幾年值得探索的問題。

    在追求碳中和目標的大背景下,國內外對氫能的關注持續升溫。2021年12月初,澳大利亞水資源服務協會(Water Services Association of Australia-WSAA)發布的一份題為《Water: fueling the path to a hydrogen future》的報告。


    水行業與氫能相互成就?

    2021年被許多人認為是碳中和元年。在格拉斯哥舉行的COP26 全球氣候會議結束之后,世人開始將更多的目光轉向依賴非化石燃料的能源,這其中就包括了氫能。氫能本不是什么新鮮事,但過去的產氫及似乎屬于碳密集型工藝,而隨著新工藝的普及,產氫的碳影響正大大降低,這也促進了氫能的復興之路。

    澳洲已經加快其氫革命的步伐——政府和行業機構宣布了大量新的氫項目、戰略和政策框架。澳大利亞的聯邦政府正在向氫能行業注入12 億澳元的資金,澳大利亞可再生能源署(ARENA)承諾將為商用規模的項目投入超 1億澳元的資金。

    氫氣是一種無色無味無毒的可燃性氣體。它本身對環境是無害的,但它的生產方式可能會對環境造成影響。因此這份報告介紹了目前四種主要的產氫方法,包括蒸汽甲烷重整(SMR)、氣化、熱裂解或電解,并由此衍生出灰氫、藍氫、藍綠氫和綠氫這樣的名詞。

    從顏色可以看出,目前行業認為綠氫的生產是最為環保的,因為它是用風能和光能發電來電解水制氫,消耗的原材料僅為水,而電解水制氫產生的氫氣在消耗之后又會產生水,看上去是一條可持續發展的技術路線。澳洲許多準備建造的氫能中心都是以綠氫路線設計的。

    但水又從哪里來呢?這份報告預測,如果氫能按照預期速度發展,2050年澳洲制氫水耗將高達2.6億立方米,與目前整個澳大利亞昆士蘭東南部的供水量相當。這些水從哪來,答案正在一座座的城市污水處理廠里。特別是在澳洲,在過去20年經歷了兩次嚴重旱災之后,他們的水務公司希望能找到不依賴降雨的飲用水水源。對污水廠的出水進行再生處理是其中的選擇。利用反滲透技術,污水廠出水可以凈化到制氫用水的水平。除了水,甲烷是另一種制氫原料,而這也是帶有厭氧消化工藝的污水廠可以提供的。正因如此,污水廠和制氫廠可以形成一種天然的共生關系。這種潛在的共生關系,也意味著項目成本和風險可以有項目方和受益人來分攤,降低了財務可行性的門檻。

    三思而行

    報告指出,每個水務公司都要根據自己的實際情況,評估能否參與氫能經濟的浪潮,首先可以考量公司是否具備下面三大成功屬性,包括:

    1. 要在參與前對機遇和挑戰都有充分認識;
    2. 污水廠場址的可行性

    3. 是否有充足技能和資源的合作伙伴(關鍵)

    基于這三點屬性,他們還列出了污水廠需要考慮的九個因素,包括:

    1. 實現溫室氣體的減排

    2. 在投資決策過程中考慮社會成本

    3. 利用盈余的可再生能源

    4. 了解再生水的潛力

    5. 利用好水處理工藝升級的內驅

    6. 吸引感興趣的利益相關者和監管機構

    7. 污水處理 與產氫設施共址

    8. 挖掘多重收益的改進點

    9. 向循環經濟過渡轉型

    圖. 制氫中心生態系統的概念圖

    制氫藍圖

    如下圖所示,澳洲計劃在東西海岸打造7個吉瓦(GWh)的綠氫項目。此外,各地的污水廠已經有實際的項目在測試或運行中。

    第一個是例子是悉尼水務的Malabar污水廠,該廠擁有厭氧消化設施。悉尼水務正在和燃氣管網公司Jenema合作將沼氣升級為生物甲烷,去除的二氧化碳則可出售或與氫氣一起進行甲烷化反應,生產更多的生物甲烷。

    該項目金額為1400萬澳元,其中Jemena出資810萬,澳大利亞可再生能源署(ARENA)則提供590萬的資助。項目計劃在2022年9月完成,預計在每年將生產 95TJ 的可再生綠色天然氣,可滿足約6300戶家庭的用氣需求。這相當于5000噸的碳減排量。

    此外,該污水廠所屬的新南威爾士州政府為該項目提供額外支持——該州政府推出一項新的認證計劃,為購買零排放燃氣的用戶提供經驗證的選擇,以支持天然氣管網的去碳轉型,這將為綠氫生產的認證鋪平了道路。

    圖. Malabar污水廠

    第二個例子是墨爾本的亞拉河谷水務公司(Yarra Valley Water)。他們成功召集了一個團隊在墨爾本北郊的Aurora污水廠開展一個制氫項目。該團隊除了水務公司,還有希望實現碳減排的租戶、希望擴大制氫設備規模的技術供應商,以及尋求去碳化的供氣公司。項目的水源是污水廠多余的再生水,以及附近一個垃圾發電廠的剩余可再生能源。

    該項目為了提高可行性,已經積極拓展氫氣的終端用戶,包括為1200輛特殊車輛的車隊提供燃料,包括叉車、公交和卡車等;一個1MW的電力和熱力發電系統,用于平衡 2.5MW太陽能系統的電力供應;并入天然氣管網系統。此外,該項目產生的氧氣還將用于污水廠的好氧處理工藝。

    這個項目將從小試開始試驗,預計在2023年7月擴大到年產700噸的規模。屆時將成為污水處理與綠色制氫的共生案例。項目投資成本估計為2300萬澳元,亞拉河谷水務公司仍在尋求50%的資金資助。

    圖. 亞拉河谷水務公司的污水處理+綠氫共生愿景

    維多利亞州的東北水務公司也在開展污水處理+綠氫共生的項目,該項目位于West Wodonga污水廠,電解槽規模達10MW。生產的氫氣用于和天然氣混合,最大比例為10%。氧氣則會用于污水廠。這個項目已經獲得了3210萬澳元的撥款資助,項目總投資規模達4400萬,預計在2023年下半年完成。

    小結

    總的來說,氫能的發展對水務行業來說是一個新的機遇。甲烷和再生水都是能通過成熟技術得到的原料,但如何將制氫的產品推向市場、制定價格并由此獲利,是污水廠相對陌生的領域。所以,報告的作者認為各水務公司要想找到自己進入氫能領域的最佳入口,還需要因地制宜地走一段探索之路。報告中指出需要利用合作來推動變革,石油和天然氣行業的公司可能是水務行業未來的關鍵合作伙伴,畢竟后者迫切急于去碳化和拓展新市場。

    另外北京環丁環保大數據研究院在2021年10月也曾發布了一份題為《城市污水處理廠氫能開發潛力與利用途徑初步研究》的報告,對耦合光伏電及電解水的污水廠制氫潛力進行了研究分析。感興趣的讀者可以對中澳兩地污水廠的制氫前景進行對比。
    參考資料
    1. https://www.wsaa.asn.au/news/new-papers-hydrogen-and-climate-change
    2. https://www.jacobs.com/sites/default/files/2020-06/jacobs-yarra-valley-water-towards-a-zero-carbon-future.pdf
    3. https://www.efchina.org/Attachments/Report/report-po-20211020/%E5%9F%8E%E5%B8%82%E6%B1%A1%E6%B0%B4%E5%A4%84%E7%90%86%E5%8E%82%E6%B0%A2%E8%83%BD%E5%BC%80%E5%8F%91%E6%BD%9C%E5%8A%9B%E4%B8%8E%E5%88%A9%E7%94%A8%E9%80%94%E5%BE%84%E5%88%9D%E6%AD%A5%E7%A0%94%E7%A9%B6.pdf

    來源 | IWA國際水協會
    編輯 | 匡宋堯

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