成长为一个绿色气体巨头:氢生产的创新

尽管人们对英国工程界对新冠肺炎危机的应对做出了很多评价，但越来越多的人认为，这种令人印象深刻的制造业基地动员只是一个彩排，它将迎接一个更艰巨的挑战:到2050年将英国的碳排放减少到零。

因为尽管政界人士和企业界都将发挥作用，但实现英国法律规定的净零排放目标首先是一项工程挑战，这将要求能源技术的几乎每一个领域都达到前所未有的创新水平:从碳捕获和存储，到模块化核反应堆、电池技术、海上风能、太阳能等。

很明显，没有灵丹妙药。但有一种能源被认为是低碳未来日益重要的组成部分，英国在这方面非常有优势发展竞争优势，那就是氢气。

由于氢气储量丰富、用途广泛、能源密度大、使用地点清洁，长期以来，氢气一直吸引着一批福音传道者，他们大肆宣扬这种气体在为我们的家庭供暖、为我们的交通提供燃料以及总体上重塑我们的能源经济方面的潜力。

问题是，目前使用的大部分氢是所谓的“棕色氢”，从化石燃料中提取，国际能源署(IEA)称，每年排放约8.3亿吨二氧化碳。

显然，如果要真正发挥其毋庸置疑的潜力，更清洁的生产方法是必不可少的，而探索开发这一拼图缺失的部分是创新的主要动力。

最初，这可能会推动对蓝色氢生产的更多投资，在蓝色氢生产中，碳捕获和储存(CCS)用于捕获现有工艺产生的二氧化碳。

但最令人兴奋的可能是绿色制氢技术的发展——使用巨大的可再生动力电解槽从水中提取氢。

据称，用这种方法生产的氢可以在工业生产过程中脱碳、家庭供暖和运输中发挥关键作用，同时提供了一种储存多余可再生能源的优雅方法。

英国绿色氢气生产的先驱之一是位于谢菲尔德的电解槽制造商ITM power该公司生产可扩展的模块化PEM(聚合物电解质膜)电解系统，可用于一系列应用。

该公司正在筹建一座年产1吉瓦的新设施，据称这是全球同类设施中规模最大的。该公司最为人所知的或许是其可再生能源氢气加氢站网络，这些加氢站可以在英国各地的壳牌前院找到。但该公司现在也参与了一些重大项目，探索工业应用绿色氢气生产的可行性。

其中一项关键举措是由ITM牵头的Gigastack项目，该项目已通过英国政府的氢气供应竞赛获得750万英镑资金，以探索如何降低工业用电解氢的成本。

该项目正在探索开发一个系统，该系统将使用来自Orsted的Hornsea Two 1.4 GW海上风力发电场的电力，为位于Humberside的变电站中的巨型电解器提供动力，进而为Phillips 66炼油厂生产可再生氢气。

作为初步可行性研究的一部分，ITM已经开发了模块化5MW电解槽堆叠的设计，作为第二阶段的一部分，将对由20MW模块组成的100MW电解槽的开发和集成进行前端工程研究。

该公司还参与了在壳牌位于德国威塞林的莱茵兰炼油厂建设世界上最大的PEM电解槽的努力。

REFHYNE项目于2018年启动，为期5年，将建成一个10兆瓦的电解槽，由两个5兆瓦模块组成，集成到脱硫和加氢裂化等精炼过程中。该系统预计每年供应约1300吨氢气，约占该工厂每年氢气需求的1%。

一旦投入运行，该设施将成为世界上最大的绿色氢气生产设施，超过位于奥地利林茨的钢铁制造商奥钢联(Voestalpine)工厂的6MW H2Future工厂。

对于ITM的首席执行官Graham Cooley来说，这个市场带来的机遇是巨大的:“最大的初始机会是去除现有氢气市场的碳，”他告诉《工程师》杂志。“如果你只将炼油厂使用的氢的10%脱碳，市场规模将达到900亿欧元。”

但是，尽管ITM Power主要专注于通过工业应用推动市场，其他人——如JCB继承人乔·班福德——则专注于不同的市场。

拥有绿色氢气生产公司Ryse和英国巴士制造商Wrightbus的班福德最近提出了一项雄心勃勃的计划，要用巴士来促进英国的氢经济。

Wrightbus已经在英国各地供应了多辆氢燃料电池驱动的公交车，并准备向伦敦交通局交付20辆。但班福德有雄心迅速扩大规模，今年夏天早些时候，他公布了一个“全成本”的愿景，关于私营部门和政府如何合作，到2024年将3000辆氢动力巴士投入英国街头。

要让氢气运行起来有很多不同的变量，但本质上你需要的是体积和一个忠实的客户

乔·班福德-莱斯/赖特巴斯

根据他的计划，这些新巴士和散布在英国海岸的5个新的零排放氢气生产工厂将被用来启动英国的氢气经济，并创造数千个新的就业机会。Ryse公司已经申请了在肯特郡Herne Bay附近建造第一个这样的电站的规划许可，在那里它将使用来自Vattenfall的肯特郡平原海上风力发电场的电力，并使用挪威Nel Hydrogen公司提供的电解技术。

班福德呼吁政府拿出10%的国家公共汽车战略基金用于开发氢燃料，他说:“你必须从某个地方开始，要让氢燃料运转起来有很多不同的变量，但本质上你需要容量和一个固定的客户——如果你每天晚上有200辆公共汽车返回公交车站加油，你就可以让它运转起来。”

虽然班福德计划通过重型运输引入氢经济，但目前正在进行的其他项目则专注于为天然气电网生产绿色氢。

其中之一就是最近启动的NortH2项目，该项目涉及壳牌、格罗宁根海港和荷兰天然气网络运营商Gasunie。该项目将在北海建立一个新的“大型海上风力发电场”，为荷兰埃姆沙文海港的巨型制氢设施提供能源。该工厂生产的绿色氢气将通过现有的天然气基础设施输送给整个西北欧的客户。

该项目的目标是到2030年产生约3 - 4吉瓦的海上风能，到2040年达到10吉瓦。根据正在进行的可行性研究的结果，该联盟希望在2027年生产出第一批氢气。

虽然NortH2公司将在岸上进行电解，但其他公司正在采取一种略有不同的方法，探索如何改造现有的海上基础设施，并将其用于生产。

由荷兰勘探和生产公司Neptune Energy牵头的PosHYydon项目计划演示如何在现有的石油和天然气平台上利用海上风力发电生产氢气。

该项目将在Neptune Energy的Q13a平台上安装绿色氢气生产设施，该平台是位于荷兰Scheveningen海岸附近北海的一个通电油气平台。

海水将被泵入平台上的集装箱单元，在那里海水将被脱盐，然后被送入电解器。

该设施将通过电缆从海岸接收绿色电力，但将模拟附近的Luchterduinen海上风电场的发电。预计将为Gasunie电网生产约3000 - 4000 Nm3 /天的H2。

Neptune Energy的Patrice Hijsterborg告诉《工程师》杂志，这个为期两年的项目的目的是展示氢生产如何代表石油和天然气平台的可持续未来，这些平台已经接近寿命末期。他说:“Neptune希望证明，H2可以在一个实时的油气生产平台上处理和处理。“从长远来看，海王星天然气基础设施可以用于海上可再生能源，从而与生产相对低碳的北海天然气分担成本。”

与此同时，英国领导的ERM Dolphyn项目正在向前迈进一步，着眼于通过电解装置直接与位于遥远海上的浮动风力涡轮机相连接来生产绿色氢气。

由环境顾问ERM该项目已从政府的氢气供应项目中获得312万英镑，在完成初步概念验证后，目前正进入下一阶段。

ERM项目主管、合作伙伴Kevin Kinsella解释说，该团队目前的工作重点是在阿伯丁海岸约20公里的许可区域启动一个2兆瓦的机组，然后在同一地点启动一个10兆瓦的预商用机组。最终目标是在2030年代早期在北海部署一个4GW的浮动风力涡轮机阵列。

Kinsella说，虽然最初的装置产生的氢气将通过直径3英寸的柔性管道输出到海岸，但更大的商业规模油田最有可能连接到现有的重新使用的海上管道。

到本世纪末，整个英国的热量无法由北海海上风力产生的绿色氢气提供，这是完全没有理由的

Kevin Kinsella - ERM Dolphyn项目总监

Kinsella在解释直接将电解与涡轮机耦合的决定时表示，该团队最初探索了许多选项，例如在将氢气输送回岸上之前，将电力带回带电解器的集中平台，或在岸上进行电解，但最终选择了直接耦合，因为它避免了昂贵的电缆、开关设备和电网连接的需要。他说:“这是一种远距离传输的更便宜的方式，而且不会像用电力传输那样损失能量。”

将该系统从电网连接的限制中解放出来，也使其更容易在风力资源更丰富的海上建设，而且有可能在不影响航运路线或引发环境问题的情况下建造大规模设施。

Kinsella说，一个4GW的Dolphyn阵列可以产生足够的氢气为150万家庭供暖，并最终可能改变英国的能源格局。他说:“到本世纪末，完全没有理由说整个英国的热量不能由北海近海风力产生的绿色氢气提供。”

这是一个诱人的愿景，而且完全在英国的掌控之中，尤其是得益于其海上油气行业丰富的专业知识和基础设施。

总统的能源研究所英国国家电网前老板史蒂夫·霍利迪在接受《工程师》杂志采访时表示，该行业的收购将是至关重要的。“我们要确保世界有能源供应，同时确保我们清洁能源的唯一方法....是依靠石油和天然气行业庞大的工程、科学和资金实力。”“他们要发挥巨大作用。而这个特殊的话题只是他们可以把所有这些技能和经验发挥出来的另一个例子。”

英国石油和天然气公司政策经理威尔·韦伯斯特(Will Webster)也认为，该行业将发挥重要作用，绿色氢气可能代表着我们向零碳经济过渡的一个重大机遇。他说:“许多能源转型技术是现有油气企业的机遇。”海上风能(固定和浮动)、碳捕集和氢气都是海上油气行业的可转移技能和专业知识，包括项目管理、安全纪律、作业、水下数据分析和物流。”

在霍利德看来，现在需要的是政府进行一些认真的干预，以确保该行业有最好的机会兑现其承诺。他说:“在我看来，这有点像10年前我们在零碳太阳能和风能的世界。”“我们需要用激励措施来启动英国的这些产业，这些激励措施奏效了。海上风能就是一个很好的例子。3 /4年前，近海风能的价格是140英镑/兆瓦，而现在已经涨到30多英镑了。我们需要鼓励扩大绿色氢气的使用规模，以便将该技术的成本降低到一个水平，这意味着将其与风能和太阳能结合起来是经济和合理的。”

这不仅是我们实现英国零碳排放的机遇，也是我们真正创造一些具有竞争力的、可以出口到世界各地的产业的机遇

Steve Holliday -能源研究所总裁

乔•班福德(Jo Bamford)呼吁政府优先发展氢能，而不是其他更拥挤的能源技术领域，比如电池。“世界上每个国家都将拿出重振本国经济的计划，走出危机，而每一个计划都将围绕着我们如何使经济变得绿色。如果它们每一个都去追逐电池，在我看来这是一个拥挤的领域。作为一个商人，你要去一个你可以竞争的地方，然后脱颖而出。追求氢的人要少得多。”

“我们家门口就有大量的可再生资源，这对我们来说是巨大的优势，”史蒂夫·霍利迪(Steve Holliday)说，“这不仅是我们实现英国零碳排放之旅的一个机会，而且是真正创造一些非常有竞争力、可以出口到世界各地的产业的一个机会。”

事实上，以ITM Power的形式，英国已经是世界上最大的电解槽制造商之一的所在地，ITM的格雷厄姆•库利(Graham Cooley)认为，这一点应该得到更多的认可。“我们没有世界上最大的电池工厂，我们没有世界上最大的热泵工厂，我们没有世界上最大的太阳能电池生产商，我们没有世界上最大的风力涡轮机叶片制造商，我们拥有的是在谢菲尔德的世界上最大的电解槽工厂。我们应该在屋顶上高唱这首歌!”

ERM的Kevin Kinsella同意这种积极的前景。“我们在欧洲处于最好的位置，拥有迄今为止最好的风能资源。我们拥有领先的海上油气行业和海上风电行业，由欧洲最好的供应链支持，以及所有的技术资源和交付技术诀窍。随着2050年‘净零排放’写入英国法律，这对油气行业来说是一个极好的机会，可以利用同样的技能和资源，从化石燃料顺利过渡到绿色能源，同时成为欧洲绿色能源的净出口国。”