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污水厂变制氢厂:澳大利亚水务碳中和的尝试

发布日期:2022-02-22 来源:IWA国际水协会

在追求碳中和目标的大背景下,国内外对氢能的关注持续升温。202112月初,澳大利亚水资源服务协会(Water Services Association of Australia-WSAA)发布的一份题为《Water: fueling the path to a hydrogen future》的报告。这份报告指出氢能革命的步伐在逐步加快,这对城市水处理行业意味着什么?水行业是否对氢能有足够的认识?在这份报告里,大家能够了解水务行业使用氢气的基础知识,并指出了未来几年值得探索的问题。

水行业与氢能相互成就?

2021年被许多人认为是碳中和元年。在格拉斯哥举行的COP26 全球气候会议结束之后,世人开始将更多的目光转向依赖非化石燃料的能源,这其中就包括了氢能。氢能本不是什么新鲜事,但过去的产氢及似乎属于碳密集型工艺,而随着新工艺的普及,产氢的碳影响正大大降低,这也促进了氢能的复兴之路。

澳洲已经加快其氢革命的步伐——政府和行业机构宣布了大量新的氢项目、战略和政策框架。澳大利亚的联邦政府正在向氢能行业注入12 亿澳元的资金,澳大利亚可再生能源署(ARENA)承诺将为商用规模的项目投入超 1亿澳元的资金。

氢气是一种无色无味无毒的可燃性气体。它本身对环境是无害的,但它的生产方式可能会对环境造成影响。因此这份报告介绍了目前四种主要的产氢方法,包括蒸汽甲烷重整(SMR)、气化、热裂解或电解,并由此衍生出灰氢、蓝青、蓝绿氢和绿氢这样的名词。

从颜色可以看出,目前行业认为绿氢的生产是最为环保的,因为它是用风能和光能发电来电解水制氢,消耗的原材料仅为水,而电解水制氢产生的氢气在消耗之后又会产生水,看上去是一条可持续发展的技术路线。澳洲许多准备建造的氢能中心都是以绿氢路线设计的。

但水又从哪里来呢?这份报告预测,如果氢能按照预期速度发展,2050年澳洲制氢水耗将高达2.6亿立方米,与目前整个澳大利亚昆士兰东南部的供水量相当。这些水从哪来,答案正在一座座的城市污水处理厂里。特别是在澳洲,在过去20年经历了两次严重旱灾之后,他们的水务公司希望能找到不依赖降雨的饮用水水源。对污水厂的出水进行再生处理是其中的选择。利用反渗透技术,污水厂出水可以净化到制氢用水的水平。除了水,甲烷是另一种制氢原料,而这也是带有厌氧消化工艺的污水厂可以提供的。正因如此,污水厂和制氢厂可以形成一种天然的共生关系。这种潜在的共生关系,也意味着项目成本和风险可以有项目方和受益人来分摊,降低了财务可行性的门槛。

三思而行

报告指出,每个水务公司都要根据自己的实际情况,评估能否参与氢能经济的浪潮,首先可以考量公司是否具备下面三大成功属性,包括:

要在参与前对机遇和挑战都有充分认识;

污水厂场址的可行性

是否有充足技能和资源的合作伙伴(关键)

基于这三点属性,他们还列出了污水厂需要考虑的九个因素,包括:

实现温室气体的减排

在投资决策过程中考虑社会成本

利用盈余的可再生能源

了解再生水的潜力

利用好水处理工艺升级的内驱

吸引感兴趣的利益相关者和监管机构

污水处理 与产氢设施共址

挖掘多重收益的改进点

向循环经济过渡转型

. 制氢中心生态系统的概念图

制氢蓝图

如下图所示,澳洲计划在东西海岸打造7个吉瓦级(GWh)的绿氢项目。此外,各地的污水厂已经有实际的项目在测试或运行中。

第一个是例子是悉尼水务的Malabar污水厂,该厂拥有厌氧消化设施。悉尼水务正在和燃气管网公司Jenema合作将沼气升级为生物甲烷,去除的二氧化碳则可出售或与氢气一起进行甲烷化反应,生产更多的生物甲烷。

该项目金额为1400万澳元,其中Jemena出资810万,澳大利亚可再生能源署(ARENA)则提供590万的资助。项目计划在20229月完成,预计在每年将生产 95TJ 的可再生绿色天然气,可满足约6300户家庭的用气需求。这相当于5000吨的碳减排量。

此外,该污水厂所属的新南威尔士州政府为该项目提供额外支持——该州政府推出一项新的认证计划,为购买零排放燃气的用户提供经验证的选择,以支持天然气管网的去碳转型,这将为绿氢生产的认证铺平了道路。

. Malabar污水厂

第二个例子是墨尔本的亚拉河谷水务公司(Yarra Valley Water)。他们成功召集了一个团队在墨尔本北郊的Aurora污水厂开展一个制氢项目。该团队除了水务公司,还有希望实现碳减排的租户、希望扩大制氢设备规模的技术供应商,以及寻求去碳化的供气公司。项目的水源是污水厂多余的再生水,以及附近一个垃圾发电厂的剩余可再生能源。

该项目为了提高可行性,已经积极拓展氢气的终端用户,包括为1200辆特殊车辆的车队提供燃料,包括叉车、公交和卡车等;一个1MW的电力和热力发电系统,用于平衡 2.5MW太阳能系统的电力供应;并入天然气管网系统。此外,该项目产生的氧气还将用于污水厂的好氧处理工艺。

这个项目将从小试开始试验,预计在20237月扩大到年产700吨的规模。届时将成为污水处理与绿色制氢的共生案例。项目投资成本估计为2300万澳元,亚拉河谷水务公司仍在寻求50%的资金资助。

. 亚拉河谷水务公司的污水处理+绿氢共生愿景

维多利亚州的东北水务公司也在开展污水处理+绿氢共生的项目,该项目位于West Wodonga污水厂,电解槽规模达10MW。生产的氢气用于和天然气混合,最大比例为10%。氧气则会用于污水厂。这个项目已经获得了3210万澳元的拨款资助,项目总投资规模达4400万,预计在2023年下半年完成。

小结

总的来说,氢能的发展对水务行业来说是一个新的机遇。甲烷和再生水都是能通过成熟技术得到的原料,但如何将制氢的产品推向市场、制定价格并由此获利,是污水厂相对陌生的领域。所以,报告的作者认为各水务公司要想找到自己进入氢能领域的最佳入口,还需要因地制宜地走一段探索之路。报告中指出需要利用合作来推动变革,石油和天然气行业的公司可能是水务行业未来的关键合作伙伴,毕竟后者迫切急于去碳化和拓展新市场。

另外北京环丁环保大数据研究院在202110月也曾发布了一份题为《城市污水处理厂氢能开发潜力与利用途径初步研究》的报告,对耦合光伏电及电解水的污水厂制氢潜力进行了研究分析。感兴趣的读者可以对中澳两地污水厂的制氢前景进行对比。

参考资料


https://www.wsaa.asn.au/news/new-papers-hydrogen-and-climate-change

https://www.jacobs.com/sites/default/files/2020-06/jacobs-yarra-valley-water-towards-a-zero-carbon-future.pdf

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