氢能——气候和经济的机遇
 
德国要想成功实现《巴黎协定》的减排目标，需要付出巨大努力，实现深度的去化石化。换句话说：无论我们在哪里使用化石燃料或资源，都必须实现二氧化碳中和。为了能源转型的成功，不仅需要扩大风能、太阳能和水能，还需要建立能源储存系统，保证在不稳定的来源中持续稳定的供电。作为能源载体，氢将做出决定性的贡献。不仅如此：氢气作为化学原料也有很多用途。氢气是智能能源管理和工业中不可或缺的因素。但是如果我们一直保持犹豫的态度，不仅可能无法实现气候目标，甚至还有可能导致德国的去工业化。
 
通过创新实现经济实力和结构变革
 
能源转型包括电力、热能、交通、工业和农业部门。就电力而言，德国成立了增长、结构变化和就业委员会。作为弗劳恩霍夫协会（Fraunhofer-Gesellschaft）的代表，Ralf Wehrspohn先生获准参加这个委员会并提出建议：到2038年完全淘汰煤炭发电。对于其他部门的去化石燃料化，氢是关键：它可以作为供热和工业中的能源，使许多过程独立于化石能源。在化学和石化行业，德国目前每年使用约200万吨来自化石原料的氢气。用“绿色”氢气代替它可以节省超过2%的二氧化碳排放。
 
除了政治框架之外，只有通过大量的技术创新才能实现如此巨大的进步。在德国没有其他机构具备弗劳恩霍夫这样的创新能力。凭借其综合能力，弗劳恩霍夫将为联邦政府的国家氢战略（2020年1月）贡献自己的一份力量，并积极支持其实施。德国具有潜力在氢经济中发挥重要作用：工厂技术是德国工业以及交通和能源领域技术的优势之一。现如今已经有很多德国公司具备氢气技术的领先技术。实现全面的氢经济可以加强创新能力和长期竞争力，并保证产业价值创造。
 
系统可靠性和生产技术
 
截至目前，电力制氢气的电解和逆转并从氢气中产生电能的燃料电池基本上都是手工制造的。考虑到未来所需的数量和服务，应提高系统可靠性并开发合适的生产技术。这意味着：实现此类系统的生产自动化并将其转移到工业规模。由于其接近应用，弗劳恩霍夫要在这一过程中给予公司，企业以及社会支持。其中数字化是一个重要的标志：必须为每个组件（例如燃料电池）提供数字图像，即数字孪生。
 
近年来，弗劳恩霍夫 (Fraunhofer)已发展出在短时间内将氢技术推向市场的能力。联邦经济事务和能源部希望通过“真正的能源转型实验室”进行市场推广。为此，已经启动了20个这样的项目，其中大约一半涉及氢技术。Fraunhofer参与了其中几个实验室。其中一个目标：100MW水解及其系统集成。该技术将从演示设备进一步发展为可立即销售的产品。我们可以直接进入系统研究和生产问题领域，甚至衍生至所有领域。Fraunhofer创新能力涵盖材料和系统及其生产、能源行业的使用、工业和交通，以及安全和使用寿命的跨领域问题。我们接下来会分期介绍有关的内容。
 
01工业过程的气候中和
 
德国想要实现其设定的气候中和目标，特别是在工业领域，采用氢能是不可避免的。许多企业正在努力将现有的生产过程转换为氢能，争取在不远的将来实现氢能经济。工业制造过程中产生大量二氧化碳，采用氢气做替代能源非常有前途。在那里，氢气为生产链的去化石化提供了各种方法。我们的任务是使替代过程经济且可持续。
 
二氧化碳低排放的生产：氢使之成为可能
 
在联邦教育和研究部(BMBF)的资助下，Fraunhofer UMSICHT、Thyssenkrupp AG、Max Planck Society 和其他六家来自工程和化学工业领域的企业正在实施去化石路线：在Carbon2Chem®项目中使用高炉和焦化厂炼钢过程中产生的含碳气体，通过添加绿色氢将它们转化为甲醇和尿素等基本化学品。这些化学品又可用于制造燃料、肥料或塑料。这样，在化学工业中替代了化石原料，避免了大量化石碳的排放。Fraunhofer UMSICHT的研究人员正在建立仿真模型以绘制最终的集成生产系统。该项目解决了有关整个系统的问题，例如钢铁厂的化学品生产将如何影响整个生产系统？此外，他们还开发了吸附和等离子技术，目的是净化钢厂气体并检查化学合成催化剂的功能是否适用。该项目目前正在中试阶段，计划2025年投入生产，实现降低碳排放。该技术同时也会应用到其他行业，例如水泥行业。
 
钢铁企业的长期目标是通过避免产生二氧化碳的工艺来实现（Carbon Direct Avoidance CDA）生产碳中和钢铁。直接还原铁矿石，几乎可以完全避免二氧化碳的产生。Fraunhofer IKTS的研究人员在德国教研部BMBF资助的MACOR项目中与Salzgitter AG合作开展这项工作。目前的生产工艺是用煤炭来还原铁矿石，新的工艺不使用煤炭，而是使用氢气作为还原剂。通过采用这种工艺，根据规模，最高可减少二氧化碳排放95%。
 
这是因为所需的氢气是在电解过程中由可再生能源制备的，而铁在电弧炉中使用可再生产能源制备的电能加工成钢。高温电解工艺在这里大受欢迎。100千瓦规模的技术示范装置已经投入使用，现在做的是提升到千兆瓦规模。Fraunhofer I KTS 的研究人员作为项目的重要合作伙伴，负责过程模拟。
 
在钢铁行业之外，工业企业也会出现废气和废水。在Colyssy项目中，Fraunhofer IKTS与Johann Bergmann GmbH & Co.KG所属的石灰厂合作，展示了一种利用这一优势的方法：通过集成工艺，工业废气流和水可用于生产有价值的化学物质。使高温共电解成为可能，开发新的陶瓷膜分离CO2，制备的合成蜡可用作润滑剂或化妆品的原材料。该系统应该可以在2021年投入使用。研究人员还从事工艺开发，模拟和优化整个过程。石灰厂工艺步骤的结合还提供了在燃烧过程中使用费托合成的副产品流的可能，从而开辟了额外的灵活性选择。
 
另一方面，高度矿化、富含硫酸盐的采矿废水可以使用由Fraunhofer IKTS开发的RODOSAN工艺进行处理。即三步骤同步进行：第一，从废水中获得氢气，从而获得一种能量载体。其次，所含的铁被还原并被回收。第三，污染物——尤其是硫被浓缩和回收用于化肥。使用该工艺可以分离45%至70%的硫酸盐。目前已经建成一个每小时产量为6立方米的中试线，可用于技术放大和工艺优化。
 
P2X：从绿色能源中获取氢
 
能源转型过程中经常遇到的一个问题：再生能源产生的电力如果无法及时并网，是否可以就地存储？这就是P2X技术发挥作用的地方：用可再生能源发电制氢，产生的氢被储存并转化为化学品、燃料或气体。
 
一种是能转气、能转燃料和能转化学品。能转气的一个案例是Fraunhofer IMM的ICOCAD项目：使用创新的反应器，从沼气厂和综合生物精炼厂中分离出来的 CO2 通过添加水解产生的氢转化为甲烷。研究人员开发并制成样机，进行中试规模的测试，并在现有工厂环境中安装这个样机。此外，科学家们正开发了耐用、抗毒和抗焦化的活化剂。样机采用模块化设计，规模可根据现场对二氧化碳和氢能大小量身订制。
 
源自弗劳恩霍夫创新引领项目»电力作为原料«，有10个弗劳恩霍夫研究所参与并联手打造的eSource®平台。他们共同开发和优化绿色电力合成重要基础化学品的工艺。平台展示了从氧气和氢气电化学生产过氧化氢（H2O2）的技术。在化学工业中需要过氧化氢作为氧化剂，其制备过程对安全性要求很高。新技术由分子氧和氢直接合成，是目前廉价、安全和清洁的替代生产工艺，应用前景广阔。在greoKEMS项目中，Fraunhofer IFF在联邦经济事务和能源部（BMWi）的资助下，正在研究不同工艺技术条件下的能源效率，以及如何相互比较和评估。
   
电解性能调节
 
无论是哪种 P2X 技术或其他氢技术：其基础是氢，是由电解产生的绿色能源。Fraunhofer IMWS在德国 Leuna化工园区建造了兆瓦级（更准确地说是高达5兆瓦）的电解测试和试验设施。从2020年开始，为项目合作伙伴提供四个项目平台，每个平台容纳两到三个 40 英尺集装箱。在这里可以将工艺链映射到下游工艺，例如甲醇合成。研究人员平衡项目、调试设备、运行各种测试周期并评估结果。产生的氢气可以输送到连接化工园区的150公里长的管道中。
 
»GreenHydroChem Mitteldeutsches Chemie-dreieck«项目的合作伙伴也设定了提高电解性能的目标，该项目是»能源转型真正实验室«创意竞赛的获胜者之一。在三个子项目中，由西门子股份公司、林德股份公司和Fraunhofer IMWS组成的团队正在致力于大规模电解（生产）、氢气管道（运输）、氢气洞（储存）和相应的大型扩大绿色氢客户的规模。为达到此项目的，将扩展现有的基础设施，并升级现有的电解规模。
 
西门子正在将电解规模从5兆瓦升级到50兆瓦。Fraunhofer研究人员通过必要的辅助研究为他们提供支持，并为电解制定指导方针。除其之外，他们还对过程中产生的气体进行科学评估。
 
»Green-Hydro-Chem Mitteldeutschland«将于2024年在Leuna实施。总装机容量超过100兆瓦，是世界上最大的生产绿色氢的电解装置项目。
 
来自生物源的氢
 
生物残渣和废物也可以作为绿色氢的来源。Fraunhofer UMSICHT开发了一种从生物质原料制氢的工艺：TCR®工艺基于热化学转化，可生成极其富氢的合成气体。所得固体——一种稳定的碳化物，也可用于通过气化产生氢气。TCR技术目前正在欧盟 ToSynFuel项目中以每天12吨废物处理量的规模进行展示。
 
02能源系统的平衡
 
在能源转型过程中，德国将淘汰煤电和核电。风能和太阳能等可再生能源将填补由此产生的缺口。由此产生的挑战是：太阳能和风能的供给波动很大，不同于燃煤电厂按需供给。此外，风电场中的能源通常由远程消费者使用。因此，有必要找到一种将可再生能源以电力方式输送到需求中心或将其存储并以灵活的方式反馈到能源循环中的方法。氢技术使后者成为可能：再生能源产生的电力用于电解，水被电化学分解为氢和氧，从而可以储存和运输。通过将其转换回电能，氢气可以再次发电。有了这种“绿色”氢，供应安全和网络弹性可以进一步扩大。
 
如何储存和使用氢气？
 
氢气可以直接使用，例如通过在燃料电池中将其转换回电能或作为化学工业的原材料。在这种情况下，出现的第一个问题是氢气的供应：传统储存需要低温（-253°C）或数百巴的高压。在BMBF倡议HYPOS（德东氢动力和解决方案的缩写）中，一个由110名工业和科学成员组成的联盟致力于解决氢的储存和运输问题。Fraunhofer IMWS 正在研究在盐穴中储存氢气的可能性；建造了一条由金属和塑料制成的运输管道。
 
Power-to-X转化过程代表了直接使用氢气的替代方法：在这个过程中，氢气被进一步加工成各种原材料。一个例子是能量转换为液体，使用非化石二氧化碳将再生能源产生的氢转化为能量载体，例如甲醇。在BMBF资助的Car-bon2Chem®联合组织（该组织由Fraunhofer UMSICHT协调）中，该研究所的一个团队和Fraunhofer ISE的同事正在研究从钢铁行业的废气中合成甲醇的工艺：电力和工业部门如何被即将来到的液态能源影响？如果化石燃料被可再生燃料和化学品取代，化石能源占比越来越少，它将对德国的能源系统造成什么样的影响？
 
 
定向支持氢能经济
 
德国在碳中和过程中能源转型做的怎样？Fraunhofer ISI的专家代表联邦经济事务和能源部，为成本优化和能源系统的安全建立模型，为有关能源转型进一步发展的讨论提供重要指导。通过需求模型，他们还为网络运营商做出了欧洲能源系统的需求预测。
 
开发商、公司和投资者在投资氢技术之前还需要更详细的盈利能力信息。Fraunhofer ISE的能源系统建模可以提供可靠的信息——从制氢成本、效率和氢气产量到可行性研究和产量报告。
 
创新能源技术是否成功取决于社会、政治和经济支持等因素。Fraunhofer ISI 正在调查欧盟项目 HYACINTH 中氢技术的社会接受度。Fraunhofer IAO负责研究与创新中心的H2-Chancendialog项目，旨在确定社会观点的创新潜力，以便在不同利益相关者的参与下合作开发新的氢解决方案。
 
未完待续
 
如对此技术感兴趣，可联系德国弗劳恩霍夫北京代表处张洪波先生。
 
电话：010-65906135转16
 
邮箱：hongbo.zhang@fraunhofer.cn