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在追求碳中和目標(biāo)的背景下，國(guó)內(nèi)外對(duì)氫能的關(guān)注不斷升溫。2021年12月初，澳大利亞水資源服務(wù)協(xié)會(huì)發(fā)布了一份題為《Water: fueling the path to a hydrogen future》的報(bào)告。這份報(bào)告指出，氫能革命的步伐正在逐漸加快，這對(duì)城市水處理行業(yè)意味著什么？水行業(yè)對(duì)氫能有足夠的了解嗎？在這份報(bào)告中，我們可以了解水行業(yè)使用氫氣的基本知識(shí)，并指出未來幾年值得探索的問題。
水行業(yè)與氫能相互成就？
2021年被許多人認(rèn)為是碳中和的元年。在格拉斯哥召開的COP26全球氣候會(huì)議結(jié)束后，世界開始更加關(guān)注依賴非化石燃料的能源，這其中就包括氫能。氫能并不是什么新鮮事，但過去的氫產(chǎn)量似乎是碳密集型工藝，隨著新工藝的普及，產(chǎn)氫的碳影響大大降低，這也促進(jìn)了氫能的復(fù)興。
澳大利亞加快了氫革命的步伐——政府和行業(yè)機(jī)構(gòu)宣布了大量新的氫項(xiàng)目、戰(zhàn)略和政策框架。澳大利亞聯(lián)邦政府正在向氫能行業(yè)注入12億澳元，澳大利亞可再生能源署（ARENA）承諾將為商業(yè)項(xiàng)目投資超過1億澳元。
氫是一種無色、無味、無毒的可燃?xì)怏w。它本身對(duì)環(huán)境無害，但它的生產(chǎn)方式可能會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。因此，本報(bào)告介紹了蒸汽甲烷重組（SMR）、氣化、熱裂解或電解四種主要產(chǎn)氫方法，并衍生出灰氫、藍(lán)氫、藍(lán)綠氫和綠氫等術(shù)語。
從顏色上可以看出，目前行業(yè)認(rèn)為綠氫的生產(chǎn)是最環(huán)保的，因?yàn)樗蔑L(fēng)能和光能發(fā)電來電解水制氫，消耗的原材料只是水，而電解水制氫產(chǎn)生的氫氣消耗后會(huì)產(chǎn)生水，這似乎是一條可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)路線。澳大利亞的許多氫能中心都是用綠氫路線去設(shè)計(jì)的。
但是水從哪里來呢？報(bào)告預(yù)測(cè)，如果氫能按預(yù)期速度發(fā)展，2050年澳大利亞制氫水耗將高達(dá)2.6億立方米，相當(dāng)于澳大利亞昆士蘭東南部的供水量。這些水從哪里來？答案是在城市污水處理廠里。尤其是在澳大利亞，在過去20年經(jīng)歷了兩次嚴(yán)重的旱災(zāi)后，他們的水務(wù)公司希望找到不依賴降雨的飲用水源。污水處理廠出水口再生是選擇之一。利用反滲透技術(shù)，污水處理廠的出水口可以凈化到制氫水平。除了水，甲烷是另一種制氫原料，也可以由具有厭氧消化技術(shù)的污水處理廠提供。因此，污水處理廠和制氫處理廠可以形成自然的共生關(guān)系。這種潛在的共生關(guān)系也意味著項(xiàng)目方和受益人可以分擔(dān)項(xiàng)目成本和風(fēng)險(xiǎn)，降低了財(cái)務(wù)可行性的門檻。
三思而行
報(bào)告指出，每個(gè)水務(wù)公司都應(yīng)根據(jù)自身實(shí)際情況評(píng)估能否參與氫能經(jīng)濟(jì)浪潮。首先，可以考慮公司是否具備以下三個(gè)成功屬性，包括：
參與前要充分了解機(jī)遇和挑戰(zhàn)；
污水廠址的可行性
是否有足夠技能和資源的合作伙伴（關(guān)鍵）
基于這三個(gè)屬性，他們還列出了污水處理廠需要考慮的九個(gè)因素，包括：
實(shí)現(xiàn)溫室氣體的減排
在投資決策過程中考慮社會(huì)成本
利用盈余的可再生能源
了解再生水的潛力
利用好水處理工藝升級(jí)的內(nèi)驅(qū)
吸引感興趣的利益相關(guān)者和監(jiān)管機(jī)構(gòu)
污水處理與產(chǎn)氫設(shè)施共址
挖掘多重收益的改進(jìn)點(diǎn)
向循環(huán)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型
制氫藍(lán)圖
如下圖所示，澳大利亞計(jì)劃在東西海岸建設(shè)7個(gè)吉瓦級(jí)（GWh）綠氫項(xiàng)目。此外，各地的污水處理廠都有實(shí)際的測(cè)試或運(yùn)行項(xiàng)目。
第一個(gè)例子是悉尼水務(wù)公司的Malabar污水處理廠，它有厭氧消化設(shè)施。悉尼水務(wù)公司正在與燃?xì)夤芫W(wǎng)公司Jenema合作，將沼氣升級(jí)為生物甲烷，去除的二氧化碳可以出售或與氫氣發(fā)生甲烷反應(yīng)，以生產(chǎn)更多的生物甲烷。
該項(xiàng)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）提供590萬資金。該項(xiàng)目計(jì)劃于2022年9月完成，預(yù)計(jì)每年生產(chǎn)95TJ可再生綠色天然氣，滿足約6300戶家庭的需求。這相當(dāng)于5000噸碳減排。
此外，污水處理廠所屬的新南威爾士州政府為該項(xiàng)目提供了額外的支持——州政府推出了一項(xiàng)新的認(rèn)證計(jì)劃，為購(gòu)買零排放燃?xì)獾挠脩籼峁┙?jīng)驗(yàn)證選擇，以支持天然氣管網(wǎng)的去碳轉(zhuǎn)型，為綠氫生產(chǎn)認(rèn)證鋪平了道路。
第二個(gè)例子是墨爾本的亞拉河谷水務(wù)公司。他們成功地召集了一個(gè)團(tuán)隊(duì)，在墨爾本北郊的亞拉河谷污水處理廠開展制氫工程。除了水務(wù)公司，該團(tuán)隊(duì)還有希望實(shí)現(xiàn)碳減排的租戶、希望擴(kuò)大制氫設(shè)備規(guī)模的技術(shù)供應(yīng)商和尋求去碳化的供氣公司。該項(xiàng)目的水源是污水處理廠多余的再生水，以及附近垃圾發(fā)電廠剩余的可再生能源。
為了提高可行性，項(xiàng)目積極擴(kuò)大氫終端用戶，包括叉車、公交車、卡車等1200輛特種車隊(duì)的燃料；1MW電力和熱發(fā)電系統(tǒng)，平衡2.5MW太陽能系統(tǒng)的電力供應(yīng)；并入天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)。此外，該項(xiàng)目產(chǎn)生的氧氣也將用于污水處理廠的氧氣處理過程。
該項(xiàng)目將從小試驗(yàn)開始，預(yù)計(jì)2023年7月擴(kuò)大到年產(chǎn)700噸。屆時(shí)將成為污水處理和綠色制氫的共生案例。該項(xiàng)目的投資成本估計(jì)為2300萬澳元，亞拉河谷水務(wù)公司仍在尋求50%的資金。
維多利亞東北水務(wù)公司也在開展污水處理+綠氫共生項(xiàng)目，位于West Wodonga污水處理廠，電解槽規(guī)模10MW。生產(chǎn)的氫氣用于與天然氣混合，最大比例為10%。氧氣將用于污水處理廠。該項(xiàng)目已獲得3210萬澳元撥款資助，項(xiàng)目總投資4400萬，預(yù)計(jì)2023年下半年完成。
總的來說，氫能的發(fā)展是水務(wù)行業(yè)的新機(jī)遇。甲烷和再生水是成熟技術(shù)可以獲得的原料，但如何將制氫產(chǎn)品推向市場(chǎng)，制定價(jià)格并從中獲利是污水處理廠相對(duì)陌生的領(lǐng)域。因此，報(bào)告的作者認(rèn)為，水務(wù)公司要想找到進(jìn)入氫能領(lǐng)域的最佳入口，還需要因地制宜地走探索之路。報(bào)告指出，需要利用合作促進(jìn)變革。石油天然氣行業(yè)的公司可能是未來水務(wù)行業(yè)的關(guān)鍵合作伙伴。畢竟，后者急于去碳化和拓展新市場(chǎng)。
此外，2021年10月，北京環(huán)丁環(huán)保大數(shù)據(jù)研究院還發(fā)布了題為《城市污水處理廠氫能開發(fā)潛力與利用途徑初步研究》的報(bào)告，分析了耦合光伏電和電解水污水處理廠的制氫潛力。感興趣的讀者可以比較中澳污水處理廠的制氫前景。
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