控制閥行業前瞻：從化石燃料轉向氫能經濟

控制閥行業前瞻：從化石燃料轉向氫能經濟

根據美國閥門制造商協會在德克薩斯州休斯頓舉辦的首屆氫氣閥門峰會，來自各行各業的演講者紛紛關注和介紹了 在全球范圍內淘汰化石燃料轉向可再生能源 ，特別是氫解決方案時面臨的機遇和挑戰。

許多專家表示，必須加快脫碳的步伐以實現世界領導人提出的減排目標。美國的目標是在2035年前實現電力網絡的脫碳，按照目前的速度，與2020年相比，美國需要三倍的整體發電能力。每年太陽能和風能的部署必須是當前速率的四倍，而且還需要安裝20萬公里的新高壓輸電線路。而在2022年，美國僅建造了675英里的線路。

氫氣的碳足跡不僅僅是生產環節的問題。在將原料轉化為氫氣的過程中會消耗能源，同時也包括壓縮或液化氫氣以及通過卡車、鐵路或管道運輸的過程。液化可以使氫氣的存儲和運輸更加高效，因為 液態氫比氣態氫密度高出853倍，僅占據其氣態體積的1/600 。

這使得儲存和運輸更加高效，并消除了在不可行的情況下新建管道的需要。液態氫可以在需要時再轉化為氣體以供能源使用。在世界轉向非傳統化石燃料和更綠色的能源解決方案時，考慮氫氣生產的全部影響時必須考慮所有這些因素。

但是，生產并不是可再生電網的唯一障礙，間歇性、儲存、許可、發電和傳輸能力、電網連接、勞動力以及從投產到產出的時間等因素也都需要考慮。 目前電網和基礎設施的組件在氫氣服務中的行為表現均在實踐中接受測試，包括冶金研究、泄漏測試和溫度測試，因為氫氣需要在極低的溫度下運輸。 雖然組件通常與氫氣兼容，但仍有很多需要學習的地方。

控制排放

目前估計，美國超過40%的排放來自電力產生的熱量，特別是在大規模和非導電應用中，這些應用不適用于當前的技術。即使實現了完全脫碳的電力網絡，高溫應用也需要更快和更有效的脫碳解決方案。為了解決這個問題，需要一種不會排放二氧化碳或其他溫室氣體的加熱燃料，而清潔氫氣提供了一個非常有前景的選擇。

世界各地的公司都在探索脫碳和減少溫室氣體排放的各個方面。那些致力于清潔氫氣并在向基于氫的能源來源（無論是電力網絡還是車輛）邁進的公司正在取得重大進展。

繞過對基礎設施和可再生能源的依賴，可以生產氫氣和固體碳，通過分布式生產避免運輸成本，Modern Hydrogen是引領這項技術發展的公司之一，有興趣的讀者可以查詢該公司的相關技術內容（ 該公司官網地址： modernhydrogen.com ）進行了解。

現場轉換為綠色氫氣

得到了比爾·蓋茨的風險資本支持、NextEra Energy和 National Grid等公用事業公司以及工業公司的支持，Modern Hydrogen正在證明通過甲烷熱解生產氫氣不僅是可行的，而且還產生了有價值的副產品。這個過程為采用該技術的公司創造了新的收入來源。

天然氣的熱解今天就可以實現，并不需要大量的新基礎設施或投入。它可以利用現有的天然氣基礎設施。如今，天然氣的使用量相當于煤炭、核能、太陽能、風能和氫能的總和。值得注意的是，天然氣本身大約含有80%的氫。

天然氣（甲烷）、可再生天然氣（RNG）或生物氣通過現有天然氣管道輸送到現場的氫氣生產單元，在那里，氣體被加熱直至分解成固體碳和氫分子。碳以固態形式從系統中移除并可以出售給其他公司用于瀝青等用途，而氫則被輸送用于終端應用，其中一小部分被循環回系統以維持其運行。

Modern Hydrogen的模塊化甲烷熱解單元相對較小，大約有一個貨柜的大小，可以放置在現場設施中以產生用于工業過程能源工廠、商業蒸汽鍋爐或交通加油中心所需的能源。

來源：Modern Hydrogen

這項技術也可以更早地應用于天然氣分配過程中。例如，在美國俄勒岡州，由Modern Hydrogen技術產生的氫氣在西北自然氣配送中心被混入燃氣輸送管線，并通過波特蘭現有的基礎設施輸送給企業和家庭。考慮到美國各地已經部署了超過2萬億美元的天然氣資產，這些Modern Hydrogen系統可以很容易地融入現有系統中。

生產氫氣的其他技術

另一種用于從天然氣生產氫氣的技術是蒸汽甲烷重整（SMR）。這些項目由下游碳氫化合物工業公司啟動，旨在去除二氧化碳并降低溫室氣體排放。

變壓吸附法（PSA）是另一個過程，它通過兩個并行操作的吸附床來分離廢氣中的氫氣，其中一個床凈化廢氣，而另一個床則進行再生。根據Emerson的說法，PSA單元可以生產出純度高于99.9%的高純度氫氣。

變壓吸附系統用于氫氣分離的流程圖

來源：Emerson

一旦提取出氫氣，通常會在低至-425°F (-254°C)的溫度下將其液化以便運輸。在這樣極端的低溫下，材料可能會變得脆裂并導致氫氣泄漏，從而產生逃逸排放。

美國電力研究所（EPRI）目前正在與世界各地的多家公用事業公司合作，開展一系列氫氣研究和示范系統，以測試整個過程。到目前為止，他們已經發現，在燃氣輪機燃燒系統中可能需要調整的部分包括：燃料噴嘴；涂層，基于新的火焰結構；襯套和過渡件的長度和直徑，基于氫氣火焰速度；以及燃燒室的壓力下降，這可能需要改變以適應更新后的性能和渦輪冷卻要求。

EPRI 指出燃氣輪機燃燒系統中可能需要調整的部分 來源：EPRI

組件的測試與認證

正如預期的那樣，各種行業團體和標準組織正在開發新的測試或修改現有的測試，以適應用于氫氣服務、運輸和儲存的組件。其中包括ASME、MSS委員會針對嚴苛和特殊服務閥門的標準，包括低溫測試和有關氫氟酸服務的新標準。

這些標準和建議目前處于委員會審議階段，并且正在進行測試和審查。Compressed Gas Association作為美國整個行業的會員公司，并與監管機構、規范制定者和國際標準機構合作提供技術指導。他們的安全氫氣項目已經制定了一系列至今為止的指南和法規，旨在確保氫氣的安全儲存、處理和運輸。

氫氣的種類

目前有多種方式來描述和定義今天生產的不同類型的氫氣。通過顏色來表示生成最終氫燃料的過程，業界至少已經確定了幾種顏色——綠色、藍色和灰色——但也出現了其他的顏色描述。三菱重工業公司創建了一個顏色輪盤，展示了氫氣顏色分類的擴展性質，以及每種“顏色”是如何產生的。

控制閥關注氫能經濟未來

盡管我們還需要學習很多關于如何將經濟轉向以氫氣作為化石燃料替代品的知識，但已經有很多知識和技術被開發并且正在被證實。

像Modern Hydrogen這樣的公司正在尋找客戶安裝它們的熱解技術，朝著創建自己的清潔能源工廠邁進。Emerson 和 Flowserve 是兩家大型閥門制造商，它們除了生產其他產品外，還投入了大量資源來測試現有部件并開發新的部件，這些部件對于氫氣服務被廣泛采用至關重要。國內控制閥行業也有少數廠商關注并開始重視該行業的技術進展和產品開發。

后續控制閥事務所公眾號也會持續關注控制閥新型應用行業走向，向各位讀者分享行業咨詢。