化工油气行业应用白皮书：如何借助技术推动绿氢倡议

赋能化工油气行业可持续发展 如何借助技术推动绿氢倡议 施耐德电气化工油气行业应用白皮书 如何借助技术推动绿氢倡议 作者：Rajesh D. Sharma 摘要 在全球从化石燃料过渡到可再生能源的过程中，新技术将奠定良好的基础。绿氢是一种新兴的能源技术，它有助于降低对碳氢化合物的依赖。不过，该技术目前仍处于起步阶段，如何实现高效益的生产，是绿氢行业面临的一个艰巨的挑战。 为了实现高效的绿氢生产，需要新技术和新理念。行业的发展孕育着大量的机会，但为了实现共同的远景目标，我们还必须充分发挥数字化技术在推动变革方面的重要作用。 目录 引言5估算绿氢的成本6增加绿氢产量所面临的挑战7有助于解决大规模氢气生产难题的技术8结语12 在从碳基能源向可再生能源过渡的过程中，人类面临诸多挑战。而如果能充分利用可再生能源制造的绿氢，将可以大大推动这一进程。目前的大多数氢都是用化石燃料生产的，其工业用途包括炼油，生产氨、甲醇和钢铁等。随着绿氢技术近来取得的进步，这种能源对其他行业的吸引力也在不断增加。 引言 绿氢是通过可再生能源电解水来生产的，这种工艺过程不会产生碳排放。氧气是电解制氢工艺产生的另一种气体，这些氧气可以释放到空气中，也可以用于其他用途，如图1所示。 图片来源：Fuelcellworks 目前，与直接使用可再生电力相比，制造和使用氢气发电的效率较低。 据国际能源署的数据，现在只有不到0.1%的氢是通过水电解产生的，不过这种情况可能会在不久的将来发生变化。1为了使绿氢具有竞争力，需要进行大量投资，一些公司正在着手解决这方面的难题。预计未来十年将有5000亿美元投入到相关的研发项目中，其中约70%将用于绿氢的生产。预计到2030年，这些投资会促进超过1000万公吨/年的低碳氢产能。2 在作出关于绿氢的投资决策时，首先要确定氢气的生产成本。 估算绿氢的成本 绿氢的成本取决于能源总需求量、能源总成本、电解槽及其配套系统的成本以及运营成本。 根据这个简单的公式，电解槽生产企业应该提供一套估算方法，从而为开发商和工程单位提供一个清晰的概念，使其了解生产一千克氢气或者每小时生产一立方米氢气，需要多少原料/电力/耗材，折合为成本是多少。不过，目前最常见的方法还无法估算得足够精确。如果我们重点关注决定绿氢总成本的最关键变量，则可以提高估计精度： ●资本支出：电解槽的投资费用（包括制氢厂房配套设施）。●运营支出：运行电解槽的费用。主要是电费，还有一些系统运维费用和水费。●寿命：为了评估氢的总成本，必须考虑系统寿命。“寿命”表示从系统性能的角度来看，应该在合适的时间更换装置，而不是运行到系统无法再使用为止。●效率：电解槽的效率取决于生产一定量的氢气所需的电量。效率越高，运营成本越低。 绿氢装置通常包括电解槽、高/中/低压电气设备、整流器、气体分离装置、气体干燥装置、加工设施、压缩机、冷却风机、控制和安全系统。该装置可以分为电解槽组和工厂配套设施（BOP）。 根据可持续工艺技术研究院（ISPT）的估算，在千兆瓦规模制氢厂的直接成本中，采用碱性电解槽技术时，电解槽组和BOP的成本分别占23%和77%，采用聚合物电解质膜（PEM）技术时，电解槽组和BOP的成本分别为48%和52%。可以看出，制氢厂配套设施成本对项目的总体成本有重大影响。 根据上述变量和成本因素，在估算、设计、建造和运营绿氢设施的过程中，应该满足如下条件： 1.拥有关于绿氢装置的设计和安全操作知识。2.了解影响生产效率的因素。3.最大限度缩短停运时间。 走向绿氢是大势所趋，但为了实现向绿氢能源的转变，需要完成如下三个方面的工作： 扩大绿氢生产规模所面临的挑战 1.提高相关知识水平，以提升设计和工程效果。2.确保安全和效率，以优化操作。3.明确和实现绿色认证要求。 1.提高相关知识水平，以提升设计和工程效果。 电解水制氢技术由来已久。但到目前为止，这项技术落地实施的规模还远远不及去年各国、各地宣称的那样。与绿氢一样，很多新技术面临的最大障碍之一都是如何扩大生产规模。为了从小规模的可行性论证发展到大规模的工业生产，需要有效克服各种科学和技术障碍，并解决物流、经济甚至政治难题。 电解制氢装置属于电力密集型设施，缺乏安装和连接大型电解槽的必要知识，是设计大规模的电解制氢装置的一个障碍。目前几乎没有任何数据可以帮助投资者了解这项技术的投资回报率。在缺乏此类信息的情况下，投资者很难放心地进行投资。 2.确保安全和效率，以优化操作。 众所周知，氢气存在安全风险，我们需要持续关注与氢气相关的安全保护措施，然而氢气应用本身也具备优势，在正确的使用下，氢气与汽油和柴油等传统燃料相比，其操作过程反倒更加安全。作为一种高热值的能源载体，氢气能够广泛应用于直接为燃料电池供电或进行可再生能源消纳。大量氢气能够以高压气体的形式储存在气罐中,也可以在低压和低温条件下以液态形式储存。 氢气（H2）由两个氢原子组成，每个氢原子只有一个质子和一个电子，由于这种化学结构非常简单，所以它不稳定且易发生燃烧。也正是因为储存氢气存在一定的风险，所以阻碍了氢气的大规模使用。用于处理氢气的任何系统都必须首先解决与氢气材料特性相关的安全隐患。 虽然绿氢为难以减排的行业提供了一种能源解决方案，但迄今为止，在这些行业中几乎没有使用绿氢的经验。因此，研究氢气的安全问题对于我们未来推动经济发展具有更重要的作用。 3.明确和实现绿色认证要求。 在通过电网获取可再生能源时，会面临更多复杂的问题，欧洲宣布推出的很多项目就是如此。生产商需要确保生产的所有氢气都是绿氢，并向承购商提供认证。 因为氢气的处理方式类似于天然气，所以可以借鉴石油和天然气行业长期以来积累的技术解决方案来解决相关难题。在此过程中，数字化技术将发挥重要作用，并促进更有效、更快捷的合作。 借助目前可用的新数字技术，可以在很大程度上克服大规模生产绿氢所面临的挑战。我们可以借助在石油和天然气行业积累的经验，来解决工艺安全和能效难题。 有助于解决大规模氢气生产难题的技术 在绿氢的生产中，几个关键的技术解决方案将发挥重要作用，其中包括： ●基于数字孪生的工艺流程建模和一体化工程设计●实现一体化的安全、能源和过程控制系统●通过人工智能和机器学习改进分析，优化资产性能●通过区块链实现可验证的绿色认证 动态工艺流程仿真和动态电力系统仿真： 绿氢行业目前正在从试点和小规模生产快速发展到大规模生产。在这个背景下，需要制造更大的电解槽，以满足一些生产商规划的千兆瓦级生产规模的需求。绿氢的整个价值链正在为此类大规模生产进行准备，其中包括提供可再生能源、水处理设施、气体处理设施，以及下游工艺装置对氢气的使用。 来源：AVEVA 使用动态流程仿真模型（图2），在大型装置的设计中，可以更好地理解和解决随着电解槽规模的放大对于相关工艺流程带来的难题。仿真模型或者说数字孪生模型，能够简化对电解槽（组）类型和尺寸的选择，并且能更深入地了解对相关的静设备、工艺流程和电气设备（如泵、电机、储罐、管道等）的需求，从而加快概念设计阶段的工作。仿真模型使用现有数据来模拟可再生能源发电、水处理和其他工艺参数，全面分析装置运行中各种可能出现的状况。一个完整的仿真模型还会基于项目开发目标，考虑存储因素，并模拟下游工业的使用情况。 绿氢生产属于电力密集型工艺，在系统设计中需要功能强大的的电力仿真模型。根据电解槽的电流要求，通过对断路器、变压器等电气设备的模拟，优化电气设备和电缆的选型。 一体化的电力系统仿真和工艺流程仿真可以对装置设计提供完整的端到端分析。在保证工艺流程和电气设备之间设计完整性的基础上，对各个方面进行设计优化。 数字孪生模型是基于实时工艺流程和设备数据创建的虚拟系统，借助该模型，能够开发可针对不同业务场景进行优化的功能设计方案。采用数字孪生模型来设计生产装置，可以使用完整的资产数据库对电力系统进行优化和基准测试。 三维渲染功能（图3）。在数字孪生模型中，单个设备相关的各类数据都可以被映射到这个设备上，从而构成关于这个设备的单一数据源。这些数据可以在这个设备的整个生命周期中被使用和丰富（从概念设计阶段移交到工程设计阶段，最后移交到运营维护阶段）。 来源：AVEVA 利用数字孪生来整合工程设计工具： 各类工程设计工具被用来简化项目团队内部各方的工作流程，并促进与外部各方的互动。借助于数字孪生技术，这些工具可以在制氢装置的整个生命周期中得以应用（从概念设计到工程设计到运营维护）。运用数字孪生技术，设计师可以利用所有可用的数据和设备信息，创建装置的3D模型，生成管道仪表流程图（P&IDs）、工艺流程图（PFDs）、单线图（SLDs）和设备设计数据表，从而简化设计过程。 一体化的安全仪表系统、配电系统和过程自动化系统 绿氢工艺是具有特殊性，因为生产绿氢需要大量电力，而且必须确保安全。因此，制氢装置最适合采用一体化的安全仪表系统、配电系统和过程自动化系统。这种由分布式控制系统（DCS）、能源管理与控制系统（EMCS）以及安全仪表系统（SIS）构成的一体化系统，可以提高装置的控制能力和安全性，如图4所示。该一体化系统能够更高效地利用设计阶段所生成的数字孪生模型，可节省最多20%的资本支出，4其中包括减少硬件、缩短系统设计时间、加快测试、节约调试和投运时间。 一体化系统的益处： ●电气和自动化设备的资本支出最大可以降低20%●加快项目设计、调试和投运 一体化系统采用行业标准协议，与配电系统的通信采用IEC 61850等规约，与工艺设备的通信采用OPC、现场总线、MODBUS等规约，支持无线仪表和有线仪表。 采用数字孪生技术，可以更方便地对一体化系统进行功能测试，并且在设计和工程执行阶段可以实施完整的远程评估。 资产性能和分析 对于千兆瓦级的绿氢项目而言，规模大而且采用了电力密集型工艺，必须使用分析工具来优化资产性能。变压器、开关设备和整流器等电气设备的健康状况会直接影响生产性能，而温度、水流和电解液流量等变量会影响生产效率和所产氢气的质量。电解槽组里的电极容易因为老化、水质和电能质量等因素以及频繁启停操作而产生磨损。 利用数字孪生模型、一体化的安全仪表系统、配电系统和过程自动化系统等技术，可以将工厂配套设施的资本支出和运营支出降低15%到20%。 借助性能数据可以简化资产管理，并确保系统各个部分的性能符合设计要求。通过持续监控，可以发现性能下降的情况，并安排相应的维护，从而防止效率下降和生产损失。在资产性能管理解决方案中，可以利用数字孪生模型来分析和报告设备性能，并根据测量结果判断设备是否满足设计基准要求。设备专家们可以通过访问云端的设备数据，并采用基于预测性分析的机器学习算法来识别和预测关键设备（例如电解槽、变压器、开关设备、压缩机和泵）存在的问题，从而避免不必要的停机，最大限度增加生产时间。 使用区块链技术跟踪端到端的绿色生产过程： 生产商如果使用网电生产绿氢，就必须确保氢气是由绿电制得的，并向终端用户证明这一点。政府部门向绿氢用户提供的政策倾斜或补贴，都需要此类证明。 如果使用传统的工具，很难证明氢是由绿电制得的。区块链技术使用通过加密方式连接在一起的区块作为记录列表，可以避免系统欺诈，这种技术很适合为端到端的绿色能源生产提供证据。当然，这需要电力公司、绿氢生产商、绿氢用户和政府部门普遍接受这项新技术。 因为制氢需要消耗大量电力，所以电力能效至关重要。使用预测性分析和先进过程控制等工具，可以帮助生产商最大限度地增加工厂的正常运行时间和提高效率。如果将本文所述的技术和解决方案结合起来，在绿氢项目的设计和运营阶段加以优化，可以加快向可再生能源的转型。 结语 根据可持续工艺技术研究院(ISPT)的技术研究，在一个典型制氢项目的直接成本中，电解槽占23%-48%，工厂配套设施占77%-52%5。电解槽生产成本的优化需要制造商通过采用数字化技术来提高生产质量、降低成本。对于制氢工厂的配套设施而言，一体化