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在追求碳中和目標的大背景下，國內(nèi)外對氫能的關(guān)注持續(xù)升溫。2021年12月初，澳大利亞水資源服務協(xié)會（Water Services Association of Australia-WSAA）發(fā)布的一份題為《Water: fueling the path to a hydrogen future》的報告。這份報告指出氫能革命的步伐在逐步加快，這對城市水處理行業(yè)意味著什么？水行業(yè)是否對氫能有足夠的認識？在這份報告里，大家能夠了解水務行業(yè)使用氫氣的基礎(chǔ)知識，并指出了未來幾年值得探索的問題。
水行業(yè)與氫能相互成就？
2021年被許多人認為是碳中和元年。在格拉斯哥舉行的COP26 全球氣候會議結(jié)束之后，世人開始將更多的目光轉(zhuǎn)向依賴非化石燃料的能源，這其中就包括了氫能。氫能本不是什么新鮮事，但過去的產(chǎn)氫及似乎屬于碳密集型工藝，而隨著新工藝的普及，產(chǎn)氫的碳影響正大大降低，這也促進了氫能的復興之路。
澳洲已經(jīng)加快其氫革命的步伐——政府和行業(yè)機構(gòu)宣布了大量新的氫項目、戰(zhàn)略和政策框架。澳大利亞的聯(lián)邦政府正在向氫能行業(yè)注入12 億澳元的資金，澳大利亞可再生能源署(ARENA)承諾將為商用規(guī)模的項目投入超 1億澳元的資金。
氫氣是一種無色無味無毒的可燃性氣體。它本身對環(huán)境是無害的，但它的生產(chǎn)方式可能會對環(huán)境造成影響。因此這份報告介紹了目前四種主要的產(chǎn)氫方法，包括蒸汽甲烷重整(SMR)、氣化、熱裂解或電解，并由此衍生出灰氫、藍青、藍綠氫和綠氫這樣的名詞。
從顏色可以看出，目前行業(yè)認為綠氫的生產(chǎn)是最為環(huán)保的，因為它是用風能和光能發(fā)電來電解水制氫，消耗的原材料僅為水，而電解水制氫產(chǎn)生的氫氣在消耗之后又會產(chǎn)生水，看上去是一條可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)路線。澳洲許多準備建造的氫能中心都是以綠氫路線設(shè)計的。
但水又從哪里來呢？這份報告預測，如果氫能按照預期速度發(fā)展，2050年澳洲制氫水耗將高達2.6億立方米，與目前整個澳大利亞昆士蘭東南部的供水量相當。這些水從哪來，答案正在一座座的城市污水處理廠里。特別是在澳洲，在過去20年經(jīng)歷了兩次嚴重旱災之后，他們的水務公司希望能找到不依賴降雨的飲用水水源。對污水廠的出水進行再生處理是其中的選擇。利用反滲透技術(shù)，污水廠出水可以凈化到制氫用水的水平。除了水，甲烷是另一種制氫原料，而這也是帶有厭氧消化工藝的污水廠可以提供的。正因如此，污水廠和制氫廠可以形成一種天然的共生關(guān)系。這種潛在的共生關(guān)系，也意味著項目成本和風險可以有項目方和受益人來分攤，降低了財務可行性的門檻。
三思而行
報告指出，每個水務公司都要根據(jù)自己的實際情況，評估能否參與氫能經(jīng)濟的浪潮，首先可以考量公司是否具備下面三大成功屬性，包括：
要在參與前對機遇和挑戰(zhàn)都有充分認識；
污水廠場址的可行性
是否有充足技能和資源的合作伙伴(關(guān)鍵)
基于這三點屬性，他們還列出了污水廠需要考慮的九個因素，包括：
實現(xiàn)溫室氣體的減排
在投資決策過程中考慮社會成本
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的內(nèi)驅(qū)
吸引感興趣的利益相關(guān)者和監(jiān)管機構(gòu)
污水處理 與產(chǎn)氫設(shè)施共址
挖掘多重收益的改進點
向循環(huán)經(jīng)濟過渡轉(zhuǎn)型
圖. 制氫中心生態(tài)系統(tǒng)的概念圖
制氫藍圖
如下圖所示，澳洲計劃在東西海岸打造7個吉瓦級（GWh）的綠氫項目。此外，各地的污水廠已經(jīng)有實際的項目在測試或運行中。
第一個是例子是悉尼水務的Malabar污水廠，該廠擁有厭氧消化設(shè)施。悉尼水務正在和燃氣管網(wǎng)公司Jenema合作將沼氣升級為生物甲烷，去除的二氧化碳則可出售或與氫氣一起進行甲烷化反應，生產(chǎn)更多的生物甲烷。
該項目金額為1400萬澳元，其中Jemena出資810萬，澳大利亞可再生能源署(ARENA)則提供590萬的資助。項目計劃在2022年9月完成，預計在每年將生產(chǎn) 95TJ 的可再生綠色天然氣，可滿足約6300戶家庭的用氣需求。這相當于5000噸的碳減排量。
此外，該污水廠所屬的新南威爾士州政府為該項目提供額外支持——該州政府推出一項新的認證計劃，為購買零排放燃氣的用戶提供經(jīng)驗證的選擇，以支持天然氣管網(wǎng)的去碳轉(zhuǎn)型，這將為綠氫生產(chǎn)的認證鋪平了道路。
圖. Malabar污水廠
第二個例子是墨爾本的亞拉河谷水務公司(Yarra Valley Water)。他們成功召集了一個團隊在墨爾本北郊的Aurora污水廠開展一個制氫項目。該團隊除了水務公司，還有希望實現(xiàn)碳減排的租戶、希望擴大制氫設(shè)備規(guī)模的技術(shù)供應商，以及尋求去碳化的供氣公司。項目的水源是污水廠多余的再生水，以及附近一個垃圾發(fā)電廠的剩余可再生能源。
該項目為了提高可行性，已經(jīng)積極拓展氫氣的終端用戶，包括為1200輛特殊車輛的車隊提供燃料，包括叉車、公交和卡車等；一個1MW的電力和熱力發(fā)電系統(tǒng)，用于平衡 2.5MW太陽能系統(tǒng)的電力供應；并入天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)。此外，該項目產(chǎn)生的氧氣還將用于污水廠的好氧處理工藝。
這個項目將從小試開始試驗，預計在2023年7月擴大到年產(chǎn)700噸的規(guī)模。屆時將成為污水處理與綠色制氫的共生案例。項目投資成本估計為2300萬澳元，亞拉河谷水務公司仍在尋求50%的資金資助。
圖. 亞拉河谷水務公司的污水處理+綠氫共生愿景
維多利亞州的東北水務公司也在開展污水處理+綠氫共生的項目，該項目位于West Wodonga污水廠，電解槽規(guī)模達10MW。生產(chǎn)的氫氣用于和天然氣混合，最大比例為10%。氧氣則會用于污水廠。這個項目已經(jīng)獲得了3210萬澳元的撥款資助，項目總投資規(guī)模達4400萬，預計在2023年下半年完成。
小結(jié)
總的來說，氫能的發(fā)展對水務行業(yè)來說是一個新的機遇。甲烷和再生水都是能通過成熟技術(shù)得到的原料，但如何將制氫的產(chǎn)品推向市場、制定價格并由此獲利，是污水廠相對陌生的領(lǐng)域。所以，報告的作者認為各水務公司要想找到自己進入氫能領(lǐng)域的最佳入口，還需要因地制宜地走一段探索之路。報告中指出需要利用合作來推動變革，石油和天然氣行業(yè)的公司可能是水務行業(yè)未來的關(guān)鍵合作伙伴，畢竟后者迫切急于去碳化和拓展新市場。
另外北京環(huán)丁環(huán)保大數(shù)據(jù)研究院在2021年10月也曾發(fā)布了一份題為《城市污水處理廠氫能開發(fā)潛力與利用途徑初步研究》的報告，對耦合光伏電及電解水的污水廠制氫潛力進行了研究分析。感興趣的讀者可以對中澳兩地污水廠的制氫前景進行對比。
參考資料
https://www.wsaa.asn.au/news/new-papers-hydrogen-and-climate-change