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美國能源部發(fā)布最新版氫計劃

發(fā)布時間：2024-12-26 16:07
作者：卡車技術(shù)前線
2024年12月20日卡車技術(shù)前線公眾號消息，美國能源部公布最新氫計劃（Hydrogen Program Plan），該計劃整合了多個能源部辦公室的新投入，并為清潔氫創(chuàng)新提供了戰(zhàn)略框架。
此前，幾個聯(lián)邦機(jī)構(gòu)在2023年制定了美國國家清潔氫戰(zhàn)略和路線圖（U.S. National Clean Hydrogen Strategy and Roadmap），這是一個全面的全國性框架，旨在加快清潔氫的生產(chǎn)、加工、交付、儲存和使用。這份2024年氫氣計劃更新解釋了美國能源部辦公室如何協(xié)同工作，有效實施戰(zhàn)略和路線圖中概述的戰(zhàn)略。
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美國能源部（DOE）宣布了其更新的氫氣計劃，這是推進(jìn)清潔氫氣技術(shù)研究、開發(fā)、示范和部署（RDD&D）的基礎(chǔ)資源。氫能項目計劃明確確定并闡明了美國能源部氫能項目的戰(zhàn)略性、高影響力的重點領(lǐng)域，這是一項涉及多個氫能相關(guān)辦公室的協(xié)調(diào)一致的努力。    
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Conceptual H2@Scale energy system


該計劃提供了一個戰(zhàn)略框架，整合了各政府部門、機(jī)構(gòu)的研發(fā)工作，以推進(jìn)氫氣的生產(chǎn)、運輸、儲存和使用。
能源部氫能計劃是推進(jìn)清潔氫技術(shù)研究、開發(fā)、示范和部署（RDD&D）的基礎(chǔ)資源。
2024年氫氣計劃更新解釋了美國能源部辦公室如何協(xié)同工作，有效實施戰(zhàn)略和路線圖中概述的戰(zhàn)略。這個新版本還包括更新的支持?jǐn)?shù)據(jù)和分析、區(qū)域清潔氫中心的描述、通過Hydrogen Shot?建立的能源部雄心勃勃的目標(biāo)的信息，以及能源部為建立強(qiáng)大的勞動力、最大限度地提高技術(shù)效率和加速向氫經(jīng)濟(jì)過渡的創(chuàng)新所做努力的例子。

能源部氫能計劃  

能源部氫能計劃概述了美國能源部（DOE）氫能計劃的戰(zhàn)略性高級別重點領(lǐng)域。
該計劃描述了美國能源部各辦公室如何合作執(zhí)行美國國家清潔氫戰(zhàn)略和路線圖，該路線圖提出了全政府清潔氫的方法。    
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圖ES-1。美國國家清潔氫戰(zhàn)略和路線圖、能源部氫計劃計劃和能源部辦公室戰(zhàn)略計劃和指導(dǎo)文件之間的關(guān)系
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圖ES-2。美國能源部氫計劃組織結(jié)構(gòu)


通過這份總體文件，讀者將獲得有關(guān)關(guān)鍵RDD&D需求的信息，以便在經(jīng)濟(jì)中大規(guī)模使用氫氣和相關(guān)技術(shù)，如燃料電池和渦輪機(jī)，以及美國能源部各辦公室如何滿足這些需求。    

項目使命 

美國能源部氫氣計劃側(cè)重于通過最終用途進(jìn)行清潔氫氣生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)和開發(fā)，并解決制度和市場障礙，以實現(xiàn)多個應(yīng)用和行業(yè)的采用。
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假設(shè)氫氣以相應(yīng)的閾值成本可用，顯示交通、工業(yè)和電網(wǎng)關(guān)鍵部門潛在清潔氫氣需求估計的情景              
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美國氫氣和天然氣的氫氣生產(chǎn)裝置和管道
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美國截至2024年1月宣布的清潔氫氣生產(chǎn)項目
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美國截至2024年計劃和安裝的電解槽容量
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美國各地與區(qū)域清潔氫中心相關(guān)的地下儲氫機(jī)會，包括可以利用現(xiàn)有天然氣基礎(chǔ)設(shè)施的選擇    

項目戰(zhàn)略 

美國能源部資助研發(fā)工作，為近期、中期和長期生產(chǎn)、交付、儲存和使用來自不同國內(nèi)能源的氫氣提供基礎(chǔ)。
該計劃根據(jù)在市場上與現(xiàn)有技術(shù)和其他新興技術(shù)競爭所需的技術(shù)進(jìn)步，確定了氫氣和相關(guān)技術(shù)的目標(biāo)。
美國能源部氫計劃關(guān)鍵目標(biāo)示例
  • ?清潔氫氣生產(chǎn)每公斤1美元。
  • ?重型運輸分配的氫氣<7美元/公斤。
  • ?燃料電池系統(tǒng)成本為80美元/千瓦，長途重型卡車的耐用性為25000小時。
  • ?電解槽的資本成本為250美元/千瓦，具有80000小時的耐用性和65%的系統(tǒng)效率。
  • ?燃料電池系統(tǒng)成本為1000美元/千瓦，燃料柔性固定式高溫燃料電池的耐久性為80000小時。
  • ?100%氫氣渦輪機(jī)（turbines）的氮氧化物（NOx）排放量為9-ppm，選擇性催化還原為2ppm。

交通運輸 

氫具有在多個部門的不同應(yīng)用中使用的潛力，在這些領(lǐng)域，它可以提供實質(zhì)性的環(huán)境、環(huán)境正義和經(jīng)濟(jì)效益，以及改善能源安全和彈性。
氫和燃料電池是減少交通相關(guān)排放的一系列選擇中的重要組成部分，因為它們可用于難以脫碳的特定應(yīng)用，如長途重型卡車。其他示例包括在工作現(xiàn)場需要能源的中型卡車和超重型應(yīng)用，如越野、鐵路和海洋應(yīng)用，這些應(yīng)用需要大量的車載能源和更長的航程，涉及重載，或者需要比單獨使用電池供電更快的補(bǔ)能時間。隨著減少排放和能源相關(guān)費用的緊迫性增加，存在重大機(jī)遇，因為中型和重型行業(yè)占車輛總量的5%，占交通排放的21%。    
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除了在燃料電池中的用途外，氫氣還可以直接用作內(nèi)燃機(jī)的燃料，或與二氧化碳結(jié)合生產(chǎn)合成燃料，為滿足各種交通應(yīng)用的需求提供了更多方法。這些合成燃料可以允許某些應(yīng)用或地區(qū)繼續(xù)使用內(nèi)燃機(jī)和現(xiàn)有的龐大液體燃料基礎(chǔ)設(shè)施，用于長途商用飛機(jī)等難以脫碳的最終用途。與利用氫氣和二氧化碳的這些途徑類似，氫氣和氮氣可用于生產(chǎn)氨，以用于多種應(yīng)用。
另一種運輸應(yīng)用是叉車和物料搬運行業(yè)；在美國，截至2023年，氫為6萬多輛叉車提供動力，占美國目前使用的叉車總數(shù)的16%。
除了公路車輛，氫和氫載體的機(jī)會也在整個運輸領(lǐng)域出現(xiàn)，包括在海洋應(yīng)用中,氫氣和氫氣運輸船可能是船用燃料的一種有吸引力的替代品。此外，在各種船舶和港口使用氫氣用于拖運卡車、岸電（船舶?？繒r的電力）和貨運設(shè)備，都有可能減少二氧化碳和其他排放，并在目標(biāo)地區(qū)發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施；在某些航空應(yīng)用中，氫氣系統(tǒng)的重量、續(xù)航里程和加油時間比電池等替代方案更具優(yōu)勢；以及非公路運輸，如采礦或其他氫氣可以使車輛在封閉空間內(nèi)零排放運行的應(yīng)用。    

轉(zhuǎn)換 

氫攜帶的能量必須轉(zhuǎn)化為不同的形式，如電和/或熱。這種轉(zhuǎn)換可以通過使用渦輪機(jī)或往復(fù)式發(fā)動機(jī)的燃燒來實現(xiàn)，也可以通過使用燃料電池的電化學(xué)過程來實現(xiàn)。設(shè)計混合能源系統(tǒng)有很多機(jī)會。

燃料電池   

燃料電池可以比內(nèi)燃機(jī)更高效，因為燃料電池中的電化學(xué)反應(yīng)直接發(fā)電，而燃燒必須首先將燃料中的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池的效率已被證明超過60%，當(dāng)燃料電池用于熱電聯(lián)用時，效率可能超過80%。
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燃料電池不需要像電池那樣充電，因此只要提供燃料和空氣，它們就可以長時間運行。在燃料電池中，功率和能量是解耦的，可以獨立調(diào)節(jié)，即對于固定的燃料電池堆，更多的氫氣可以在不改變?nèi)剂想姵爻叽缁蚬β实那闆r下實現(xiàn)更高的能量容量。
燃料電池也很容易擴(kuò)展，因為單個電池可以堆疊在一起以提供廣泛的電力。它們的尺寸范圍從便攜式電源的不到一瓦到重型應(yīng)用的數(shù)百千瓦，再到大型固定電源的許多兆瓦。              
示例：用于長途卡車的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFC）目標(biāo)
  • ?80美元/千瓦的燃料降低了系統(tǒng)成本。
  • ?25000小時耐久性。
           
PEMFC的常見研發(fā)推動力
  • ?降低鉑族金屬催化劑負(fù)載量，提高催化劑活性和耐用性。
  • ?耐高溫、低成本、耐用的膜和離聚物。
  • ?改進(jìn)組件設(shè)計和材料集成，以優(yōu)化膜電極組件的可制造和可擴(kuò)展電極結(jié)構(gòu)。
  • ?先進(jìn)的雙極板、涂層和氣體擴(kuò)散層。
  • ?加速壓力測試，提高對降解機(jī)制和緩解方法的理解。
  • ?改善BOP組件的平衡，包括壓縮機(jī)和電力電子設(shè)備。
  • ?用于多種重型應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化模塊化堆和系統(tǒng)。
  • ?改進(jìn)混動和優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計。

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