使用1,4-丁二醇（BDO）/γ-丁内酯（GBL）作为固定备用电源系统的氢储能技术经济分析

《International Journal of Hydrogen Energy》：Technoeconomic analysis of hydrogen storage using 1,4-butanediol (BDO)/γ-butyrolactone (GBL) as a stationary backup power system

液态有机氢载体（LOHC）BDO/GBL系统在10MW备用电源应用中，液相加氢与气相脱氢的LCOS最低达$4.58/kg H2，优于压缩气体（$8.48-12.05）和MCH/TOL系统（$6.97）。但副产物形成导致额外$6-11/kg H2成本增量，凸显高选择性催化剂的必要性。

　　

Jocelyn Shyong | Mark Bowden | Tom Autrey | Syed Saqline | Hanna Breunig

美国华盛顿州里奇兰市太平洋西北国家实验室，邮编99354

摘要

液态有机氢载体（LOHCs）是一种能够以高密度稳定形式储存和释放氢的化合物。虽然像甲醇和氨这样的单向载体受到了关注，但它们的经济优势通常体现在作为出口产品或直接用作燃料时。而那些可以循环利用进行能量储存的液态载体材料，在固定电源应用中具有很大的潜力。特别是1,4-丁二醇（BDO，富氢）和γ-丁内酯（GBL，贫氢）这种可逆的LOHC系统，其脱氢焓低于传统的环状烃，并且可以使用非贵金属铜基催化剂。在这项研究中，针对10兆瓦备用电源应用（相当于二级数据中心的规模以及其他关键基础设施如医院的需求），对BDO/GBL系统的资本和运营成本进行了分析，这些成本与两种现有技术进行了对比：一种是成熟的甲基环己烷/甲苯载体系统，另一种是压缩气体储存技术。研究发现，在不产生副产品的条件下，液相氢化与液相脱氢结合使用时，BDO/GBL系统的总成本最低，为4.58美元/千克氢。然而，由于副产品的产生导致载体更换成本上升（增加了6-11美元/千克氢），这凸显了开发高选择性催化剂以确保BDO/GBL载体可行性的必要性。

引言

从各种资源中产生的氢可以作为能源载体或原料，应用于许多领域，从关键基础设施的紧急备用电源到大规模工业过程中的化学还原剂[[1], [2], [3]]。氢的储存是将氢生产与氢利用相结合的关键，使得氢供应能够在时间和空间上更经济地满足需求。

目前使用压缩氢气或低温液化氢的储存方法存在体积储存密度低、更换和资本成本高、压缩及液化过程中能量消耗大以及气体损失等问题。相比之下，液态有机氢载体（LOHCs）是一类通过化学键储存氢的材料。LOHCs分为两大类：单向载体（例如氨、甲酸和甲醇），其中氢被化学固定在合适的分子上；以及循环或双向载体（例如甲基环己烷（MCH）、全氢二苯甲苯（H18-DBT）和1,4-丁二醇（BDO），这些载体在释放氢后可以再生。与物理储存方法相比，LOHCs的一般优势包括：(i) 储存氢的体积和重量密度更高；(ii) 在常温常压下具有稳定性；(iii) 与现有的石油化工基础设施兼容，便于材料储存和运输。

先前的分析表明，某些LOHCs在特定大规模应用中（如长距离储存和运输[4,5]或季节性能源储存[6]）可以与物理氢储存方法具有成本竞争力。然而，每种LOHC系统都必须单独评估，因为其工艺能源效率和成本驱动因素因独特的热力学性质和反应动力学而大不相同[4,[7], [8], [9]]。

具有商业价值的LOHCs，如以甲苯（TOL）为贫氢形式的MCH和以二苯甲苯（H0-DBT）为贫氢形式的H18-DBT，虽然脱氢焓较高且反应温度较高，从而导致能源效率降低和工艺热交换设备成本增加[7,[10], [11], [12]]。鉴于这些挑战，一些作者之前的研究集中在那些氢释放焓较低且脱氢反应温度较低的载体上[[13], [14], [15]]。

富氢的BDO和贫氢的γ-丁内酯（GBL）就是这样一对双向载体，它们的热力学性质在表1中进行了总结。BDO/GBL组合的其他优点包括沸点较高，便于分离产物氢；并且其体积能量密度（对于富氢形式）与MCH/TOL等载体相当。与用于其他LOHC系统的镍或铂族金属催化剂相比，BDO的氢化和GBL的脱氢反应可以使用成本更低的、地球上丰富的铜基催化剂[16]。此外，BDO是一种全球年产量超过360万吨的广泛可获得的化工产品，也可以通过直接发酵糖类或转化生物基琥珀酸和生物乙醇前体来生产[17,18]。

以往的研究主要集中在BDO/GBL的脱氢和氢化反应动力学[21], [22], [23], [24]或工艺能源效率[13]上，而没有考虑设计和成本因素，而这些因素对于确保载体的可行性至关重要。在本研究中，为10兆瓦固定电源应用的BDO/GBL载体组合建立了基准成本。在一系列操作条件下，对气相和液相氢化及脱氢过程进行了建模，以确定导致最低总成本的工艺优化方案。成本与MCH/TOL载体系统以及为相同用户规模和循环周期建模的压缩气体氢储存技术进行了对比。

系统设计基础和系统边界

本研究中使用的备用电源系统设计基础在Peng等人的研究中有所描述，并在表2中进行了总结。在模拟的备用电源场景中，假设燃料电池效率为50%，储存了足够的富氢载体能量，以满足4天内的10兆瓦需求[26]，这符合当前柴油备用电源系统的要求[27]。由于氢化过程的不可预测性，假设氢化过程在较短的2天内完成。

技术经济分析

氢化和脱氢过程可以在气相或液相中进行。在表4中列出的操作条件范围内，评估了三类工艺配置。

1.

案例1：气相氢化，气相脱氢

• 该案例的敏感性分析探讨了气相氢化条件对系统成本的影响。脱氢操作条件保持不变。

2.

案例2：液相氢化，气相脱氢

• 敏感性分析

主要结论

对于10兆瓦备用电源应用而言，BDO/GBL系统的分析表明，对于上游氢化过程来说，相的选择更为关键，原因包括反应速率较慢、转化不完全以及充电时间较短。在没有副产品产生的情况下，液相氢化相比气相氢化具有明显的成本优势。降低总成本需要限制驱动成本的稀释剂流量（在本例中为氢化过程）。

CRediT作者贡献声明

Jocelyn Shyong：撰写——初稿撰写、可视化、方法论设计、调查、数据分析、概念构思。Mark Bowden：撰写——审稿与编辑、验证、概念构思。Tom Autrey：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。Syed Saqline：撰写——审稿与编辑、方法论设计、调查。Hanna Breunig：撰写——审稿与编辑、方法论设计。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢氢材料-高级研究联盟（HyMARC）的支持，该联盟是美国能源部能源效率与可再生能源办公室氢能和燃料电池技术办公室下属的能源材料网络的一部分。太平洋西北国家实验室由Battelle公司为美国能源部运营，合同编号为DE-AC05-76RL01830。劳伦斯伯克利国家实验室由加利福尼亚大学运营。