《International Journal of Hydrogen Energy》：Integrated thermal management system and improved DDPG-based electric-thermal collaborative control strategy for a fuel cell hybrid truck
编辑推荐：
Al–Cl电热化学循环利用废铝生产氢气及铝，评估了电网、风电、核能及光伏四种能源驱动的经济性。光伏系统LCOH最低（1.04美元/千克），其次为核能（1.79美元/千克），并验证了废铝资源化对低碳技术及循环经济的贡献。
Vinay Yadav | Farrukh Khalid
高级清洁能源系统（ACES）实验室，印度古瓦哈提理工学院能源科学与工程学院，781039，印度
摘要
本研究对一种以废铝为原料的Al–Cl电热化学循环进行了全面的技术经济评估。该系统由四种不同的能源（电网、风能、核能和光伏）驱动，能够持续生产1000公斤/天的氢气，并同时生成氧气和铝。电网、风能和核能驱动系统的总资本投资估计为1019万美元，而光伏驱动系统的资本投资则为1321万美元。此外，光伏驱动系统的运营成本（OPEX）最低，为522万美元。光伏驱动系统的最低生命周期成本（LCOH）为每公斤1.04美元。核能驱动系统的次优LCOH为每公斤1.79美元。敏感性分析表明，当系统仅连接光伏时，资本支出（CAPEX）和运营成本增加25%会导致LCOH上升至1.31美元。此外，利用废铝生产氢气不仅具有环境效益，还具有成本优势，同时有助于实现循环经济目标。可再生能源驱动的氢气生产装置与废物利用的结合为低成本氢气生产提供了有前景的途径。
引言
快速部署净零技术对于限制全球温室气体（GHG）排放和阻止进一步全球变暖至关重要。虽然可再生能源的扩展可以有效地减少建筑、乘用车和低温供暖等领域的排放，但在钢铁制造、水泥生产、长途运输和海上运输等难以脱碳的领域仍需要更可持续的燃料[1,2]。氢气被认为是这些领域的可行解决方案。国际能源署（IEA）报告称，2024年全球氢气产量已接近1亿吨；然而，其中不到1%是通过低排放技术生产的。根据IEA的预测，到2030年，低排放技术生产的氢气年产量可达到3700万吨[3]。
要实现这一生产规模，氢气需要以经济高效且低排放的方式生产。然而，这面临重大挑战，因为目前全球98%的氢气是通过不捕获温室气体的化石基方法生产的。另一方面，水分解方法需要大量的电能，从而导致较高的生产成本。目前有多种氢气生产技术正在研究和开发中，如热化学循环[4]、混合热化学循环、电解[5]、氨重整[6]、等离子体重整[7-15]以及基于铝的技术[4-15]。然而，这些技术在能源效率、可持续性和经济性方面都存在若干挑战。其中，热化学循环和混合热化学循环在效率和经济效益方面表现突出。此外，对于热化学循环来说，唯一的副产品是氧气，这使得该技术成为一种可持续的氢气生产方式。
热化学循环利用热能来驱动水分解过程。这种热量可以来自可再生和非可再生来源，利用低品位热能具有显著的成本降低潜力[16]。其主要优势在于无需将热能转换为电能。然而，直接的热水分解需要极高的操作温度，通常超过2000 K，在某些情况下甚至超过4700 K，这带来了重大的工程和技术挑战[16]。化学循环和混合热化学循环为克服纯热化学水分解过程的高温限制提供了有前景的方法。尽管如此，这些循环通常仍需要超过1000 K的操作温度。这些温度可以通过可再生能源、工业废热和核能等不同来源可持续地提供[17,18]。
混合循环系统包含一个电化学步骤，该步骤需要少量的电能来电解中间化合物，从而使它们能够在中等至低温下运行[19]。这些混合循环比传统的水电解消耗更少的电能，被认为是生产无碳氢气的更高效和更具成本效益的方法。然而，由于缺乏示范设施、经济限制以及过程的复杂性，它们的大规模应用受到限制[16]。
Naterer等人[20]报告称，文献中提出了超过200种热化学循环，但只有少数从理论分析进展到实验验证。其中最著名的是硫碘（S–I）、混合硫碘、铜氯（Cu–Cl）、铈氯（Ce–Cl）、铁氯（Fe–Cl）和钒氯（V–Cl）循环。这些循环中的大多数需要超过800°C的热输入。Cu–Cl循环因其较低的操作温度（约530°C或更低）、能够回收和利用低品位废热以提高整体效率以及使用相对低成本的建筑材料而脱颖而出。Ghorbani等人[21]评估了各种热化学循环用于氢气生产的效率、成本和环境影响。他们的分析确定Cu–Cl、Mg–Cl、S–I和HyS循环是与第四代核反应堆集成最有前途的选择。Cu–Cl、Mg–Cl、S–I和HyS循环的能源效率分别约为32-59%、30-64%、15-60%和35-49%。此外，Cu–Cl循环的氢气生产成本估计为每公斤1.28-15.56美元，S–I循环为每公斤2.25-11美元，HyS循环为每公斤2.97-9.98美元。在先前的研究中，分别对三步、四步和五步Cu–Cl热化学循环进行了广泛研究。参考文献[22]报道了一种用于同时发电和产氢的混合系统的能量经济分析。该系统结合了抛物面槽式集热器、熔融碳酸盐燃料电池和三步Cu–Cl循环。结果表明，该系统的年总发电量和整体效率分别约为603 GWh和47%。所产生的氢气几乎满足了燃料电池3%的氢气需求，其平准化成本（LCOH）为每公斤1欧元。参考文献[23]对三步、四步和五步Cu–Cl循环进行了全面的能量经济评估，每个循环的氢气生产能力为668公斤/小时。研究显示，四步Cu–Cl循环的氢气生产成本最低，为每公斤1.82美元，总资本投资为270万美元。此外，还基于能量效率和单位能量需求的产品成本，对一种混合太阳能驱动的氢气生产系统进行了建模和优化[24]。所提出的配置包括太阳能、燃气轮机、基于相变材料的热能储存、四步Cu–Cl循环、再生蒸汽朗肯循环和热回收装置。该系统的LCOH为每公斤1.63美元。另外，另一项研究[25]报道了一种独立的太阳能热化学氢气生产装置，其整体热效率为29.18%，LCOH为每公斤7.58美元。在另一项研究[26]中，分析了结合有机朗肯循环的集成四步Cu–Cl循环，用于多种能源（包括太阳能、核能和地热能）的发电。LCOH根据能源来源的不同，范围在每公斤3.59美元到19.08美元之间。
尽管热化学水分解循环在氢气生产方面具有巨大的潜力和经济竞争力，但基于铝的循环在文献中仍然较少。Tarique等人[27]的研究报告了一种三步铝氯（Al–Cl）循环的理论分析，其能源效率和能量效率分别为79.6%和62.9%。然而，他们的初步研究仅考虑了不同步骤中释放和所需的能量。同样，Yadav和Khalid[28]使用HSC化学软件分析了不同循环温度下的Al–Cl循环。他们考虑了完成循环所需的所有组件，如分离器、热交换器和加热器。研究在923 K下报告的最大能源效率和能量效率分别为44.7%和48.3%。为了从经济角度评估Al–Cl循环，本研究评估了由不同能源（如风能、电网、光伏和核能）驱动的Al–Cl循环产生的氢气的平准化成本。
背景
图1显示了用于氢气生产的Al–Cl电热化学循环的框图。如图所示，该循环包括三个步骤，需要三个不同的反应器：（i）流化床反应器（FBR），（ii）熔盐反应器（MSR），（iii）逆Deacon反应器（RDR）。之前的研究对Al–Cl循环进行了热力学建模，报告称该循环在923 K时可以达到44.7%的最大能源效率和48.3%的能量效率。
方法论
进行了技术经济分析（TEA），以评估从废铝中生产氢气和纯铝的经济可行性。分析整合了技术参数（如转化率、工厂容量）和经济参数（包括资本、运营和维护成本）。总体目标是确定氢气的平准化成本（LCOH），即回收所有项目成本所需的最低氢气售价。
过程模型
Al–Cl循环的材料和能量平衡，以每天生产1000公斤氢气为基准。该过程基于在流化床反应器中使用9000公斤废铝，然后进行熔盐电解和逆Deacon反应。实验确定的第一个步骤的实际转化率为87%。在250°C的温度和大气压力下，当HCl入口流速为0.1升/分钟时，转化率达到最大值。
结论
本研究提出了一种基于Al–Cl电热化学循环的氢气和铝生产方法，并评估了设计用于每天生产1000公斤氢的大规模工厂的技术经济性能。该系统由四种不同的能源驱动，包括电网、风能、核能和光伏。经济评估表明，当系统由光伏驱动时，可以实现最低的LCOH，为每公斤1.04美元。
CRediT作者贡献声明
Vinay Yadav：撰写——原始草稿、验证、软件、方法论、调查、正式分析。Farrukh Khalid：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明没有竞争性财务利益。
