《International Journal of Hydrogen Energy》：Techno-economic assessment of stationary hydrogen production via aluminum hydrolysis: a case study on laminated plastics waste treatment
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从层压塑料废料提取铝用于水反应制氢的技术经济分析显示，中位氢气成本9.17�/kg，范围5.59-12.99�/kg，受规模、磨料能耗影响显著，需依托现有回收体系及余热利用。
罗宾逊·阿泽马（Robinson Azéma）|阿克塞尔·布里安（Axel Briand）|玛丽·拉马尔（Marie Lamard）|布鲁诺·奥维蒂（Bruno Auvity）
法国卢瓦尔河地区（Pays de la Loire）CEA公司，布盖奈（Bouguenais），F-44340
摘要 铝与水的反应为氢气的生产提供了一条潜在的清洁途径，因为铝可以水解生成氢气和氢氧化铝。然而，从矿石中提取铝来生产氢气在能源、经济和环境方面都是不可持续的。只有无法回收的铝废料才应被考虑，以避免增加对原铝的需求。本研究旨在评估从层压塑料废料中提取铝来生产氢气的技经可行性。氢气的平准化成本范围为5.59欧元/千克氢（大规模、低研磨能量）至12.99欧元/千克氢（小规模、高研磨能量），在中等情景下，年处理量在500至50,000吨层压塑料废料的情况下，成本为6.90至11.42欧元/千克氢。这些成本与电网电解相当，但需要具备有利的部署条件，包括完善的废料回收基础设施、与氢气用户和热能客户的邻近布局以及低研磨能量消耗。这项全面的技术经济分析揭示了利用铝废料进行氢气生产的经济潜力及关键推动因素。
引言 全球对可持续和清洁能源的追求加剧了人们对氢气作为零排放燃料的兴趣，尤其是在交通、能源存储和工业应用方面[1,2]。在各种氢气生成方法中，铝与水的反应（见方程式（1）——铝水反应（AWR），也称为铝水解，由于铝具有高能量密度、天然丰富性和可回收性，已成为一种潜在的氢气生产途径[[2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]]。
Al l + 3 H 2 O = A l ( O H ) 3 + 1.5 H 2 2 O3 ），这层氧化铝会起到钝化作用，阻止铝水反应的发生[12]。如果这层氧化铝受损，它在接触氧气后会重新生成。因此，为了启动和维持铝水解反应，必须破坏氧化层的形成。可以通过多种方法激活铝。例如，可以将铝暴露在液态金属合金（如镓-铟合金）中，这些合金可以穿透并破坏氧化钝化层，从而在低温下实现铝水解；也可以使用苛性试剂（如氢氧化钾或氢氧化钠）溶解氧化层；或者通过特定的热力学条件[8,11]，或使用腐蚀性物质（如氯化钠和氧化钙）[6,8,10], [[12], [13], [14]]来实现铝的激活。为了提高产率和反应速率，还需要最大化铝与水之间的接触面积。这可以通过将铝研磨成直径在5到50微米之间的细粉来实现，以保持80%以上的反应效率[10]。值得注意的是，过度研磨可能会产生反效果，导致反应速率下降[15]。机械研磨也有助于部分破坏钝化层。
此外，氢氧化铝可以通过煅烧转化为氧化铝，而氧化铝又可以通过霍尔-埃鲁法（Hall-Héroult process）重新转化为铝，从而实现铝的循环利用。最后，铝水反应（AWR）是放热反应，可以通过联产、直接热利用或出售热量来加以利用[16]。
因此，铝水解可以应用于多种领域，从按需生产氢气用于交通工具[9]，到能源生产和废物利用[7,14], [[17], [18], [19], [20], [21], [22], [23]]。本研究重点关注后者。
仅为了直接生产氢气而提取铝，在能源、经济和环境方面都是不可取的。将铝土矿转化为铝的过程能耗极高（13.2千瓦时/千克），成本高昂（2,500欧元/吨），且碳排放量大（11.03千克二氧化碳当量/千克），这使得潜在的氢气生产变得不具可行性。二次铝的能耗和碳排放量要低得多（仅为原铝的5%），但从回收流中分离出二次铝最终会导致更多原铝的生产，从而回到最初的问题[24]。因此，只有那些无法通过标准方法回收的铝才可能成为不会带来能源成本和碳排放问题的氢气来源。
有多种符合这些要求的废料来源已被研究作为潜在的氢气生产来源，包括炉渣、固体废物焚烧底灰、工业铝屑、铝箔废料和层压塑料废料（LPW）[17,19], [[21], [22], [23]], [25]。
必须认识到，要实现既环保又经济可行的氢气生产，很可能需要使用无法回收的铝废料作为原料。因此，大规模实施从铝废料中生产氢气的经济可行性值得关注，需要进行技经分析和成本效益分析，以便做出明智的生产决策。
本研究旨在评估通过层压塑料废料（LPW）中的铝进行水解生产氢气的技术和经济潜力，并指出其局限性或潜在前景。虽然对这一过程进行严格的生命周期分析（LCA）对于评估其环境影响是必要的，但这并非本研究的主要目的，本研究仅限于技术经济框架的分析。
层压塑料是通过将多层塑料薄膜或板材粘合在一起制成的材料，以提高强度、耐用性和抗湿性或化学物质的性能。这些层压材料通常包含一层薄薄的铝，这层铝增加了对光、氧气和热的防护性能。层压塑料废料的回收利用是一个研究课题，相关的研究文献很多[[26], [27], [28], [30], [31]]。因此，本研究将层压塑料废料作为潜在的铝来源。虽然由于包装的层压结构，机械分离这些材料是不可行的，但可以通过热解来提取铝。这一过程还可以回收塑料油、不可凝气体和炭[31]。
本研究假设所产生的氢气将直接在现场使用，无需压缩和运输。铝通过与氧化钙和氯化钠研磨后被激活，生成平均粒径为10微米的细粉。所选的成分——65%的铝、25%的氧化钙和10%的氯化钠——被证明能提供最高的氢气产率[12]。选择氧化钙和氯化钠作为激活剂主要是为了降低氢气生产的成本。这些激活剂比文献中测试的其他试剂（如镓-铟合金）更便宜[9]。
这种研磨过程能耗较高，可能会显著影响生产成本。然而，关于铝研磨能耗的公开数据很少，而且在讨论铝水反应（AWR）的潜在局限性时，这一因素常常被忽视[15]。因此，这是一个需要进一步研究的灰色领域，本文将进行专门的敏感性分析，以评估其对全球工厂能耗的影响。到目前为止，对铝水反应（AWR）的成本估算仅限于原材料的价格[9,32]。这些估算掩盖了AWR实际的成本和技术限制。
本文的结构如下：第2节介绍了材料和方法，包括选定的原材料、氢气生产过程、预期的生产情景和成本估算方法。第3节展示了主要结果，首先是基础情景下的结果，然后是比较不同情景的结果，接着是对两个关键参数（试剂成本和副产品利用）的敏感性分析，以及与现有文献数据的对比。第4节对研究的主要发现进行了全面讨论。
部分内容摘录 通过热解提取铝 铝塑复合包装广泛用于食品、饮料、宠物食品、牙膏或化妆品包装。在本文中，它们被称为层压包装、层压塑料废料或简称LPW。这类包装至少由两层材料组成，这些层材料永久结合在一起，无法通过机械方法分离。平均而言，铝占其重量的9%[26]。由于设计原因，它们的密度较低
以每年处理2,000吨LPW为例 氢气的平准化成本（LCOH）的中位数为9.17欧元/千克，最低估计值为7.86欧元/千克，最高估计值为10.74欧元/千克。如材料和方法部分所述，最低估计值基于每吨100千瓦时的研磨能耗，而最高估计值基于每吨1,000千瓦时的能耗。在中等情景下，采用了每吨600千瓦时的能耗值。生产成本详见图4。这些数值与商业绿氢的生产成本处于同一数量级
讨论 尽管如结果部分所述，成本数字可能具有竞争力，但目前的氢气生产框架依赖于许多假设，包括：LPW回收系统的实施；热解废物处理厂的运营和经济可行性；足够低的碳足迹；足够的回收废物激励措施；以及假设LPW中的铝无法在其他地方获得更高的收益；地点选择等
结论 本研究评估了通过从LPW中提取的铝进行水解生产氢气的技术和经济潜力。LPW代表了一种不可回收铝的来源，可以通过热解回收，并随后通过与氧化钙和氯化钠研磨来激活，从而生产氢气。
研究结果表明，对于每年处理2,000吨LPW的参考情景，氢气的平准化成本（LCOH）为9.17欧元/千克。生产成本主要由试剂成本决定
作者贡献声明 罗宾逊·阿泽马（Robinson Azéma）： 撰写——初稿、方法论、调查、正式分析。阿克塞尔·布里安（Axel Briand）： 撰写——审稿与编辑、方法论、调查、概念化。玛丽·拉马尔（Marie Lamard）： 撰写——审稿与编辑、监督、概念化。布鲁诺·奥维蒂（Bruno Auvity）： 撰写——审稿与编辑、监督、概念化。
利益冲突声明 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：作者获得了卢瓦尔河地区（Pays de la Loire Region）的财政支持。
