《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Integrated modeling of renewable hydrogen for ceramic kiln Decarbonization: Techno-Economic assessment and electrolyzer technology comparison
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本研究将Aspen Custom Modeler与Aspen Plus?相结合，建立了可再生氢气生产与陶瓷窑炉运行的集成模型。在相同的工业氢气需求场景下，对质子交换膜电解（PEM）和碱性电解（AEL）两种电解槽技术进行了对比分析。研究表明，20 vol%的氢气
本研究将Aspen Custom Modeler与Aspen Plus?相结合，建立了可再生氢气生产与陶瓷窑炉运行的集成模型。在相同的工业氢气需求场景下，对质子交换膜电解（PEM）和碱性电解（AEL）两种电解槽技术进行了对比分析。研究表明，20 vol%的氢气掺混可使窑炉直接CO?排放减少约7%，但燃料流量增加约16%。在稳态假设条件下，采用光伏-电池-储氢混合配置时，平准化氢气成本（LCOH）约为8.11 �/kg H?。此外，氧气回用可将窑炉热效率从60%提升至约61.5%，并改善氢气经济性。
一、研究背景与现存问题
工业脱碳是能源转型中最关键的挑战之一，尤其对于依赖高温过程的难以减排行业。陶瓷制造业是全球温室气体排放的重要来源，年排放量超过400 Mt CO?，其中欧盟约占19 Mt CO?。该行业的能源结构高度依赖天然气，占热需求的85%-90%，而电力主要用于辅助工艺。窑炉烧成阶段是能耗和直接温室气体排放的主要贡献者，占整个工厂热需求的一半左右，典型烧成温度在1150-1250 °C之间。由于现有电气化方案在技术和经济条件上面临困难，低碳燃料替代被视为一种可行的过渡路径。氢气因其在使用现场零直接CO?排放以及与可再生电力通过水电解耦合的兼容性，被广泛认为是工业脱碳的理想能源载体。然而，氢气掺混会显著改变燃料特性、火焰行为、传热特性和污染物形成机制，这对需要严格温度均匀性和可控热条件的陶瓷窑炉提出了重要技术挑战。现有研究通常分别处理氢气生产路径、燃烧效应和系统级工艺影响，缺乏将这些要素整合在一个统一建模框架内的综合评估。因此，本研究旨在填补这一空白，通过耦合电化学电解槽建模与工厂级过程模拟，实现对PEM和AEL技术的直接比较，并评估不同氢气供应架构对陶瓷窑炉性能和经济效益的影响。该论文发表于《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》。
二、关键技术方法
研究人员采用了以下主要技术方法：
- 1.
在Aspen Custom Modeler中建立基于物理学的质子交换膜电解（PEM）模型，并通过实验文献数据验证。
- 2.
建立半经验的碱性电解（AEL）模型，并与PEM模型在一致条件下进行比较。
- 3.
利用Aspen Plus?进行工厂级过程模拟，分析基准陶瓷窑炉在20 vol%氢气掺混下的运行情况。
- 4.
评估四种能量供应配置，包括光伏-电池-储氢混合系统。
- 5.
分析燃料性质变化、燃烧相关指标、氢气压缩与储存以及氧气价值化。
三、研究结果
3.1 氢气掺混对窑炉性能的影响
研究人员通过Aspen Plus?模拟发现，20 vol%氢气掺混使窑炉直接CO?排放减少约7%，但由于氢气的低体积能量密度，燃料总流量增加约16%。窑炉热效率从纯天然气的60%略有下降，但通过氧气回用可恢复至约61.5%。
3.2 PEM与AEL电解槽技术对比
在相同工业氢气需求场景下，PEM电解槽表现出更高的电流密度和更快的动态响应能力，适合与波动性可再生能源集成。AEL电解槽则展现出更低的资本成本和更长的使用寿命，但在可变功率条件下的灵活性较差。
3.3 能量供应配置的经济性评估
在稳态假设条件下，采用光伏-电池-储氢混合配置时，平准化氢气成本（LCOH）约为8.11 �/kg H?。研究人员评估了四种配置方案，结果表明氢气成本强烈依赖于可再生能源资源可用性、基础设施配置以及存储和运输要求。
3.4 氧气回用的效益
电解过程中产生的副产物氧气被回用于窑炉燃烧，可将窑炉热效率从60%提升至约61.5%。这一改进不仅提高了整体能源效率，还改善了氢气生产的经济性，因为氧气作为有价值的副产品得到了利用。
四、讨论与结论
研究人员指出，陶瓷窑炉的脱碳不能仅从燃料替代角度评估，而需要综合考虑氢气生产路径、燃烧相关效应和系统级工艺影响。研究结果表明，氢气掺混虽然能有效减少直接CO?排放，但需谨慎管理燃料流量增加和热效率变化带来的影响。氧气回用策略被证明是一种有效的协同优化手段，能够同时提升热效率和氢气经济性。在电解槽技术选择方面，PEM更适合与间歇性可再生能源集成，而AEL则在稳定供电条件下更具成本优势。研究人员强调，未来研究应进一步考虑动态运行条件和实际工业部署中的非理想因素，以验证这些发现在真实环境中的适用性。
研究结论翻译：本研究通过耦合电化学电解槽建模与工厂级过程模拟，建立了可再生氢气生产与陶瓷窑炉脱碳的集成评估框架。在20 vol%氢气掺混条件下，直接窑炉CO?排放可减少约7%，但燃料流量增加约16%。混合光伏-电池-储氢配置下的平准化氢气成本约为8.11 �/kg H?，而氧气回用可将窑炉效率从60%提升至约61.5%。这些发现表明，电解槽技术选择、氢气供应架构与窑炉侧操作效应的协同优化是实现陶瓷行业经济可行脱碳的关键。
