基于液态有机氢载体（LOHC）的澳大利亚—日本氢气出口技术经济评估：四种载体系统的全链条比较研究

《Energy & Fuels》：Techno-Economic Assessment of LOHC-Based Hydrogen Export from Australia to Japan

　　

摘要专业翻译 本研究开发了一个针对特定走廊的、基于液态有机氢载体（LOHC）的澳大利亚至日本氢气出口技术经济评估框架，并将其应用于四种代表性载体系统：甲苯/甲基环己烷（TOL/MCH）、二苄基甲苯/全氢二苄基甲苯（H0-DBT/H18-DBT）、N-乙基咔唑/全氢-N-乙基咔唑（H0-NEC/H12-NEC）以及苯/环己烷（BZ/CH）。该框架在统一的氢到氢供应链边界内整合了载体特定过程模拟、海上物流、区域成本假设、供热方案和可部署性因素。结果表明，氢气生产是主导成本驱动因素，而载体选择强烈影响可销售氢气产量、脱氢能量需求和不可行性因素。在基准配置下（脱氢热量通过燃烧部分产出的氢气来供应），交付的平准化氢成本（LCH2）范围为16.42至24.99澳元/千克-H2，其中BZ/CH实现最低成本（16.42澳元/千克-H2），而TOL/MCH代表最高成本方案（24.99澳元/千克-H2）。替代的生物质燃烧热源降低了所有载体的LCH2并改变了排名，使TOL/MCH成为第二低成本方案（14.30澳元/千克-H2），而BZ/CH仍为最低成本系统（12.41澳元/千克-H2），H0-NEC/H12-NEC则成为最高成本方案（19.05澳元/千克-H2）。H0-DBT/H18-DBT在成本、技术成熟度、安全性和商业可部署性方面提供了更为均衡的组合。

论文解读

一、研究背景与问题

实现《巴黎协定》气候目标要求对难以减排的行业进行脱碳，绿色氢被日益视为这一转型的关键载体。由于可再生资源与工业需求中心往往在地理上不匹配，氢出口路径对澳大利亚与日本这样的国家组合尤为相关：澳大利亚拥有丰富的可再生资源，而日本能源需求高但国内可再生潜力有限。日本氢战略目标是2030年实现年消费量300万吨，2040年增至1200万吨，2050年达到约2000万吨，其中大部分需要进口。尽管2022年全球氢消费量超过9500万吨，但超过99%来自碳密集型的蒸汽甲烷重整，低排放氢占比不足1%。

传统物理储氢路线面临重要限制：压缩氢气需要极高压力，液化氢气需要约?253°C的低温冷却，且液化能耗和蒸发损失可能消耗大量储存氢能。这些约束使化学载体系统，特别是液态有机氢载体（LOHC），对海上出口走廊尤为重要。LOHC通过可逆加氢和脱氢反应将氢化学键合到有机载体上，在近环境条件下以液态处理，可与现有燃料储存、港口和航运基础设施兼容。

然而，LOHC部署面临的关键挑战是吸热的脱氢步骤，该步骤需要高温热量在目的地释放氢气，直接影响往返效率、可销售氢气产量、设备规模和交付氢成本。以往的技术经济评估（TEA）存在三个重要空白：多数研究仅评估部分载体，难以区分成本优势来自分子性质还是不一致的建模假设；澳日走廊研究主要聚焦载体级经济性或竞争性出口载体，而非统一边界下的LOHC对LOHC比较；BZ/CH常因毒性问题被排除，尽管其高氢容量和低载体成本使其成为确定简单芳香LOHC系统经济上限的重要基准。

二、研究内容与意义

研究人员开发了一个全链条、走廊特定的LOHC氢气出口技术经济模型，将可再生氢生产、载体加氢、码头储存、海上运输、脱氢和氢纯化统一在一致的氢到氢供应链边界内。通过将相同的过程模拟、物流、成本和财务假设应用于所有载体，实现四种化学性质不同的LOHC系统在澳日贸易相关条件下的直接比较。研究结论表明，氢气生产是主导成本驱动因素，载体选择强烈影响可销售氢气产量和脱氢能量需求。在基准配置下，交付LC_H2范围为16.42至24.99澳元/千克-H₂，BZ/CH成本最低而TOL/MCH最高。采用生物质燃烧热源后，所有载体LC_H2均降低且排名改变，BZ/CH仍为最低成本，H₀-NEC/H₁₂-NEC成为最高成本方案。H₀-DBT/H₁₈-DBT在成本、技术成熟度、安全性和商业可部署性方面提供最均衡组合。研究意义在于超越了仅基于成本的排名，为政策制定者和行业利益相关者识别适合大规模澳日氢贸易的LOHC路径提供了更实用的基础。

三、关键技术方法

研究人员采用Aspen Plus v14.0进行过程模拟，使用Peng-Robinson状态方程（PR-EOS）计算所有组分的热物理性质。对于Aspen Plus标准组分数据库缺失的二苄基甲苯（H₀-DBT）和N-乙基咔唑（H₀-NEC），研究人员基于公开文献中经实验验证的数据手动定义其热物理性质。所有四种LOHC系统均采用幂律动力学模型，各系统使用特定的动力学参数、催化剂和操作条件。经济评估采用Class 5因子化方法，设备成本基于质量流量、能量负荷和压力比从文献中按比例缩放，所有财务数据经CEPCI指数调整并换算为2025年澳元。平准化氢成本（LC_H2）按CAPEX与OPEX之和除以年净交付氢量计算。

四、研究结果

4.1 载体物理化学性质比较

四种LOHC系统覆盖广泛的氢储存密度、热操作要求和安全特性。MCH和DBT的氢质量密度均为6.2 wt%，NEC为5.8 wt%，BZ最高达7.2 wt%。体积氢密度方面，NEC最高（65.4 kg-H₂/m³），DBT次之（64.9 kg-H₂/m³），BZ为55.9 kg-H₂/m³，MCH最低（47.4 kg-H₂/m³）。脱氢焓方面，NEC最低（43.2 kJ/mol-H₂），DBT为65.4 kJ/mol-H₂，MCH为68.3 kJ/mol-H₂，BZ为68.6 kJ/mol-H₂。安全性方面，DBT具有不燃、低毒性的优异安全特性，MCH易燃有毒，NEC为刺激性和固态，BZ为致癌物。

4.2 过程模拟与系统边界

供应链模型涵盖澳大利亚出口码头的碱性电解槽制氢、催化加氢、储存、海上运输、日本进口码头的脱氢、氢纯化以及再生载体在日本的一次性销售。碱性电解槽设计为日产156吨H₂，总功率输入365 MW，系统效率70%。海上运输采用16节巡航速度，航程9241公里，总循环时间约30天。脱氢后的粗氢流经变压吸附（PSA）纯化，氢纯度超过99.97%，满足质子交换膜（PEM）燃料电池应用要求。

4.3 基准配置下的LC_H2结果

在脱氢热量由燃烧部分产出氢气提供的基准配置下，四种载体的交付LC_H2范围为16.42至24.99澳元/千克-H₂。BZ/CH实现最低成本（16.42澳元/千克-H₂），TOL/MCH为最高成本方案（24.99澳元/千克-H₂）。氢气生产成本是主导成本驱动因素，而载体选择通过影响可销售氢气产量和脱氢能量需求显著影响最终交付成本。

4.4 生物质燃烧热源替代方案

采用棕榈仁壳（PKS）生物质燃烧作为替代热源后，所有载体的LC_H2均降低，且排名发生变化。TOL/MCH成为第二低成本方案（14.30澳元/千克-H₂），BZ/CH仍为最低成本系统（12.41澳元/千克-H₂），而H₀-NEC/H₁₂-NEC成为最高成本方案（19.05澳元/千克-H₂）。这一结果表明脱氢热源选择对载体排名有显著影响。

4.5 灵敏度分析

研究人员对两种热源场景进行了灵敏度分析，评估不同过程配置下结果的稳健性。分析结果进一步验证了热源选择对载体经济性排名的重要影响。

五、讨论与结论

研究讨论部分指出，成本竞争力仅是载体适用性的一个维度。BZ/CH虽然成本最低，但其苯的致癌性和高毒性带来严格的监管和处理约束，可能限制其商业可行性。TOL/MCH虽然成本较高，但具有商业成熟度和已建立的供应链。H₀-DBT/H₁₈-DBT提供了成本、技术成熟度、安全性和商业可部署性的最均衡组合，特别适合大规模洲际海上供应链。H₀-NEC/H₁₂-NEC虽然脱氢温度最低、热力学优势明显，但固态特性和高合成成本制约其实际部署。

研究结论翻译如下：本研究通过统一的技术经济框架，对四种LOHC系统在澳日走廊的氢气出口进行了全链条比较评估。结果表明，氢气生产是主导成本驱动因素，而脱氢热源选择对载体排名有决定性影响。在基准配置下，BZ/CH成本最低（16.42澳元/千克-H₂），TOL/MCH最高（24.99澳元/千克-H₂）；采用生物质热源后，BZ/CH仍为最低（12.41澳元/千克-H₂），H₀-NEC/H₁₂-NEC成为最高（19.05澳元/千克-H₂）。综合成本、技术成熟度、安全性和可部署性，H₀-DBT/H₁₈-DBT被认为是澳日大规模氢贸易最具可信度的LOHC路径。