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绿氢工业化应用是实现碳中和的必由之路

时间:2022-01-14

氢能的应用主要体现在三个方面:清洁能源、能源载体以及化工原料。氢作为清洁能源可替代化石能源,实现低碳消费,其中交通领域属于氢能的高端消费客户端,商业化推进最快;氢的“能源载体”特性可消纳丰富的可再生能源,并通过储存应用在不同的场景,例如分布式发电,孤岛电源等;氢气作为原料可以生产合成氨,甲醇等,同时也是用途广泛的还原剂。根据预测,要实现2030年碳达峰目标,我国氢气的年需求量将达到3715万吨;在2060年实现碳中和,氢气的年需求量将达到1.3亿吨,其中可再生能源制氢(绿氢)规模有望达到1亿吨。是实现碳中和的关键。工信部、科技部、自然资源部日前联合印发《“十四五”原材料工业发展规划》提出“组织研发富氢碳循环高炉、氢能窑炉、氢基直接还原等技术”,并要求实施氢冶金、非高炉炼铁等低碳冶炼试点项目,开展低碳水泥、氢能窑炉及固碳建材试点,明确了氢在工业减排中的作用。

一、 碳排放痕迹溯源

根据统计数据,我国目前一次能源消费总量约为每年50亿吨标准煤,对应排放二氧化碳100亿吨,其中煤炭、石油、天然气的占比分别为57.7%、18.9%、8.1%,非碳能源的占比仅为15.3%。100亿吨二氧化碳的排放中,热电占比45%,建筑占比5%,交通占比10%,工业占比39%,农业占比1%。热电的主要终端消费者为工业(64.6%)和建筑(28%)。从以上数据可以看出碳排放的痕迹源流:二氧化碳的发端排放源主要为工业、建筑和交通,其中工业占比最大,因此,工业领域氢能应用是实现碳中和的重中之重。

二、 目前我国工业用氢现状

1、制氢端。2019年我国氢气生产中近乎98%为化石能源制氢以及工业副产氢,碳排放较高。根据制氢原料不同构成的氢气来源比重分别为煤制氢占比63.54%,工业副产氢占比21.18%,天然气制氢占比13.76%,电解水制氢占比1.52%。据预测,在双碳目标推动和约束下,可再生能源电解制氢(绿氢)在2050年占比将提高到70%,成为我国未来氢能供给的主力军。这就意味着绿氢发展空间巨大,蕴含着万亿级的产业规模,同样也会催生各种绿氢新技术的产生和突破,经济效益、社会效益显著。

2、用氢端。我国氢能源主要的应用领域为工业领域,化工是氢气最大的需求行业。2019年,我国合成氨和甲醇制取所需氢气分别占32%和27%,炼化与化工占据25%的份额,钢铁冶炼及其余领域所占氢能源份额为16%。数据显示,到2060年,工业领域用氢依旧占氢能应用主导地位,约为7794万吨,占氢总需求量60%;交通运输领域用氢约为4051万吨,占总需求的31%(目前占比不到1%)。工业领域成为“双碳目标”攻关主力军。从目前整个产业的发展看,我国氢能产业规模有限,技术相对比较传统,缺乏低碳、低成本、高纯度、大规模的应用,也没有碳税的约束,因此总体形成了“化石能源制氢”的路径依赖,不利于“双碳目标”的实现。

三、 绿氢是低碳工业的主力

1、绿氢是智慧能源。绿氢是通过下载风电、光伏等可再生能源,通过电解水制取。在所有人工制氢途径中,电解水制氢可以有效消纳风电、光伏发电等不稳定电力,以及其他富余(如核电)波谷电力,因而将贯穿于氢能发展的全过程,是建设“氢能社会”用氢的最主要来源之一。随着电解水制氢技术的不断发展和成本的逐渐降低,电解水制氢将能逐渐满足商业化的要求,实现分布式制氢。未来,既可以集中大规模制氢、区域供氢,也可以提供小型模块化电解水制氢装置,满足不同应用场景,并且实现“氢电交互”,构建“分布式智慧能源系统”,担负“季节性调峰发电”等重任,实现氢电能源智慧互联,在工业领域“氢、电利用”中发挥作用。

2、绿氢是低碳工业的主力。化工行业当中,氢气主要用于合成或提质工艺,传统技术是石脑油制氢和天然气制氢,是灰氢,都有碳排放;钢铁工业中,目前71%的钢铁产量是基于传统高炉,在高炉所采用的“长流程”生产方式中,都是添加焦炭作为铁矿石还原剂,其中用作还原剂的氢也是灰氢,生产每吨钢铁的碳排放强度超过2吨。上述例子充分说明工业领域在实现“双碳目标”的进程中,必须进行用氢技术改造,以绿氢代替灰氢,担当减碳的重任。工业领域的减碳面临着巨大压力。但这同时也孕育着新一轮机遇。在“十四五”乃至更长一段时间内,绿氢将会在我国工业领域减碳进程中扮演重要角色。是实现“双碳目标”的关键。

四、 制约绿氢进入工业领域的瓶颈

1、绿氢成本偏高。现有技术条件下,绿氢的制取成本高企不下,缺乏经济性,如果不考虑“绿色贸易壁垒”以及“碳税”这些政策性的硬性约束,用户更愿意选择低成本的制氢路线。工业领域的绿氢替代在技术上可行只是一方面,在经济上可行才是氢能大规模利用的先决条件。在制氢路径中,灰氢目前成本优势明显,随着双碳目标的日益严控,未来可再生能源电解水制氢将是实现绿氢的最好途径。

2、要素壁垒明显。影响绿色制取成本有两大核心要素,一是目前可用于绿氢制取的可再生电及核电等电价高;二是绿氢制取关键设备电解槽投资较大—功率(1KW)成本一万元以上。

3、储运难度较大。现阶段,国内主要采用高压气态氢储运方式(重量储氢密度1~5.8wt%),少量液氢储运(重量储氢密度5-14wt%)、金属固态储氢(重量储氢密度1.4~3.6wt%)等方式,储存困难且储存能力较低,经济半径受限,形成大规模储存难、运输难的局面,国内氢储运技术的能效、安全问题有待完善解决。这些问题都是制约绿氢进入工业领域的瓶颈。

五、“规模化”是破解瓶颈的“密钥”

1、绿氢制取规模化。可再生能源发电制氢是新能源革命的重要手段,是能源转型的需求,是摆脱传统化石能源依赖的趋势选择。工信部下发的《“十四五”工业绿色发展规划》指出加快氢能技术创新和基础设施建设,推动氢能多元化发展,对氢能的工业化应用给出了政策指导。

据德国研究,100MW碱性电解槽比5MW同类电解槽成本降低50%。目前国内产能最大碱性电解槽是苏州竞立的1300立/小时新型电解槽,功率5MW。由此可见电解槽成本下降空间很大,要点就在于绿氢制取规模化,推动电解槽功率上规模,带动制造成本下降,当然其中要突破大规模电解槽结构性的技术问题,会产生很多自主知识产权,带动科技进步,这是绿氢规模化应用的必然过程和结果。

2、工业应用规模化。目前全球碳排放的45%来自钢铁、水泥等高耗能产业,其中高耗能碳排放的45%来自于工业原料的使用,比如钢铁冶炼用来做还原剂的焦炭,吨钢碳排放比为1:2。在我国实现碳中和过程中,尤其是工业领域,绿氢是实现减排的“攻坚利器”。工业领域减排是减排的硬骨头,工业领域应用绿氢减排短期内更是面临着经济性的挑战,通过规模化应用,可以找到打破工业化应用的“痛点”的办法,带动技术创新,大幅降低用氢成本,为规模化绿氢制取提供广阔的应用市场,反过来规模化绿氢制取带来的成本下降又能够促进工业化应用的积极性,实现双赢。

六、绿色甲醇是规模化应用的现实选择

1、技术自主领先。氢能规模化利用难,难在成本,因为氢能利用成本中的90%源于氢的压缩、储存和运输。“规模化、低成本、高效用”是氢能产业可持续发展、实现碳中和的关键。科技界也一直致力于破解这个难题。中科院2020年度科技成果转移转化亮点工作之一“液态阳光合成项目(二氧化碳加氢制甲醇专利技术)”为碳中和提供了新思路。

液态阳光甲醇合成,是利用大规模可再生能源如太阳能、风能、水能等发电,进而电解水产氢,用可再生能源产生的氢气与二氧化碳反应生成绿色甲醇,从而把可再生能源的能量存储在液体燃料甲醇中。这提供了减排二氧化碳、储存可再生能源再利用的切实可行的新技术。在这里,绿色甲醇吃掉二氧化碳,用碳不增碳,成为绿氢的有效液态载体,储运非常便利。在具体利用方面,可以利用现有设施,配套适当的甲醇解氢装置,进入原有工艺,无需大规模改造。通过“液态阳光工程”既可解决工业领域刚性排放数亿吨级二氧化碳,又可实现规模化可再生能源存储再利用,是实现“双碳”目标的颠覆性技术和可行技术,具有完全自主知识产权,达到国际领先。

2、甲醇市场成熟。中国在甲醇领域已经进行了将近二十年的国家层面的推广。目前国内甲醇的生产技术成熟,产业链完善,成本低于汽油和柴油。甲醇除了直接用于燃烧,还可用于内燃机和甲醇重整制氢燃料电池。2019年八部委联合印发的《关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》,鼓励企业研发甲醇混合动力汽车、甲醇增程式电动汽车、甲醇燃料电池汽车产品,支持各地推进甲醇燃料生产及加注体系建设。

3、甲醇制氢优势。绿色甲醇是液态含氢元素比例最高的清洁能源,能量密度高, 其储氢重量密度高达12.5wt%,常温常压下的甲醇储氢要明显优于液化(多级压缩且冷却能耗巨大)、高压(安全性无法保证)和其他储氢技术;甲醇制氢装置简单,以绿色甲醇为原料制氢投资少、自动化程度高、生产能力易调节;甲醇的安全性高,其作为液体储存和运输的安全性和便捷性都是得天独厚的;甲醇做为燃料十分稳定、挥发性较低,适合燃料电池的操作。这些优势高压气氢和液氢难以与之比肩。

国资委印发的《关于推进中央企业高质量发展做好碳达峰碳中和工作的指导意见》明确提出“国有企业要加大绿色低碳投资,积极开展低碳零碳负碳技术开发”,提出“稳步构建氢能产业体系,结合工业、交通等领域典型应用场景,积极部署产业链示范项目”。同时以工业企业为推动的重点,“鼓励企业积极开展绿色低碳先行示范,培育示范企业,打造示范园区”。这些高屋建瓴的低碳建设指导思想为绿氢的规模化工业应用指明了方向。

作为碳中和的主力军,绿色甲醇能够发挥“绿色液体载氢”功能,通过嫁接成熟的甲醇市场化应用技术经验,配套甲醇重整解氢,开展绿氢规模化工业应用,既能够满足“双碳目标”战略要求,又为绿氢成本突破争取了时间,是目前实现工业降碳的最优路径,具备规模化应用条件。

能源转型需要政府的推动力,可以借鉴燃料电池汽车示范城市群的成功经验,采取政、资、产、学、研、用多方合作的方式,组成“绿氢(绿色甲醇)制、储、运、用规模化示范协同体”,选择几个条件合适的区域建设大规模绿氢(绿色甲醇)制备示范园区,并开展规模化工业应用路线研发与应用,可以起到杠杆作用,事半功倍。对示范园区给与电价优惠政策、对工业应用场景给与配套绿色资金支持,进而带动电解槽规模化生产制造,实现成本突破,带动整体成本的大幅下降,实现绿色能源“安全、稳定、清洁、经济、永续”地造福人类社会。

来源:中国能源网