氫能助力深度脫碳漸成現(xiàn)實(shí)

當(dāng)前，石化、煤化工、鋼鐵等行業(yè)仍需使用化石能源充當(dāng)原料、還原劑等，且難以用可再生能源資源作為替代，由此產(chǎn)生大量碳排放——

■本報(bào)記者 朱妍 《 中國(guó)能源報(bào) 》（ 2021年03月01日   第 19 版）

成群的光伏板有序分布在半山坡，一路之隔就是大型廠區(qū)，內(nèi)有電解水制氫、甲醇合成等裝置。利用光伏發(fā)出的電分解水制氫，氫氣與二氧化碳反應(yīng)，再合成甲醇燃料——這是位于蘭州新區(qū)的我國(guó)首個(gè)千噸級(jí)液態(tài)太陽燃料合成示范項(xiàng)目的創(chuàng)新嘗試。“綠氫”的加入一改傳統(tǒng)工序，二氧化碳不再大量排放，而是作為碳資源實(shí)施轉(zhuǎn)化利用。

“煤制甲醇已是成熟的煤化工技術(shù)，但在實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效利用的同時(shí)，無法從根本上解決必然產(chǎn)生的碳排放問題。上述工藝提供了一條可行的減排路徑，以每噸甲醇需轉(zhuǎn)化1.375噸二氧化碳、我國(guó)甲醇年產(chǎn)能約8000萬噸計(jì)算，若能廣泛應(yīng)用，可減排億噸級(jí)二氧化碳。”中國(guó)科學(xué)院院士、中科院大連化學(xué)物理研究所研究員李燦介紹。

記者進(jìn)一步了解到，該項(xiàng)目是氫能助力碳減排的一個(gè)縮影。在工業(yè)、交通等碳排放的廣泛領(lǐng)域，利用氫能實(shí)現(xiàn)深度脫碳漸成現(xiàn)實(shí)。

在綠電難以覆蓋的

領(lǐng)域形成有效補(bǔ)充

在碳達(dá)峰、碳中和背景之下，“減排”成為能源行業(yè)關(guān)鍵詞。然而，在大幅提高可再生能源利用的同時(shí)，化石能源仍占有一席之地。

“我國(guó)是工業(yè)化大國(guó)，石化、煤化工、鋼鐵等行業(yè)，需要使用化石能源作為還原劑或原料等，提取其中的碳?xì)浣M分。由此，每年產(chǎn)生二氧化碳排放接近15億噸，占全國(guó)能源碳排放量的15%左右。”國(guó)家發(fā)改委能源研究所助理研究員符冠云表示，這些領(lǐng)域所消耗的化石能源，很難用可再生能源電力來替代，因此成為“難以減排領(lǐng)域”。

再如排放“大戶”交通行業(yè)，目前雖已大規(guī)模推廣電動(dòng)化，但仍存在重卡、航運(yùn)等“難以減排領(lǐng)域”。分析顯示，我國(guó)柴油重卡僅占全國(guó)汽車保有量的7%，卻產(chǎn)生60%以上的交通大氣污染物。因載重較大，重卡若采用鋰電池技術(shù)，電池自重高達(dá)整車重量的2/3以上，加上受到低溫等運(yùn)輸條件限制，碳減排面臨難題。

如何解決？在多位業(yè)內(nèi)人士看來，氫能為“難以減排領(lǐng)域”提供了思路。國(guó)際氫能協(xié)會(huì)副主席、清華大學(xué)教授毛宗強(qiáng)稱，綠氫和綠電同屬于二次能源，在碳中和進(jìn)程中，綠氫可在綠電無法發(fā)揮作用的領(lǐng)域起到補(bǔ)充。實(shí)踐證明，氫冶金、綠氫化工、交通燃料等應(yīng)用已取得突破。

符冠云舉例說，與傳統(tǒng)煉鋼方式相比，氫能煉鋼可降低90%以上的碳排放；氫能還可用于生產(chǎn)合成氨、甲醇等化工產(chǎn)品，替代制氫所需的化石能源。“在這些領(lǐng)域，氫能是最佳、甚至是截至目前唯一的脫碳方案。未來，氫能將扮演高效清潔的二次能源、靈活智慧的能源載體、綠色低碳的工業(yè)原料三重角色，到2050年，有望形成超過15億噸二氧化碳的減排能力，并與可再生電力形成協(xié)同，實(shí)現(xiàn)我國(guó)深度減碳目標(biāo)。”

以化石能源為主的

氫源結(jié)構(gòu)違背初衷

那么，助力脫碳的氫能從哪里來？多位專家坦言，從氫源結(jié)構(gòu)來看，當(dāng)前，煤炭、天然氣等化石能源制氫仍占主導(dǎo)，若以此來替代終端部門的化石能源消費(fèi)，實(shí)際上是“多此一舉”。不但違背減排初衷，還可能帶來“生產(chǎn)地污染、消費(fèi)地清潔”等問題。

“氫本無色，人為將其定義為灰氫、藍(lán)氫、藍(lán)綠氫和綠氫，分別指化石能源制氫、化石能源制氫+碳捕集和封存技術(shù)、天然氣熱解得到固體碳和氫氣，及核能、可再生能源通過電解水制氫。”毛宗強(qiáng)表示，其中，只有綠氫的制備過程才沒有溫室氣體排放。

毛宗強(qiáng)舉例，2019年，我國(guó)甲醇產(chǎn)能與產(chǎn)量分別為8812萬噸、6216萬噸，估算其生產(chǎn)過程需要1000萬噸以上的氫氣。這些氫氣基本來自煤制氫，對(duì)應(yīng)二氧化碳排放約1600萬噸。我國(guó)甲醇產(chǎn)能主要集中在西北地區(qū)，這里恰恰是可再生能源富集地，以此制取綠氫才能真正減排。再如，焦?fàn)t煤氣是很好的藍(lán)氫來源，但我們不應(yīng)該為獲得這種藍(lán)氫而發(fā)展煉焦行業(yè)煤，否則只會(huì)排放更多二氧化碳。

李燦也稱，發(fā)展氫能的初衷在于減排，從化石能源制氫生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、利用的全過程來看，只是將碳排放由全過程的末端轉(zhuǎn)移到前端，實(shí)質(zhì)并未減少。最終，還是要發(fā)展可再生能源制氫。

扭轉(zhuǎn)氫源結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步伴隨著高成本問題。符冠云坦言，成本過高是推廣綠氫的最大障礙，導(dǎo)致其難與傳統(tǒng)能源形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。“比如在工業(yè)領(lǐng)域，煤制氫價(jià)格約10元/公斤。以綠氫替代灰氫，電價(jià)需控制在0.15元/度以內(nèi)。目前雖有'棄電制氫'的提法，但現(xiàn)實(shí)中棄電基本處于數(shù)量無保證、電價(jià)無優(yōu)惠狀態(tài)，根本無法有效降低綠氫成本。只有大幅度降低供應(yīng)鏈成本，氫能終端應(yīng)用才能打開。”

引導(dǎo)灰氫有序退出、

綠氫大規(guī)模發(fā)展

“若不解決上述問題，氫能就難以真正為碳中和貢獻(xiàn)力量。”符冠云進(jìn)一步建議，應(yīng)制定清潔制氫路線圖，引導(dǎo)灰氫有序退出、藍(lán)氫高值利用和綠氫大規(guī)模發(fā)展。

對(duì)此，符冠云認(rèn)為，近中期應(yīng)以藍(lán)氫、綠氫來保證氫氣增量需求。在確保資源供應(yīng)和氫氣需求相銜接條件下，優(yōu)先利用工業(yè)副產(chǎn)氫，鼓勵(lì)在“棄電”現(xiàn)象嚴(yán)重地區(qū)建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)制氫項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)清潔制氫、副產(chǎn)品高值化利用和提升可再生能源消納的“三贏”。中長(zhǎng)期，應(yīng)著力打造綠氫為主體，多種方式并存的低碳?xì)湓唇Y(jié)構(gòu)。

“評(píng)估從原料采集、生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用、回收的全生命周期碳足跡，制定氫能發(fā)展的碳足跡標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量指標(biāo)，來引導(dǎo)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。”符冠云提出，圍繞“難以減排領(lǐng)域”，統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能減碳和產(chǎn)業(yè)發(fā)展等因素，逐步構(gòu)建綠色低碳的多元化氫能應(yīng)用場(chǎng)景。

毛宗強(qiáng)提出，西北地區(qū)太陽能、風(fēng)能資源豐沛，是生產(chǎn)綠氫、使用綠氫的便利之地。國(guó)家有關(guān)部門可根據(jù)氫氣應(yīng)用場(chǎng)景、市場(chǎng)需求等，提出氫能發(fā)展的指導(dǎo)意見及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)有綠氫發(fā)展基礎(chǔ)的地區(qū)先行先試，然后在全國(guó)推廣。

李燦透露，目前還在嘗試推進(jìn)可再生能源制氫與煤化工結(jié)合。“在煤制油、制氣、制甲醇等過程中，煤炭當(dāng)中的碳原子利用率很低，其中的1/3-1/2轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，另外2/3-1/2燒成二氧化碳排出去。比如煤制甲醇需要2-3個(gè)碳原子，而甲醇本身只需煤炭提供1個(gè)碳原子，其余的碳原子全部轉(zhuǎn)化為二氧化碳白白浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)效率不到50%。若能通過可再生能源實(shí)現(xiàn)零碳排放制氫，與煤化工反應(yīng)過程相結(jié)合，把所有的碳原子經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，不再以二氧化碳排放，即可大幅節(jié)約煤炭資源并減少排放。”