“氫能熱”下的“冷思考”：謹(jǐn)防化石能源制氫形成的高碳鎖定效應(yīng)

符冠云 郁聰 白泉

氫能有望成為未來我國能源體系的重要組成部分，巨大需求預(yù)期引發(fā)了強烈的市場關(guān)注，進(jìn)而也使得“以何種方式來制取氫氣”的問題成為焦點。近期，傳統(tǒng)制氫領(lǐng)域的相關(guān)產(chǎn)業(yè)和企業(yè)表現(xiàn)活躍，制氫工藝路線呈現(xiàn)出“高碳化”的苗頭。筆者認(rèn)為，我國氫能大規(guī)模發(fā)展必須立足于清潔制氫，而清潔制氫應(yīng)在全生命周期內(nèi)具有低能耗、低污染和低碳特點。在“氫能熱”的時候，需要從生態(tài)文明建設(shè)和落實能源革命戰(zhàn)略的高度進(jìn)行“冷思考”，長遠(yuǎn)且慎重地規(guī)劃和布局氫能產(chǎn)業(yè)，避免化石能源制氫產(chǎn)業(yè)“一擁而上”，造成新的環(huán)境問題，加重人民美好生活需要與不平衡不充分發(fā)展之間的矛盾，對經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展產(chǎn)生不利影響。

一、氫能有望在能源革命進(jìn)程中扮演重要角色

作為能源密度高（單位質(zhì)量）、清潔、零碳、靈活的能源載體，氫能的應(yīng)用場景非常廣闊。眾所周知，氫燃料電池汽車是氫能的重要下游應(yīng)用領(lǐng)域，但這只是諸多應(yīng)用領(lǐng)域中的一小部分。在工業(yè)領(lǐng)域，氫能可成為鋼鐵、合成氨等傳統(tǒng)工業(yè)行業(yè)深度脫碳的重要技術(shù)路徑，例如氫能煉鋼技術(shù)可以替代大量焦炭。在建筑領(lǐng)域，家用小型氫燃料電池設(shè)備通過熱電聯(lián)產(chǎn)，系統(tǒng)效率可達(dá)90%。除此之外，氫能還可以扮演儲能、跨能源品種耦合等角色，以電解水制氫技術(shù)為紐帶，通過“電—氫—儲—電”、“電—氫—氣”、“電—氫—車”等轉(zhuǎn)換，為整個能源系統(tǒng)帶來顛覆性變革。

氫能已得到全球一些國家和地區(qū)的廣泛關(guān)注。美國能源部提出“大規(guī)模融合氫能”的能源系統(tǒng)概念，德國、法國、韓國等國家陸續(xù)發(fā)布?xì)淠馨l(fā)展計劃，日本提出建設(shè)“氫能社會”、將氫能上升為國家重大戰(zhàn)略之一，早在2017年12月就已出臺《氫能源基本戰(zhàn)略》，旨在全球率先實現(xiàn)“氫社會”，以實現(xiàn)低碳社會發(fā)展目標(biāo)和尋求日本經(jīng)濟(jì)新的增長點。韓國政府將氫能作為三大戰(zhàn)略投資重點之一，于2019年1月發(fā)布了“氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展路線圖”，明確了面向2040年的氫能發(fā)展目標(biāo)、戰(zhàn)略及重點任務(wù)。這些國家都已認(rèn)識到氫能在未來能源系統(tǒng)乃至社會系統(tǒng)中的地位和作用，競相開始搶占產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)的技術(shù)制高點，力爭使本國在此輪氫能變革中占得先機(jī)。

2018年以來，在技術(shù)、資本、輿論等多方面因素助推之下，“沉寂多年”的氫能產(chǎn)業(yè)重新步入公眾視野。氫燃料電池汽車、家用氫燃料電池、移動式應(yīng)急保障電源等領(lǐng)域涌現(xiàn)出的商業(yè)案例，極大地擴(kuò)展了氫能產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的想象空間。根據(jù)中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟預(yù)測，2050年氫能在我國終端能源需求的比重將超過10%，氫氣需求量將超過1億噸。氫氣可以由煤炭、天然氣等化石能源制成，也可以由電解水來生產(chǎn)，還可以是石化、化工等工藝的副產(chǎn)品。未來我國巨大的氫氣需求預(yù)期，已形成一個新的“風(fēng)口”，引發(fā)了相關(guān)行業(yè)、企業(yè)的強烈關(guān)注。

二、傳統(tǒng)能源行業(yè)企業(yè)紛紛向氫能拋出“橄欖枝”

在“氫能熱”的形勢下，不少煤炭企業(yè)對氫能表現(xiàn)出極大興趣，截至2019年3月，已有多家大型煤炭企業(yè)陸續(xù)宣布了氫發(fā)展規(guī)劃或項目。從目前情況看，多是瞄準(zhǔn)氫下游產(chǎn)業(yè)，涉足加氫站、燃料電池等行業(yè)。但從長遠(yuǎn)看，在氫能的下游市場打開后，這些煤炭企業(yè)將極有可能向上游產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)延伸，將具有成本競爭性的煤制氫作為轉(zhuǎn)型發(fā)展新增長點。一些專家也提出了“煤制氫是我國氫能產(chǎn)業(yè)最大優(yōu)勢”“煤制氫將擔(dān)綱氫能發(fā)展大任”“煤的最佳應(yīng)用方式就是制氫”等觀點。

煤制氫具有原料充足、成本低廉、技術(shù)成熟、生產(chǎn)規(guī)模大等特點，現(xiàn)階段是最有市場競爭力的制氫技術(shù)路線。首先從技術(shù)本身來看，煤制氫只需要將煤炭轉(zhuǎn)化成合成氣，再將其中的氫氣組分離提純出來即可，技術(shù)比較簡單。其次從生產(chǎn)規(guī)模上看，煤制氫產(chǎn)能可達(dá)10萬立方米/小時，可以滿足大規(guī)模氫氣需求。第三，在經(jīng)濟(jì)性方面，盡管煤制氫的投資成本較高，接近1.3萬元/立方米·小時，但折舊后，最終氫氣生產(chǎn)成本僅為0.7—1.2元/立方米，相比于天然氣制氫、甲醇制氫和電解水制氫，在現(xiàn)有煤炭價格體系下煤制氫的成本優(yōu)勢非常明顯。

除了煤制氫以外，煤化工副產(chǎn)氫、電解水制氫也得到了市場的“追捧”。煤化工副產(chǎn)氫方面，焦炭、蘭炭等煤化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程會副產(chǎn)氫氣，以2018年我國焦炭和蘭炭產(chǎn)能推算，副產(chǎn)氫氣將超過800萬噸，而這些氫氣的利用方式比較粗放，直接燃燒甚至排空的現(xiàn)象非常普遍。如果單看副產(chǎn)氫，其相當(dāng)于工業(yè)過程的副產(chǎn)品，無額外能耗、污染和排放，且價格低廉，僅需花費少量提純成本，最終氫氣成本在1.5元/立方米以內(nèi)。因此，開發(fā)煤化工副產(chǎn)氫成為許多企業(yè)向氫能產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要突破口。電解水制氫方面，由于電網(wǎng)峰谷差不斷拉大、波動性的可再生能源大量接入，電力系統(tǒng)對于儲能的需求也越來越強烈。電解水制氫具有迅速啟停的實時響應(yīng)能力，且生產(chǎn)過程清潔無污染，也被視為清潔制氫的重要途徑。

三、來自化石能源制氫工藝的氫氣具有顯著的“三高”特點

我國正處于推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和能源革命的關(guān)鍵時期，需要同時解決資源節(jié)約、環(huán)境質(zhì)量改善和應(yīng)對氣候變化這三項艱巨任務(wù)。氫能在使用環(huán)節(jié)可以做到高效、清潔和低碳，具有在工業(yè)、建筑、交通等終端需求領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的潛力空間。但是，為從根本上解決制約我國可持續(xù)發(fā)展的資源環(huán)境約束，還需要從全生命周期的視角來審視發(fā)展氫能經(jīng)濟(jì)的能源和環(huán)境效益，將氫氣的生產(chǎn)和消費統(tǒng)籌考慮、系統(tǒng)評估。

煤制氫雖然技術(shù)成熟、成本低廉，但短期內(nèi)難以實現(xiàn)清潔低碳。煤制氫生產(chǎn)過程需要消耗大量煤炭，并造成環(huán)境污染和碳排放。從當(dāng)前技術(shù)水平看，生產(chǎn)1噸氫氣平均需要消耗煤炭約6—8噸，排放15—20噸左右的二氧化碳，此外還會產(chǎn)生大量高鹽廢水及工業(yè)廢渣。而目前碳捕捉與封存技術(shù)（CCS）、廢水廢渣綜合利用技術(shù)還不足以支持煤制氫大規(guī)模發(fā)展，短期內(nèi)煤制氫的“三高”問題難以解決。可見，氫氣如果來自于煤炭，使用過程的清潔、低碳是以生產(chǎn)環(huán)節(jié)的“不清潔、不低碳”為代價的。以源于煤炭的氫氣來解決資源環(huán)境問題，其結(jié)果只能是污染和排放的空間轉(zhuǎn)移。

電解水制氫雖然在制氫環(huán)節(jié)清潔，但我國近70%的電力來自煤炭，用煤電來電解水制氫（后簡稱“煤電制氫”），“三高”問題將更為嚴(yán)重。從全生命周期角度測算，煤電制氫的能耗、碳排放比煤制氫更高。能效方面，生產(chǎn)1噸氫氣，電解水制氫需消耗5萬—6萬度電，“電—氫”系統(tǒng)能效約為65%—75%;但如果使用燃煤發(fā)電的電力制氫，“煤—電—氫”系統(tǒng)效率下降至30%以下。碳排放方面，煤電制氫生產(chǎn)1噸氫氣需要排放二氧化碳30噸甚至更高，是煤制氫的2—3倍。綜上所述，煤電制氫比傳統(tǒng)煤制氫更加耗能、更加污染，不應(yīng)作為清潔制氫的技術(shù)選擇。

煤化工副產(chǎn)氫具有一定開發(fā)潛力，但副產(chǎn)出來的氫氣背負(fù)了間接“碳排放債”。煉焦等煤化工生產(chǎn)過程雖然會有氫氣作為副產(chǎn)品，但在副產(chǎn)氫氣的同時也不可避免的副產(chǎn)了大量一氧化碳（約占焦?fàn)t煤氣的30%—40%），最終這些一氧化碳要經(jīng)過燃燒等方式轉(zhuǎn)化為二氧化碳。因此，煤化工副產(chǎn)氫與二氧化碳可謂同根同源，生產(chǎn)氫氣的同時帶來大量碳排放。而且，我國大部分傳統(tǒng)煤化工產(chǎn)品都已出現(xiàn)供大于求，如果政策上鼓勵開發(fā)煤化工副產(chǎn)氫，不排除企業(yè)“主副顛倒”、競相提高煤化工產(chǎn)品產(chǎn)量，造成更為嚴(yán)重的產(chǎn)能過剩問題。

四、如不重構(gòu)化石能源制氫格局，氫能經(jīng)濟(jì)將越發(fā)展、越耗能、越污染

從目前情況看，我國氫氣主要來自化石能源，氫源結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家、甚至全球平均水平。根據(jù)中國氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會提供數(shù)據(jù)，2016年我國氫氣產(chǎn)量約為2100萬噸，其中煤制氫占62%、天然氣占19%，電解水制氫僅占1%。而從全球平均水平看，氫氣48%來自天然氣、30%來自醇類重整、18%來自焦?fàn)t煤氣。在氫能強國日本，大多數(shù)氫源是從澳洲進(jìn)口，本國氫氣產(chǎn)能中電解水制氫占63%、天然氣重整占8%、焦?fàn)t煤氣占6%。相比之下，我國氫氣主要來自煤炭，“清潔度”不夠。

不改變當(dāng)前以煤為主的氫源結(jié)構(gòu)，發(fā)展氫能實現(xiàn)我國能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的方法無異于南轅北轍。按照巴黎協(xié)定規(guī)定的“本世紀(jì)中葉全球?qū)崿F(xiàn)‘2℃溫升控制目標(biāo)，甚至最新提出的‘1.5℃目標(biāo)”，2050年我國碳排放總量需要控制在30億噸以內(nèi)（目前是100多億噸），氫能將有望成為我國能源轉(zhuǎn)型和深度脫碳的重要途徑。但若依舊維持2016年我國氫源結(jié)構(gòu)，2050年生產(chǎn)1億噸氫氣，需要消耗煤炭、天然氣等化石能源超過5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，排放二氧化碳接近12—18億噸，氫能產(chǎn)業(yè)反而會成為我國最大的耗能和碳排放領(lǐng)域，氫能經(jīng)濟(jì)也將被戴上“三高”的帽子。

良好的生態(tài)環(huán)境是最公平的公共產(chǎn)品，是最普惠的民生福祉。氫能無論是作為燃料直接燃燒，還是通過燃料電池轉(zhuǎn)化成電力，都可以實現(xiàn)零污染、零排放，發(fā)展氫能可以在很大程度上解決環(huán)境污染問題。我國煤炭、煤電等資源大多分布于中西部相對欠發(fā)達(dá)地區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱、環(huán)境承載能力有限。在以化石能源制氫為主的格局下，發(fā)展氫能就等于讓中西部地區(qū)以“三高”的化石能源制氫去支持發(fā)達(dá)地區(qū)清潔化、低碳化進(jìn)程，造成“生產(chǎn)地污染、消費地清潔”，這將會進(jìn)一步加劇區(qū)域間發(fā)展不公平現(xiàn)象。

五、清潔制氫有較好的資源潛力，但市場競爭力不足

經(jīng)比較和篩選，筆者認(rèn)為目前技術(shù)相對成熟的制氫工藝中，只有可再生能源電解水制氫和氯堿、丙烷脫氫等工業(yè)副產(chǎn)氫，屬于真正意義上的清潔氫氣。風(fēng)電、水電等可再生能源本身沒有污染和碳排放，因此使用這些電力來電解水制氫，全生命周期都能實現(xiàn)綠色低碳;氯堿、丙烷脫氫等工藝過程，副產(chǎn)氫數(shù)量與工藝碳排放基本無關(guān)，也屬于清潔氫氣。

我國清潔氫氣資源非?？捎^，可以支撐近中期氫能發(fā)展?？稍偕茉粗茪浞矫妫?017年我國“棄水、棄風(fēng)、棄光”總量超過1000億千瓦時，如果全部用來電解水制氫，可生產(chǎn)清潔氫氣接近200萬噸。工業(yè)副產(chǎn)氫方面，氯堿工業(yè)生產(chǎn)1噸燒堿會副產(chǎn)280立方米左右氫氣，丙烷脫氫生產(chǎn)1噸丙烯會副產(chǎn)425立方米左右氫氣，再加上即將上馬的一批乙烷裂解項目，合計副產(chǎn)氫資源量超過100萬噸。可再生能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫，二者合計能夠提供超過300萬噸的清潔氫氣，足以滿足近中期氫能發(fā)展需要。

然而，清潔氫氣的推廣面臨著市場競爭力不足這座“大山”。參考2018年各類制氫原料（能源）平均價格，筆者比較了不同制氫工藝的制氫成本。煤炭價格為550元/噸時，煤制氫成本為9—11元/公斤;天然氣價格為3.5元/立方米時，天然氣制氫成本為20—24元/公斤;甲醇價格為3000元/噸時，甲醇制氫成本為23—25元/公斤;電力價格為0.6元/kWh時，電解水制氫成本為40—50元/公斤。工業(yè)副產(chǎn)氫平均成本雖然只有12—18元/公斤，但下游用戶還需要將氫氣從相關(guān)企業(yè)運輸?shù)奖酒髽I(yè)，需要支付儲運成本甚至比氫氣生產(chǎn)成本還高。例如上海某加氫站購買的氯堿廠副產(chǎn)氫，出廠價格僅為20元/公斤，但經(jīng)過儲運抵達(dá)加氫站，最終價格已超過50元/公斤?？梢姡诋?dāng)前價格水平之下，清潔氫氣不具備市場競爭力。

六、制定清潔制氫發(fā)展路線圖，促清潔制氫降成本、傳統(tǒng)制氫提質(zhì)量

首先，應(yīng)根據(jù)氫氣來源，為清潔制氫“正名”。以測算全生命周期的能耗、污染物排放和碳排放，定義“灰氫”“藍(lán)氫”和“綠氫”。根據(jù)筆者測算分析，沒有CCS裝置的煤制氫、天然氣制氫、甲醇制氫等傳統(tǒng)制氫工藝，應(yīng)屬于“灰氫”范疇;傳統(tǒng)制氫工藝加上CCS裝置、煤化工副產(chǎn)氫等制氫工藝，可歸為“藍(lán)氫”范疇;可再生能源制氫、無工藝碳排放的工業(yè)副產(chǎn)氫等制氫工藝，可歸為“綠氫”范疇。制定清潔制氫發(fā)展路線圖，明確不同技術(shù)條件和時間階段的發(fā)展重點。近中期，應(yīng)重點開發(fā)“綠氫”，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，鼓勵在“棄電”現(xiàn)象嚴(yán)重且有氫氣需求地區(qū)建設(shè)制氫項目，實現(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”。鼓勵光解制氫、生物制氫等新技術(shù)的研發(fā)，為遠(yuǎn)期清潔制氫發(fā)展做好技術(shù)儲備。

鼓勵體制機(jī)制和商業(yè)模式創(chuàng)新，為清潔制氫“降成本”，提高市場競爭力。以可再生能源電解水制氫為例，由于其具有迅速啟停、副產(chǎn)高純氧氣等特點，如果能與清潔能源消納、峰谷電價、電力需求側(cè)管理等政策機(jī)制相對接，可以實現(xiàn)“降成本”。按照年利用3000小時、平均工業(yè)用電價格0.6元/kWh計算，電解水制氫成本在4.5元/m3左右。如果能夠在電網(wǎng)波谷期間生產(chǎn)并享受0.3元/kWh左右的谷電價，制氫成本可下降至2.6元/m3左右。再將副產(chǎn)的高純度氧氣進(jìn)行回收并銷售，按照醫(yī)用氧氣市場售價計算，制氫成本還能再下降0.5元/m3左右。最后核算成本可以下降到2.1元/m3，初步具備了與傳統(tǒng)制氫競爭的能力。再加上一些地區(qū)為提高可再生能源消納，出臺了更為優(yōu)惠的電價、免容量費、調(diào)峰補償電價等政策，都將有利于成本的進(jìn)一步降低。

以碳排放為約束條件，推動傳統(tǒng)制氫的環(huán)境成本內(nèi)部化，實現(xiàn)低碳化、清潔化發(fā)展。當(dāng)前，積極應(yīng)對氣候變化已成為全球共識。為實現(xiàn)“到本世紀(jì)末確保實現(xiàn)2℃甚至1.5℃溫升控制目標(biāo)”，碳排放將成為各國發(fā)展過程中必須面對的約束條件。如果將制氫項目納入碳排放交易體系，以每噸二氧化碳100元來計算，煤制氫成本將提高1.6—2元/公斤氫氣;而若實現(xiàn)零排放制氫，須采用CCS技術(shù)，煤制氫的成本將提高5—8元/公斤氫氣，相當(dāng)于成本提高了50%以上。同樣，天然氣制氫和甲醇制氫要實現(xiàn)零碳制氫，其成本也將提升20%左右。由于工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源電解水制氫不產(chǎn)生碳排放，碳約束不會對其成本產(chǎn)生影響，競爭力得到間接提升。

強化能源、環(huán)境和排放監(jiān)管，引導(dǎo)傳統(tǒng)制氫項目高質(zhì)量發(fā)展。現(xiàn)階段應(yīng)避免傳統(tǒng)制氫項目盲目擴(kuò)張，在污染物處理和CCS等脫碳技術(shù)取得市場化突破之前，不宜大規(guī)模部署煤制氫、煤電制氫等高碳制氫項目。應(yīng)落實能源消費總量控制、煤炭消費總量控制等政策措施，從源頭上避免傳統(tǒng)制氫工藝的“一擁而上”。進(jìn)一步強化能源和環(huán)境監(jiān)管，完善相關(guān)領(lǐng)域污染物排放標(biāo)準(zhǔn);強化環(huán)境執(zhí)法，建立對違規(guī)企業(yè)的整改、處罰和跟蹤一體化監(jiān)管機(jī)制，多管齊下倒逼傳統(tǒng)制氫工藝的清潔化、集約化、減量化轉(zhuǎn)型。鼓勵既有傳統(tǒng)制氫項目采取多聯(lián)產(chǎn)等模式，與鹽化工、廢棄物綜合利用等產(chǎn)業(yè)相對接，提升廢水、廢渣處理水平，實現(xiàn)資源綜合利用和循環(huán)利用的經(jīng)濟(jì)效益。

注：

①電能到電能：用電網(wǎng)多余電力進(jìn)行電解水制氫，氫氣再通過氫燃料電池發(fā)電。

②電能到燃?xì)猓弘娊馑茪?，氫氣直接摻入天然氣管網(wǎng)，或者合成甲烷混入天然氣管網(wǎng)。

③電能到燃料：電解水制氫，氫氣加注到車載儲氫容器，通過燃料電池驅(qū)動汽車。

（作者單位：中國宏觀經(jīng)濟(jì)研究院能源所）