氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展技術(shù)路線研究

任厚霖(中國(guó)石化西南油氣分公司采氣三廠，四川 中江 618000)

1 氫能

1.1 發(fā)展氫能的重要意義

氫能是替代化石能源最佳的選擇之一，具有綠色環(huán)保、熱值高(能量密度大)、可再生、零污染(燃燒后只產(chǎn)生水)、零排放、制備工藝相對(duì)成熟、應(yīng)用廣泛、原材料來(lái)源廣泛等特點(diǎn)。氫能屬于“二次能源”，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)化制備技術(shù)，當(dāng)前以化石能源、工業(yè)副產(chǎn)品制氫為主，生產(chǎn)過(guò)程不可避免會(huì)產(chǎn)生碳排放，且暫未大規(guī)模采用“碳捕捉”“碳封存”，灰氫所占比例還比較高，整個(gè)工業(yè)鏈來(lái)看，還不是綠色能源[1]。采用太陽(yáng)能、風(fēng)能等綠色可再生能源，構(gòu)建一整套無(wú)碳排放的可循環(huán)再生能源制氫工藝是發(fā)展的必然，也是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰碳中和”、向低碳產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的不二選擇。

氫能的下一步發(fā)展，必將是從化石燃料、高能耗制“灰氫”，到使用碳捕獲、利用與封存(CCUS)技術(shù)制“藍(lán)氫”，逐步過(guò)渡到使用可再生能源(如：風(fēng)電、水電、太陽(yáng)能)等制“綠氫”的深刻變革。2021年7月，中國(guó)石化齊魯石化-勝利油田CCUS項(xiàng)目開(kāi)建，年均減排二氧化碳100萬(wàn)噸，推動(dòng)“灰氫”向“藍(lán)氫”的產(chǎn)業(yè)格局升級(jí)。

1.2 氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要存在的問(wèn)題

目前，氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到三個(gè)大的限制：一是制取成本問(wèn)題；二是運(yùn)輸安全問(wèn)題；三是能源轉(zhuǎn)化效率問(wèn)題。

1.2.1 制取成本問(wèn)題

制取氫最方便的途徑是電解水，但是這種方式前期基礎(chǔ)建設(shè)投入大、工藝耗能較高。

一是電解水工藝前期建設(shè)成本(場(chǎng)地、設(shè)備、工藝、催化工藝、配套電網(wǎng)等)比其他制氫方式都要高。以二氧化銥為催化劑(銥價(jià)格為240～250元/克)的工業(yè)制取氫氣成本在18～20元/千克。同等規(guī)模下，電解水制氫成本約為天然氣制氫的1.3 倍、煤制氫的2 倍，不具價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

二是電解水制氫1 m3約消耗3.5～5.0 kW·h時(shí)，以當(dāng)前工業(yè)用電電價(jià)作為制定成本，電解水制氫工藝競(jìng)爭(zhēng)力較差，其80%的成本為電費(fèi)。電解水制氫，按目前生產(chǎn)每立方米氫氣能耗計(jì)算，即使采用低谷電制氫(電價(jià)取0.25元/kW·h)，加上電費(fèi)以外的固定投資，制氫綜合成本高于1.7元/m3。煤制氫成本通?？梢钥刂圃?.8～1.2元/m3，天然氣制氫的成本一般在為0.8～1.5元/m3。

1.2.2 運(yùn)輸儲(chǔ)存安全問(wèn)題

氫化學(xué)性質(zhì)活潑，屬易燃易爆氣體，因此氫的儲(chǔ)存和運(yùn)輸要求都很?chē)?yán)格。常規(guī)管道輸送材料抗“氫脆”能力有限。這一問(wèn)題限制了氫氣的儲(chǔ)存、管道輸送、運(yùn)輸?shù)劝l(fā)展，提高了安全投入，降低了氫能的競(jìng)爭(zhēng)力。

1.2.3 能量轉(zhuǎn)化率問(wèn)題，制備工藝碳排放高

當(dāng)前，電解水制氫的主要矛盾在于效率轉(zhuǎn)化問(wèn)題，電解水制氫轉(zhuǎn)化效率為50%～60%，通過(guò)燃料電池技術(shù)，將氫能轉(zhuǎn)化為電能，同樣在45%～60%的轉(zhuǎn)化效率，按照最高的轉(zhuǎn)化效率計(jì)算，僅剩下原來(lái)36%，通常只有20%多，甚至更少[2]。電解水制氫效率極低，電能轉(zhuǎn)化氫能，氫能轉(zhuǎn)化電能，存在兩頭“卡脖子”的問(wèn)題。

從能源轉(zhuǎn)化率來(lái)看，電-氫-電的能量轉(zhuǎn)化總效率最高接近40%，算上其他成本，1度電的使用率只有30%。以電解水制氫為例，平均消耗3.5～5.0 kW·h的電能，極大制約了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1.3 發(fā)展前景

根據(jù)《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)》，我國(guó)氫能發(fā)展?jié)摿薮蟆⑹袌?chǎng)廣闊、前景美好，氫能在中國(guó)能源體系中的占比逐年攀升，氫燃料電池車(chē)的保有量持續(xù)增加，氫能需求量也將持續(xù)增長(zhǎng)[4]。

我國(guó)能源分布并不均衡，可再生資源豐富的地區(qū)，如：沿海、北方、川渝地區(qū)等。風(fēng)電以北方(東北、華北、西北)和沿海(東南沿海地區(qū)、沿海島嶼)為主，受季節(jié)性、天氣影響較大。光伏發(fā)電，受光照時(shí)間長(zhǎng)、季節(jié)影響較大，氣候干燥、設(shè)備老化、速率慢。水電以長(zhǎng)江流域?yàn)橹鳎貏e是川渝地區(qū)，具有發(fā)展氫能的獨(dú)特區(qū)位優(yōu)勢(shì)，水電資源、水資源豐富、氫源豐富，是最適合布局氫能產(chǎn)業(yè)、攻克核心技術(shù)、搶占發(fā)展先機(jī)的地區(qū)之一。

雖然這些地區(qū)有大量可再生能源，但當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)消納能力有限，必須依靠特高壓遠(yuǎn)距離輸電，對(duì)外輸送電力。用電低谷期，往往造成大量棄水、棄光、棄風(fēng)。特別是長(zhǎng)江中上游地區(qū)，汛期電力市場(chǎng)消納能力有限，大量水資源白白浪費(fèi)。

由于水力發(fā)電、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電具有波動(dòng)性和間歇性，需要進(jìn)行調(diào)峰和儲(chǔ)能，利用電網(wǎng)無(wú)法消納的水電、光伏和風(fēng)能，采取電解水的方式制成氫氣，取代部分化石能源消耗，可以起到節(jié)能減排的效果。目前最佳的應(yīng)用場(chǎng)景是，將制氫用做于棄水、棄風(fēng)、棄光的收集轉(zhuǎn)化再利用，作為能源存儲(chǔ)的載體。

但是由于氫能的運(yùn)輸、存儲(chǔ)、應(yīng)用要求極高，給設(shè)備、安全提出了挑戰(zhàn)，一般體量的棄水、棄風(fēng)、棄光，難以讓氫能形成規(guī)模商業(yè)價(jià)值。所以，要讓氫能的應(yīng)用形成規(guī)模，必須先在棄水、棄風(fēng)、棄光體量較大同時(shí)市場(chǎng)需求較大的地區(qū)形成規(guī)模，如：川渝、沿海地區(qū)等，才能推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2 主要工業(yè)制備技術(shù)

2.1 制備技術(shù)

當(dāng)前的制備技術(shù)主要為電解水、氯堿工業(yè)、化石能源、生物質(zhì)等方法，無(wú)論哪一種方法都無(wú)法規(guī)?；畠r(jià)生產(chǎn)氫氣。

一定酸堿或是純水條件下，在電解槽中通入直流電，在一極產(chǎn)氫氣，在另一極產(chǎn)生氧氣。氫氣制品純度高，可達(dá)99.7%以上。如前文分析，當(dāng)?shù)綉?hù)電價(jià)在0.20 元/kW·h左右時(shí)，可再生能源電解水制氫才具備經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，對(duì)于電價(jià)較高的上海、北京等地而言，僅電解水的電價(jià)成本就已經(jīng)超過(guò)其他制備技術(shù)的綜合成本。

2.1.2 水煤氣法制氫

以無(wú)煙煤或焦炭為原料，在高溫條件下，與水蒸氣反應(yīng)，制得水煤氣。在CuO、ZnO、Al2O3、金等催化劑的作用下，將CO轉(zhuǎn)化成CO2，再壓入水中以溶去CO2，制得較純氫氣。這種方法制氫成本較低、產(chǎn)量很大、設(shè)備較多，多用于工業(yè)制備。

2.1.3 石油天然氣制氫

利用石腦油、重油、石油焦等，在催化劑作用下，通過(guò)脫硫、熱解、一氧化碳變換、PSA提純等技術(shù)，制得氫氣。該方法主要用于石油煉化企業(yè)副產(chǎn)品制氫。

2.1.4 焦?fàn)t煤氣冷凍制氫

利用氫氣液化溫度低的特點(diǎn)，對(duì)焦?fàn)t氣進(jìn)行冷凍加壓，分離其他氣體，提純氫氣[5]。

其次，要求在小型水電站工作機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程之中，隨時(shí)對(duì)進(jìn)行發(fā)電和電力傳輸?shù)脑O(shè)備進(jìn)行安全檢修和檢查工作，務(wù)必保證小型水電站發(fā)電機(jī)組的正常工作運(yùn)行。具體的來(lái)說(shuō)，在小型水電站發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程之中，有著很多的關(guān)鍵設(shè)備組份發(fā)揮著為發(fā)電設(shè)備傳輸電流并傳輸電力的作用，為了有效的保證小型水電站發(fā)電機(jī)組的正常工作運(yùn)行，就需要保證這些設(shè)備可以有效的運(yùn)行。針對(duì)這樣的情況，就需要對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行隨時(shí)隨地的檢查，一旦出現(xiàn)油污或者損毀情況，就需要及時(shí)的采取有效的清污處理亦或者是采取相應(yīng)的打磨處理，務(wù)必保證這些設(shè)備處于正常的工作狀態(tài)當(dāng)中。

2.1.5 氯堿工業(yè)的副產(chǎn)氫

在氯堿工業(yè)中，副產(chǎn)氫是電解食鹽水的副產(chǎn)品，其純度可達(dá)99%。主要用于合成鹽酸、作為燃料。

2.1.6 釀造工業(yè)的副產(chǎn)氫

在釀造工業(yè)中，玉米、小麥通過(guò)厭氧發(fā)酵，可產(chǎn)生副產(chǎn)氫。

3 運(yùn)輸存儲(chǔ)技術(shù)

3.1 運(yùn)輸技術(shù)

當(dāng)前主流的儲(chǔ)氫、運(yùn)輸技術(shù)包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、金屬或有機(jī)溶液儲(chǔ)氫等技術(shù)。

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)是利用壓縮機(jī)將氫氣壓縮到承壓容器中。特點(diǎn)是成本低，能耗低，技術(shù)最成熟，但運(yùn)輸成本高。高壓儲(chǔ)氫罐拖車(chē)百公里運(yùn)輸成本為21.5元/kg(按500 km計(jì)算)。另一問(wèn)題是，受限于材質(zhì)問(wèn)題，儲(chǔ)氫密度受壓力影響較大，體積比容量太低，儲(chǔ)氫量少。

低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是將氫氣通過(guò)低溫液化后以液態(tài)的形式儲(chǔ)存，液氫的密度為氣態(tài)氫的800 倍以上，儲(chǔ)運(yùn)簡(jiǎn)單，容量大，但氫氣的液化過(guò)程能耗高，需要耐超低溫和保持超低溫的絕熱裝置來(lái)隔熱。液氫槽車(chē)百公里運(yùn)輸成本為14.8元/kg(按500 km計(jì)算)。

金屬或有機(jī)溶液儲(chǔ)氫是利用有機(jī)溶液、金屬在催化劑作用下進(jìn)行加氫，生成穩(wěn)定化合物，需要時(shí)再進(jìn)行脫氫處理。特點(diǎn)是較高儲(chǔ)氫密度(50 g/L以上)，且成本相對(duì)較低，但熔點(diǎn)、沸點(diǎn)均較高，需要專(zhuān)門(mén)的加氫、脫氫裝置，前期投資大。

3.2 管輸技術(shù)

3.2.1 純氫輸送

純氫管道輸送，全球不過(guò)4 500 km規(guī)模。以φ508 mm管道為例，年輸送能力10萬(wàn)噸，氫氣管道造價(jià)大約400～600萬(wàn)元/km，天然氣管道15～50萬(wàn)元/km，是天然氣管道造價(jià)的8倍以上。我國(guó)現(xiàn)有氫氣管道僅100余千米，純氫管輸技術(shù)還在進(jìn)一步發(fā)展中，距離大規(guī)模應(yīng)用還有一定距離。

3.2.2 富氫輸送

根據(jù)最新研究成果，在壓力較低的情形下(小于5 kPa)，氫氣濃度即使達(dá)到50%，不會(huì)出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象，聚乙烯(PE)與50%濃度氫氣長(zhǎng)期接觸不會(huì)出現(xiàn)化學(xué)相容的問(wèn)題，給富氫天然氣民用化提供了思路。常用的天然氣金屬管道材料，如碳鋼、不銹鋼、銅、黃銅、鋁合金等可以用于民用富氫氣的輸送[6]。2021年，國(guó)內(nèi)發(fā)布了適用氫氣比例為20%以下的富氫天然氣和12T天然氣兩種氣源的燃?xì)鉄崴?、燃?xì)庠罹叩?，進(jìn)一步豐富了應(yīng)用場(chǎng)景。

4 氫能的應(yīng)用場(chǎng)景

4.1 熱源、動(dòng)力源

4.1.1 機(jī)械動(dòng)力源

直接燃燒式獲取機(jī)械動(dòng)力，比燃料電池技術(shù)能源轉(zhuǎn)換率低，應(yīng)用場(chǎng)景不廣泛。

4.1.2 民用燃?xì)?/p>

作為民用燃?xì)庵饕侵该裼酶粴涮烊粴饧夹g(shù)，在常規(guī)天然氣中加入一定比例的氫氣，通過(guò)改造燃?xì)馄骶?，?shí)現(xiàn)氫氣的民用化，減少獨(dú)立建造管網(wǎng)的昂貴支出，以此持續(xù)做大氫氣消費(fèi)市場(chǎng)。

富氫天然氣(氫氣含量為15%～20%)，對(duì)比焦?fàn)t煤氣(氫氣含量為55%～60%)，富氫天然氣氫氣含量并不高，約為焦?fàn)t煤氣的三分之一到四分之一，安全風(fēng)險(xiǎn)、應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)比焦?fàn)t煤氣低，完全可以作為焦?fàn)t煤氣的替代技術(shù)。利用原本的焦?fàn)t煤氣、天然氣輸送管道，實(shí)現(xiàn)氫氣的商品化、市場(chǎng)化。

4.1.3 燃料電池

燃料電池技術(shù)對(duì)環(huán)境無(wú)污染，具有噪音低(低于55分貝)、發(fā)電效率高(＞50%以上)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前主流的燃料電池技術(shù)有氫、熔融碳酸鹽、固體氧化物、甲醇等，氫燃料電池被認(rèn)為是最清潔、最理想的一種。

目前，氫燃料電池技術(shù)依然具有其短板，車(chē)載存儲(chǔ)儲(chǔ)存技術(shù)依然難以攻克，壓縮純氫、液化氫等安全保障技術(shù)成本高昂，運(yùn)輸、存儲(chǔ)、加注技術(shù)難度依然很大?？商娲夹g(shù)是車(chē)載甲醇制富氫技術(shù)，通過(guò)加注甲醇，在車(chē)上制造富氫(氫氣、一氧化碳、甲烷)，直接供內(nèi)燃機(jī)(發(fā)動(dòng)機(jī))燃燒做工，該技術(shù)與直接加注純氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)不同，甲醇是最理想的替代燃料，被認(rèn)為是期望最高的車(chē)用清潔能源。

4.1.4 自循環(huán)民用燃?xì)?/p>

實(shí)現(xiàn)光伏制氫技術(shù)小型化，移動(dòng)式、便攜式可用于牧區(qū)、高原地區(qū)民用需求。通過(guò)：光能→氫氣→燃料電池→電能，可實(shí)現(xiàn)一家人一天的燃?xì)?、電力需求?/p>

4.2 中間存儲(chǔ)介質(zhì)

當(dāng)前，水電、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)主要矛盾有三個(gè)：

一是水電方面。夏季，特別是汛期，發(fā)電量達(dá)到最高負(fù)荷，大量的電無(wú)法被及時(shí)使用，大量水資源浪費(fèi)。冬季，全國(guó)供暖、民用需求激增，已經(jīng)進(jìn)入干燥少雨的季節(jié)，水電供給能力有限。以三峽電站為例，夏季最高可達(dá)150億千瓦時(shí)/月，冬季枯水期間，發(fā)電能力僅50億千瓦時(shí)/月。

二是風(fēng)電方面。受季風(fēng)、天氣等影響，全年電力供應(yīng)并不平衡，發(fā)電能力強(qiáng)的時(shí)候，市場(chǎng)消納能力不一定強(qiáng)，市場(chǎng)需求大的時(shí)候，電力供應(yīng)可能跟不上。雖經(jīng)國(guó)家電網(wǎng)統(tǒng)一輸配電調(diào)整之后，該項(xiàng)問(wèn)題并不明顯，由于缺乏中間緩沖環(huán)節(jié)，讓自身矛盾非常突出。

三是光伏發(fā)電方面。受日照時(shí)間、天氣等影響明顯，如果缺乏大規(guī)模儲(chǔ)能設(shè)備，夜間無(wú)法進(jìn)行供電。

將氫能作為間歇性、波動(dòng)性能源的調(diào)節(jié)器，可在夏季、季風(fēng)等時(shí)期將富余電力轉(zhuǎn)化為氫能(或是氫能衍生物甲醇、乙醇等)進(jìn)行存儲(chǔ)，通過(guò)直接燃燒、燃料電池等技術(shù)，在冬季、夜間、用電高峰期等進(jìn)行供電。

4.3 化工原料

氫氣是一種重要的氣體化工原料，廣泛應(yīng)用在食品、日化品、金屬冶煉、玻璃制造、焊接、鍛造、化工等方面。氫與氮?dú)狻⒁谎趸蓟蛴袡C(jī)化合物加氫反應(yīng)，例如一氧化碳加氫合成甲醇、合成氨等。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)電解水制氫的技術(shù)路線可行，但轉(zhuǎn)化效率過(guò)低，中間能量消耗比較大，制備成本較高。受間歇性、周期性影響，市場(chǎng)消納能力有限，遠(yuǎn)程運(yùn)輸費(fèi)用偏高，長(zhǎng)輸管道建設(shè)面臨技術(shù)難題。由此，衍生制造甲醇、富氫(CO、H2)，天然氣加氫(＜20%)等技術(shù)，解決管道輸送、運(yùn)輸?shù)葐?wèn)題，豐富氫能的應(yīng)用場(chǎng)景，提升市場(chǎng)消納能力。

(2)在可再生能源豐富地區(qū)(西北、川渝等地區(qū))先行發(fā)展氫能工藝，構(gòu)建全國(guó)新氫能生產(chǎn)基地，擴(kuò)大在氫能源汽車(chē)、民用燃?xì)?、工業(yè)制造、取暖發(fā)電等方面的應(yīng)用，加快布局純氫制富氫、甲醇技術(shù)應(yīng)用，可有效消納棄水、棄風(fēng)、棄光電力，同時(shí)降低制氫成本，促進(jìn)市場(chǎng)發(fā)展。

(3)以實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰碳中和”為目的，擴(kuò)大綠電制氫，通過(guò)氫氣、二氧化碳制甲醇的產(chǎn)能布局，推動(dòng)二氧化碳固定、回收產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳的捕捉再利用，抵消其他產(chǎn)業(yè)的二氧化碳排放。

(4)同步配套氫下游制品產(chǎn)業(yè)鏈，氫制甲醇，衍生制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲胺和硫酸二甲酯等有機(jī)產(chǎn)品。模擬植物光合作用，通過(guò)光伏發(fā)電制氫，捕捉工業(yè)制造中二氧化碳，制造工業(yè)原材料。