氫能的應用主要體現在三個方面：清潔能源、能源載體以及化工原料。氫作為清潔能源可替代化石能源，實現低碳消費，其中交通領域屬于氫能的高端消費客戶端，商業化推進最快;氫的“能源載體”特性可消納豐富的可再生能源，并通過儲存應用在不同的場景，例如分布式發電，孤島電源等;氫氣作為原料可以生產合成氨，甲醇等，同時也是用途廣泛的還原劑。根據預測，要實現2030年碳達峰目標，我國氫氣的年需求量將達到3715萬噸;在2060年實現碳中和，氫氣的年需求量將達到1.3億噸，其中可再生能源制氫(綠氫)規模有望達到1億噸。是實現碳中和的關鍵。工信部、科技部、自然資源部日前聯合印發《“十四五”原材料工業發展規劃》提出“組織研發富氫碳循環高爐、氫能窯爐、氫基直接還原等技術”，并要求實施氫冶金、非高爐煉鐵等低碳冶煉試點項目，開展低碳水泥、氫能窯爐及固碳建材試點，明確了氫在工業減排中的作用。
一、 碳排放痕跡溯源
根據統計數據，我國目前一次能源消費總量約為每年50億噸標準煤，對應排放二氧化碳100億噸，其中煤炭、石油、天然氣的占比分別為57.7%、18.9%、8.1%，非碳能源的占比僅為15.3%。100億噸二氧化碳的排放中，熱電占比45%，建筑占比5%，交通占比10%，工業占比39%，農業占比1%。熱電的主要終端消費者為工業(64.6%)和建筑(28%)。從以上數據可以看出碳排放的痕跡源流：二氧化碳的發端排放源主要為工業、建筑和交通，其中工業占比最大，因此，工業領域氫能應用是實現碳中和的重中之重。
二、 目前我國工業用氫現狀
1、制氫端。2019年我國氫氣生產中近乎98%為化石能源制氫以及工業副產氫，碳排放較高。根據制氫原料不同構成的氫氣來源比重分別為煤制氫占比63.54%，工業副產氫占比21.18%，天然氣制氫占比13.76%，電解水制氫占比1.52%。據預測，在雙碳目標推動和約束下，可再生能源電解制氫(綠氫)在2050年占比將提高到70%，成為我國未來氫能供給的主力軍。這就意味著綠氫發展空間巨大，蘊含著萬億級的產業規模，同樣也會催生各種綠氫新技術的產生和突破，經濟效益、社會效益顯著。
2、用氫端。我國氫能源主要的應用領域為工業領域，化工是氫氣最大的需求行業。2019年，我國合成氨和甲醇制取所需氫氣分別占32%和27%，煉化與化工占據25%的份額，鋼鐵冶煉及其余領域所占氫能源份額為16%。數據顯示，到2060年，工業領域用氫依舊占氫能應用主導地位，約為7794萬噸，占氫總需求量60%;交通運輸領域用氫約為4051萬噸，占總需求的31%(目前占比不到1%)。工業領域成為“雙碳目標”攻關主力軍。從目前整個產業的發展看，我國氫能產業規模有限，技術相對比較傳統，缺乏低碳、低成本、高純度、大規模的應用，也沒有碳稅的約束，因此總體形成了“化石能源制氫”的路徑依賴，不利于“雙碳目標”的實現。
三、 綠氫是低碳工業的主力
1、綠氫是智慧能源。綠氫是通過下載風電、光伏等可再生能源，通過電解水制取。在所有人工制氫途徑中，電解水制氫可以有效消納風電、光伏發電等不穩定電力，以及其他富余(如核電)波谷電力，因而將貫穿于氫能發展的全過程，是建設“氫能社會”用氫的最主要來源之一。隨著電解水制氫技術的不斷發展和成本的逐漸降低，電解水制氫將能逐漸滿足商業化的要求，實現分布式制氫。未來，既可以集中大規模制氫、區域供氫，也可以提供小型模塊化電解水制氫裝置，滿足不同應用場景，并且實現“氫電交互”，構建“分布式智慧能源系統”，擔負“季節性調峰發電”等重任，實現氫電能源智慧互聯，在工業領域“氫、電利用”中發揮作用。
2、綠氫是低碳工業的主力。化工行業當中，氫氣主要用于合成或提質工藝，傳統技術是石腦油制氫和天然氣制氫，是灰氫，都有碳排放;鋼鐵工業中，目前71%的鋼鐵產量是基于傳統高爐，在高爐所采用的“長流程”生產方式中，都是添加焦炭作為鐵礦石還原劑，其中用作還原劑的氫也是灰氫，生產每噸鋼鐵的碳排放強度超過2噸。上述例子充分說明工業領域在實現“雙碳目標”的進程中，必須進行用氫技術改造，以綠氫代替灰氫，擔當減碳的重任。工業領域的減碳面臨著巨大壓力。但這同時也孕育著新一輪機遇。在“十四五”乃至更長一段時間內，綠氫將會在我國工業領域減碳進程中扮演重要角色。是實現“雙碳目標”的關鍵。
四、 制約綠氫進入工業領域的瓶頸
1、綠氫成本偏高。現有技術條件下，綠氫的制取成本高企不下，缺乏經濟性，如果不考慮“綠色貿易壁壘”以及“碳稅”這些政策性的硬性約束，用戶更愿意選擇低成本的制氫路線。工業領域的綠氫替代在技術上可行只是一方面，在經濟上可行才是氫能大規模利用的先決條件。在制氫路徑中，灰氫目前成本優勢明顯，隨著雙碳目標的日益嚴控，未來可再生能源電解水制氫將是實現綠氫的最好途徑。
2、要素壁壘明顯。影響綠色制取成本有兩大核心要素，一是目前可用于綠氫制取的可再生電及核電等電價高;二是綠氫制取關鍵設備電解槽投資較大—功率(1KW)成本一萬元以上。
3、儲運難度較大。現階段，國內主要采用高壓氣態氫儲運方式(重量儲氫密度1~5.8wt%)，少量液氫儲運(重量儲氫密度5-14wt%)、金屬固態儲氫(重量儲氫密度1.4～3.6wt%)等方式，儲存困難且儲存能力較低，經濟半徑受限，形成大規模儲存難、運輸難的局面，國內氫儲運技術的能效、安全問題有待完善解決。這些問題都是制約綠氫進入工業領域的瓶頸。
五、“規模化”是破解瓶頸的“密鑰”
1、綠氫制取規模化。可再生能源發電制氫是新能源革命的重要手段，是能源轉型的需求,是擺脫傳統化石能源依賴的趨勢選擇。工信部下發的《“十四五”工業綠色發展規劃》指出加快氫能技術創新和基礎設施建設，推動氫能多元化發展，對氫能的工業化應用給出了政策指導。
據德國研究，100MW堿性電解槽比5MW同類電解槽成本降低50%。目前國內產能最大堿性電解槽是蘇州競立的1300立/小時新型電解槽，功率5MW。由此可見電解槽成本下降空間很大，要點就在于綠氫制取規模化，推動電解槽功率上規模，帶動制造成本下降，當然其中要突破大規模電解槽結構性的技術問題，會產生很多自主知識產權，帶動科技進步，這是綠氫規模化應用的必然過程和結果。
2、工業應用規模化。目前全球碳排放的45%來自鋼鐵、水泥等高耗能產業，其中高耗能碳排放的45%來自于工業原料的使用，比如鋼鐵冶煉用來做還原劑的焦炭，噸鋼碳排放比為1：2。在我國實現碳中和過程中，尤其是工業領域，綠氫是實現減排的“攻堅利器”。工業領域減排是減排的硬骨頭，工業領域應用綠氫減排短期內更是面臨著經濟性的挑戰，通過規模化應用，可以找到打破工業化應用的“痛點”的辦法，帶動技術創新，大幅降低用氫成本，為規模化綠氫制取提供廣闊的應用市場，反過來規模化綠氫制取帶來的成本下降又能夠促進工業化應用的積極性，實現雙贏。
六、綠色甲醇是規模化應用的現實選擇
1、技術自主領先。氫能規模化利用難，難在成本，因為氫能利用成本中的90%源于氫的壓縮、儲存和運輸。“規模化、低成本、高效用”是氫能產業可持續發展、實現碳中和的關鍵。科技界也一直致力于破解這個難題。中科院2020年度科技成果轉移轉化亮點工作之一“液態陽光合成項目(二氧化碳加氫制甲醇專利技術)”為碳中和提供了新思路。
液態陽光甲醇合成，是利用大規模可再生能源如太陽能、風能、水能等發電，進而電解水產氫，用可再生能源產生的氫氣與二氧化碳反應生成綠色甲醇，從而把可再生能源的能量存儲在液體燃料甲醇中。這提供了減排二氧化碳、儲存可再生能源再利用的切實可行的新技術。在這里，綠色甲醇吃掉二氧化碳，用碳不增碳，成為綠氫的有效液態載體，儲運非常便利。在具體利用方面，可以利用現有設施，配套適當的甲醇解氫裝置，進入原有工藝，無需大規模改造。通過“液態陽光工程”既可解決工業領域剛性排放數億噸級二氧化碳，又可實現規模化可再生能源存儲再利用，是實現“雙碳”目標的顛覆性技術和可行技術，具有完全自主知識產權，達到國際領先。
2、甲醇市場成熟。中國在甲醇領域已經進行了將近二十年的國家層面的推廣。目前國內甲醇的生產技術成熟，產業鏈完善，成本低于汽油和柴油。甲醇除了直接用于燃燒，還可用于內燃機和甲醇重整制氫燃料電池。2019年八部委聯合印發的《關于在部分地區開展甲醇汽車應用的指導意見》，鼓勵企業研發甲醇混合動力汽車、甲醇增程式電動汽車、甲醇燃料電池汽車產品，支持各地推進甲醇燃料生產及加注體系建設。
3、甲醇制氫優勢。綠色甲醇是液態含氫元素比例最高的清潔能源，能量密度高, 其儲氫重量密度高達12.5wt%，常溫常壓下的甲醇儲氫要明顯優于液化(多級壓縮且冷卻能耗巨大)、高壓(安全性無法保證)和其他儲氫技術;甲醇制氫裝置簡單，以綠色甲醇為原料制氫投資少、自動化程度高、生產能力易調節;甲醇的安全性高，其作為液體儲存和運輸的安全性和便捷性都是得天獨厚的;甲醇做為燃料十分穩定、揮發性較低，適合燃料電池的操作。這些優勢高壓氣氫和液氫難以與之比肩。
國資委印發的《關于推進中央企業高質量發展做好碳達峰碳中和工作的指導意見》明確提出“國有企業要加大綠色低碳投資，積極開展低碳零碳負碳技術開發”，提出“穩步構建氫能產業體系，結合工業、交通等領域典型應用場景，積極部署產業鏈示范項目”。同時以工業企業為推動的重點，“鼓勵企業積極開展綠色低碳先行示范，培育示范企業，打造示范園區”。這些高屋建瓴的低碳建設指導思想為綠氫的規模化工業應用指明了方向。
作為碳中和的主力軍，綠色甲醇能夠發揮“綠色液體載氫”功能，通過嫁接成熟的甲醇市場化應用技術經驗，配套甲醇重整解氫，開展綠氫規模化工業應用，既能夠滿足“雙碳目標”戰略要求，又為綠氫成本突破爭取了時間，是目前實現工業降碳的最優路徑，具備規模化應用條件。
能源轉型需要政府的推動力，可以借鑒燃料電池汽車示范城市群的成功經驗，采取政、資、產、學、研、用多方合作的方式，組成“綠氫(綠色甲醇)制、儲、運、用規模化示范協同體”，選擇幾個條件合適的區域建設大規模綠氫(綠色甲醇)制備示范園區，并開展規模化工業應用路線研發與應用，可以起到杠桿作用，事半功倍。對示范園區給與電價優惠政策、對工業應用場景給與配套綠色資金支持，進而帶動電解槽規模化生產制造，實現成本突破，帶動整體成本的大幅下降，實現綠色能源“安全、穩定、清潔、經濟、永續”地造福人類社會。
來源：中國能源網
作者：
評論