寫稿
投稿
2020年12月12日中國(guó)在氣候雄心峰會(huì)上宣布了關(guān)于應(yīng)對(duì)氣候變化的最新目標(biāo)，要求2030年相比2005年碳排放強(qiáng)度降低65%以上。
因此未來單位GDP碳排放下降幅度依然會(huì)較高。為完成2021-2025年、2026-2030的碳排放強(qiáng)度下降目標(biāo)都需要在18%左右。
中國(guó)國(guó)家主席習(xí)近平在9月22日召開的第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上再次表示：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，爭(zhēng)取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。”
在“雙碳”目標(biāo)的背景下，大力發(fā)展可再生能源，促進(jìn)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)快速轉(zhuǎn)型是達(dá)成“雙碳”目標(biāo)的必經(jīng)之路和必要手段。
從能源安全的角度講，開發(fā)風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源是減少我國(guó)經(jīng)濟(jì)對(duì)國(guó)際油氣依賴程度、推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型升級(jí)的有效途徑，也是未來提高能源自給率的重點(diǎn)方向。
此外，從貨幣安全的角度考慮，目前國(guó)際石油貿(mào)易中的交易貨幣以美元為主，為了購(gòu)買石油而儲(chǔ)備美元是必要手段。
但由于近幾年來美元的不穩(wěn)定性對(duì)我國(guó)貨幣安全造成一定影響，例如近期美聯(lián)儲(chǔ)為了拉動(dòng)內(nèi)需，刺激本國(guó)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)，增發(fā)貨幣導(dǎo)致美元一定幅度貶值等事件。由此對(duì)各國(guó)的美元貨幣儲(chǔ)備都有一定程度的負(fù)面影響。因此，對(duì)于發(fā)展可再生能源，減少能源對(duì)外依存度，提升我國(guó)能源安全與貨幣安全環(huán)境是勢(shì)在必行。
針對(duì)我國(guó)現(xiàn)階段各個(gè)產(chǎn)業(yè)的碳排放量結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，電力和熱力的碳排放量占比51.4%，其中火力發(fā)電占我國(guó)電力系統(tǒng)發(fā)電比重最大，占全國(guó)發(fā)電總量的73%。預(yù)計(jì)未來電力等能源活動(dòng)的減排力度最大。該領(lǐng)域?qū)＜姨岢觯瑢?shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵在于發(fā)展“零碳電力”。與此同時(shí)，發(fā)展可再生能源發(fā)電來維持我國(guó)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定就顯得尤為重要，目前我國(guó)現(xiàn)有的多種可再生能源發(fā)電方式都處于較快的發(fā)展階段，如光伏、風(fēng)力、潮汐發(fā)電等。
具體而言，我國(guó)目前的能源活動(dòng)（包括能源生產(chǎn)過程和能源使用過程）碳排放需要減排87億噸，占總減排量之比為81%。能源生產(chǎn)過程（2018年，電熱生產(chǎn)二氧化碳排放量為49.2億噸），電力生產(chǎn)需要減排38億噸。2019 年我國(guó)碳排放量 115 億噸，其中發(fā)電碳排放量 45.69 億噸 CO2，占比 40%；工業(yè)燃燒碳排放量 33.12 億噸 CO2，占比 29%。
針對(duì)電力生產(chǎn)行業(yè)的碳減排工作，會(huì)造成我國(guó)對(duì)煤炭資源的使用率逐年下降。這對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型提出了更高的要求，發(fā)展可再生替代能源成為了必經(jīng)之路和必要手段。氫能因其可存儲(chǔ)、可發(fā)電、可燃燒，且無(wú)碳、燃燒熱值高的特點(diǎn)，被稱為是作為21世紀(jì)最具前景的清潔能源之一。未來對(duì)氫氣的開發(fā)和利用有望助力解決我國(guó)能源的可持續(xù)發(fā)展問題。
據(jù)《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》，中國(guó)作為全球第一產(chǎn)氫大國(guó)，現(xiàn)有工業(yè)制氫產(chǎn)能為2500萬(wàn)t/a。
★ 預(yù)計(jì)到2030年，中國(guó)氫氣需求量將達(dá)到3500萬(wàn)t，在終端能源體系中占5%（以熱值計(jì)算）。
★ 預(yù)計(jì)到2050年氫能在中國(guó)能源體系中的占比約為10%，氫氣需求量接近6000萬(wàn)t。
但對(duì)于電力行業(yè)的碳減排工作的進(jìn)行，會(huì)在一定程度上影響我國(guó)氫氣總產(chǎn)量。2020年中國(guó)氫氣產(chǎn)量主要來源在煤制氫占比62%，天然氣占比19%，工業(yè)副產(chǎn)氫占比18%以及電解水制氫1%。
煤制氫在氫氣產(chǎn)量中占62%，在控制煤炭用量尋求碳減排的同時(shí)，也需要尋求發(fā)展其他高效低成本的制氫方式，現(xiàn)階段的煤制氫+CCUS碳捕捉技術(shù)、工業(yè)副產(chǎn)氫、電解水制氫等方式都需要大力發(fā)展來彌補(bǔ)因控制碳排放導(dǎo)致煤炭使用率下降進(jìn)而導(dǎo)致的煤制氫產(chǎn)量的下降。
由于化石能源制氫的碳排較高，且CCUS碳捕捉技術(shù)尚未成熟。對(duì)于未來煤制氫和天然氣制氫仍有很長(zhǎng)的發(fā)展道路。本文將針對(duì)我國(guó)目前現(xiàn)有制氫方式中工業(yè)副產(chǎn)氫和電解水制氫從技術(shù)、成本、經(jīng)濟(jì)可行性等方面進(jìn)行分析論述。
中國(guó)是全球最大的工業(yè)副產(chǎn)氫國(guó)家，因此副產(chǎn)氫在氫氣供應(yīng)方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。目前我國(guó)氫能發(fā)展路線分為初期、中期和遠(yuǎn)期。
★ 氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，由于短期內(nèi)電解水制氫成本高，短時(shí)間內(nèi)很難成為氫氣的主要來源，工業(yè)副產(chǎn)氫由于成本低、運(yùn)輸方便等優(yōu)勢(shì)將成為短中期發(fā)展重點(diǎn)。
★ 進(jìn)入中期階段，將以可再生能源發(fā)電制氫、煤制氫+CCUS碳捕捉技術(shù)等大規(guī)模集中穩(wěn)定供氫為主，工業(yè)副產(chǎn)氫為輔助手段。
★ 遠(yuǎn)期來看，將以可再生能源發(fā)電制綠氫為主，煤制氫配合CCUS技術(shù)、生物制氫等技術(shù)成為有效補(bǔ)充。
從氫能發(fā)展總體發(fā)展路線來看，工業(yè)副產(chǎn)氫將是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期和中期的主要?dú)錃鈦碓粗弧９I(yè)副產(chǎn)氫氣純化制氫不僅能提高資源有效利用率和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)在碳排放量方面相對(duì)于現(xiàn)階段電解水和化石能源制氫具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)。
此外，工業(yè)副產(chǎn)氫的市場(chǎng)容量巨大、分布廣泛，能提供百萬(wàn)噸級(jí)的氫氣供應(yīng)，可為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期提供低成本高效益的分布式氫源。與其他方法相比，工業(yè)副產(chǎn)氫純化制取高純氫氣，幾乎無(wú)需額外資本及化石原料的投入，既節(jié)約成本，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)廢氣的處理和回收利用，適于規(guī)模化推廣發(fā)展。
在氯堿工業(yè)、乙烷裂化、合成氨、丙烷裂化等工業(yè)生產(chǎn)過程中均有大量氫氣可回收。據(jù)全球能源互聯(lián)網(wǎng)估計(jì)，每年中國(guó)各類工業(yè)副產(chǎn)氫氣的可回收總量可達(dá)15億m3，其理論產(chǎn)氫規(guī)模發(fā)電量可達(dá)21億kWh（按照轉(zhuǎn)化效率為50%計(jì)）。
從氫氣含量方面來看，氯堿工業(yè)副產(chǎn)的氫氣量很大，每生產(chǎn)1 t燒堿可產(chǎn)生約278 m3副產(chǎn)氫氣。目前，中國(guó)有氯堿生產(chǎn)企業(yè)近200家，可產(chǎn)生副產(chǎn)氫氣約97億m3。雖然很多氯堿企業(yè)配套了聚氯乙烯和鹽酸生產(chǎn)線以利用副產(chǎn)氫氣，但利用率僅在60%左右，所以每年可剩余副產(chǎn)氫氣1.6億m3（1.4萬(wàn)t），具有很大的原料氫應(yīng)用潛力。
丙烷脫氫（PDH）是將丙烷經(jīng)過催化反應(yīng)脫氫制丙烯，同時(shí)副產(chǎn)氫氣。據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，2019年國(guó)內(nèi)PDH總產(chǎn)能已達(dá)6085 kt/a。目前，中國(guó)的PDH項(xiàng)目投產(chǎn)共8個(gè)，在建5個(gè)，另規(guī)劃有多個(gè)PDH項(xiàng)目，其中4個(gè)有確切投產(chǎn)年份規(guī)劃，預(yù)計(jì)至2023年，PDH項(xiàng)目將副產(chǎn)氫氣約41億m3（37萬(wàn)t），可支持燃料電池發(fā)電約57億kWh。
焦?fàn)t煤氣是煤在煉焦?fàn)t內(nèi)干餾過程中產(chǎn)生的一種可燃性氣體，其中含有大量氫氣。中國(guó)是全球最大的焦炭生產(chǎn)國(guó)，每t焦炭可產(chǎn)生焦?fàn)t煤氣約350~450 m3，2019年全國(guó)焦炭產(chǎn)量為4.7億t，產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣達(dá)1645~2115億m3。焦?fàn)t煤氣除用于回爐助燃、火力發(fā)電、城市煤氣等用途外，剩余部分可經(jīng)純化獲取高純氫氣，其中氫含量約為55%~60%。
從成本方面來看，根據(jù)《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書（2019年）》，綜合考慮設(shè)備折舊、運(yùn)維和公用工程消耗后，副產(chǎn)氫氣純化作為燃料電池原料氫氣的純化成本約為0.3~0.6元/kg，再將副產(chǎn)氣體成本計(jì)入，則制氫成本為10~16元/kg[22]。化石能源制氫價(jià)格最為低廉，工藝最為成熟，但其制備過程碳排放高。
電解水制氫的氫氣品質(zhì)最好，但成本也是最高的。根據(jù)萬(wàn)聯(lián)證券19年10月發(fā)布的關(guān)于制氫終極方案的研究報(bào)告中提到，參考平均原料價(jià)格比較不同制氫工藝下的制氫成本：煤制氫成本為9-11元/公斤，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)成本最低的制氫路線（煤炭?jī)r(jià)格為550元/噸時(shí)）；天然氣制氫成本為20-24元（天然氣價(jià)格為3.5元/立方米時(shí)）；甲醇制氫成本為23元-25元/公斤（甲醇價(jià)格為3000元 /噸時(shí)）；電解水制氫成本為40元－50元/公斤（電力價(jià)格為0.6元/kWh時(shí)）。工業(yè)副產(chǎn)氫平均成本為12元-18元/公斤。由此可見與其他制氫方式相比，工業(yè)副產(chǎn)氫純化制氫方式的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)化石原料參與且?guī)缀醪恍桀~外資本投入，所獲氫氣在成本和減排方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)。
電解水制氫的氫氣品質(zhì)最好，但成本也是最高的。根據(jù)萬(wàn)聯(lián)證券19年10月發(fā)布的關(guān)于制氫終極方案的研究報(bào)告中提到，參考平均原料價(jià)格比較不同制氫工藝下的制氫成本：
★ 煤制氫成本為9-11元/公斤，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)成本最低的制氫路線（煤炭?jī)r(jià)格為550元/噸時(shí)）
★ 天然氣制氫成本為20-24元（天然氣價(jià)格為3.5元/立方米時(shí)）
★ 甲醇制氫成本為23元-25元/公斤（甲醇價(jià)格為3000元 /噸時(shí)）
★ 電解水制氫成本為40元－50元/公斤（電力價(jià)格為0.6元/kWh時(shí)）
★工業(yè)副產(chǎn)氫平均成本為12元-18元/公斤
由此可見與其他制氫方式相比，工業(yè)副產(chǎn)氫純化制氫方式的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)化石原料參與且?guī)缀醪恍桀~外資本投入，所獲氫氣在成本和減排方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)。
盡管從長(zhǎng)期來看，電解水制氫是最清潔環(huán)保的方式。但考慮到目前電解水制氫用電結(jié)構(gòu)中火電占比較大，依然面臨碳排放問題。按照當(dāng)前中國(guó)電力的平均碳強(qiáng)度計(jì)算，電解水制得1公斤氫氣的碳排放為35.84千克，是化石能源重整制氫單位碳排放的3-4倍。
但現(xiàn)階段，如果考慮“離網(wǎng)”電解制氫，風(fēng)能與太陽(yáng)能發(fā)電均有具有較大的波動(dòng)性與間歇性，若電解水裝置完全離網(wǎng)運(yùn)行，其運(yùn)行時(shí)間就完全取決于發(fā)電裝置的運(yùn)行狀態(tài)。其運(yùn)行時(shí)間僅為并網(wǎng)制氫的1/5，因此造成制造費(fèi)用較并網(wǎng)制氫高約4倍。根據(jù)GGII調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)MW級(jí)以上的風(fēng)光耦合制氫示范性項(xiàng)目沒有離網(wǎng)制氫，均為并網(wǎng)制氫。
因此，現(xiàn)階段電解水制氫面臨電價(jià)、設(shè)備成本過高等因素影響，發(fā)展尚不成熟，但隨著技術(shù)的完善和推廣應(yīng)用，其成本有望快速下降，必然是未來制氫的發(fā)展趨勢(shì)之一。但就短期來看，工業(yè)副產(chǎn)氫是未來10—20年過渡階段最佳途徑之一。
相關(guān)報(bào)告：
1. 化學(xué)副產(chǎn)氫過渡，可再生能源制氫是終極方案（萬(wàn)聯(lián)證券）
2. 低成本的化工副產(chǎn)氫是未來氫源的最佳選擇（光大證券）
3. 碳中和背景下工業(yè)副產(chǎn)氫氣能源化利用前景淺析（中國(guó)煤炭）
4. 適于PEM燃料電池的工業(yè)副產(chǎn)氫純化技術(shù)及其在電網(wǎng)中的應(yīng)用前景
往期精選回顧：
