“碳中和”成功實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵：氫能在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

在碳中和目標(biāo)確定以后，中國(guó)的工業(yè)和能源領(lǐng)域正式步入了全新的“減碳模式”。

碳中和目標(biāo)是今年9月22日在75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)期間提出的，中國(guó)提出要提高自主貢獻(xiàn)的力度，采取更有效的政策和措施，力爭(zhēng)2030年之前二氧化碳排放達(dá)到峰值，2060年之前實(shí)現(xiàn)碳中和。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，碳達(dá)峰和碳中和對(duì)我國(guó)的壓力不容小覷。據(jù)國(guó)網(wǎng)能源研究院數(shù)據(jù)顯示，2019年全球能源相關(guān)的碳排放達(dá)到333億噸，中國(guó)、美國(guó)、歐盟的碳排放合計(jì)占全球的一半以上，其中，中國(guó)為97.4億噸，美國(guó)為47.7億噸，歐盟為39.8億噸。中國(guó)碳排放占全球的29.2%，是全球最大的碳排放國(guó)。2019年中國(guó)的碳排放強(qiáng)度為8.4萬(wàn)噸/萬(wàn)美元，分別是法國(guó)、英國(guó)、日本、美國(guó)的8.3、7.4、5.1、3.2倍。我國(guó)不僅需要加強(qiáng)整體的減碳水平，還要調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。但調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)是一個(gè)緩慢的過(guò)程，在高耗能行業(yè)做好減排和提高能效是當(dāng)務(wù)之急。工業(yè)領(lǐng)域也就成了“眾矢之的”。

在碳中和的目標(biāo)下，我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的減碳面臨著巨大壓力。但這同時(shí)也孕育著新一輪機(jī)遇。在“十四五”乃至更長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，氫能將會(huì)在我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域減碳進(jìn)程中扮演重要角色。

碳中和情景下工業(yè)領(lǐng)域的氫能發(fā)展機(jī)遇

當(dāng)前，氫能主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，如煉油、氨生產(chǎn)、甲醇生產(chǎn)、煉鋼等，絕大部分氫能來(lái)源于化石燃料。這里面煉油和氨生產(chǎn)對(duì)氫氣的使用量最大，大約能達(dá)到33%和27%。鋼鐵行業(yè)目前用氫量較少，僅為3%左右。

在工業(yè)領(lǐng)域，鋼鐵、冶金、水泥等高耗能產(chǎn)業(yè)既是碳排放的大戶，又是深度減碳的難點(diǎn)。

全球工業(yè)碳排放的45%來(lái)自鋼鐵、水泥等高耗能產(chǎn)業(yè)，其中高耗能產(chǎn)業(yè)碳排放的45%來(lái)自于工業(yè)原料的使用，35%是為生產(chǎn)高位熱能而排放，20%來(lái)自于生產(chǎn)低位熱能環(huán)節(jié)。

人們常說(shuō)的電能替代并不能解決高耗能產(chǎn)業(yè)的減碳問(wèn)題。為什么這么說(shuō)呢？因?yàn)榧词故褂每稍偕茉措姎饣侄危仓荒芙档透吆哪墚a(chǎn)業(yè)中低位熱能那部分碳排放，而這部分只占20%左右。對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域因原料和高位熱能而產(chǎn)生的80%的碳排放，目前還是無(wú)能為力。（數(shù)據(jù)來(lái)源于麥肯錫《工業(yè)部門(mén)脫碳方案》）

鋼鐵、冶金、石化、水泥的生產(chǎn)過(guò)程中需要大量的高位熱能，所謂高位熱能是指需要高于400℃的熱能，這部分熱能很難用電氣化的方式來(lái)解決。

以鋼鐵行業(yè)為例，鋼鐵是工業(yè)的碳排放大戶，當(dāng)前全球鋼鐵的75%采用高爐進(jìn)行生產(chǎn)，在高爐所采用的“長(zhǎng)流程”生產(chǎn)方式中，都是添加焦炭作為鐵礦石還原劑。在這種情況下，每生產(chǎn)一噸生鐵需要消耗1.6噸的鐵礦石、0.3噸的焦炭和0.2噸的煤粉。也就是說(shuō)，生產(chǎn)每噸鋼鐵的碳排放強(qiáng)度達(dá)到2.1噸。

高爐的還原過(guò)程所產(chǎn)生的碳排放占到鋼鐵生產(chǎn)全部碳排放的90%。因?yàn)樘寂欧胚^(guò)多，人們已經(jīng)開(kāi)始使用天然氣代替焦炭作為還原劑，然后通過(guò)電弧爐將海綿鐵轉(zhuǎn)化為鋼，這是人們?yōu)榱藴p少煉鋼過(guò)程中碳排放的一種嘗試，可惜仍然無(wú)法達(dá)到深度脫碳。

為了進(jìn)一步解決鋼鐵行業(yè)的碳排放壓力，很多歐美國(guó)家開(kāi)始探索氫冶金技術(shù)，而且取得了巨大的進(jìn)展。

（1）在最新的氫能煉鋼工藝中，在低于礦石的軟化溫度下，用氫氣直接作為還原劑可以將鐵礦石直接還原成海綿鐵，海綿鐵中碳和硅的含量較低，成分已經(jīng)類似于鋼，可以替代廢鋼直接用于煉鋼。

（2）用氫代替焦炭和天然氣作為還原劑，可以基本消除煉鐵和煉鋼過(guò)程中的絕大部分碳排放。如果隨著可再生能源成本下降，以及制氫工藝的成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)可再生能源電解水制氫，在軋鑄環(huán)節(jié)使用可再生能源發(fā)電，最后基本可以實(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)的近零排放。

我國(guó)在利用氫能實(shí)現(xiàn)冶金工業(yè)深度脫碳方面也有很多嘗試。以中核集團(tuán)、中國(guó)寶武集團(tuán)為代表，這些企業(yè)正在探索利用氫氣取代碳作為還原劑的氫冶金技術(shù)，推動(dòng)鋼鐵冶金基本實(shí)現(xiàn)二氧化碳的零排放。2019年1月，中核集團(tuán)與中國(guó)寶武、清華大學(xué)簽訂了《核能—制氫—冶金耦合技術(shù)戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，就核能制氫——冶金耦合技術(shù)展開(kāi)合作。

氫能利用的挑戰(zhàn)

1、氫能利用經(jīng)濟(jì)性存在挑戰(zhàn)

工業(yè)領(lǐng)域的氫能替代在技術(shù)上可行只是硬幣的一面，在經(jīng)濟(jì)上可行才是氫能大規(guī)模利用的先決條件。

在制氫路徑中，灰氫目前成本優(yōu)勢(shì)明顯，但未來(lái)可再生能源發(fā)電電解水制氫是實(shí)現(xiàn)綠氫的最好途徑。但制取綠氫主要面臨成本過(guò)高的問(wèn)題。一方面，可再生能源發(fā)電成本還較高，另一方面，電解槽的能耗和投資也占成本的很大部分。未來(lái)解決這兩方面問(wèn)題可以不斷提高生產(chǎn)綠氫的經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)國(guó)網(wǎng)能源研究院數(shù)據(jù)，電解水制氫成本受電價(jià)影響較大，電價(jià)占制氫成本的70%以上，以國(guó)內(nèi)市場(chǎng)為例，目前電制氫成本為30-40元/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煤制氫成本（煤制氫成本約為15.85元/kg）。

除綠氫制取成本有待下降之外，碳價(jià)的高低也決定了氫能利用的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)彭博新能源《氫能經(jīng)濟(jì)展望》報(bào)告數(shù)據(jù)，到2050年，若碳價(jià)達(dá)到50美元/噸二氧化碳時(shí)，足以讓鋼鐵企業(yè)放棄煤炭，轉(zhuǎn)用清潔氫氣；碳價(jià)達(dá)到60美元/噸二氧化碳時(shí)，水泥行業(yè)將轉(zhuǎn)用氫能供熱；碳價(jià)達(dá)到78美元/噸二氧化碳時(shí)，制氨的化工企業(yè)也會(huì)轉(zhuǎn)用氫氣供能；碳價(jià)達(dá)到145美元/噸二氧化碳且氫氣成本降至1美元/千克，則船只也可通過(guò)清潔氫氣提供動(dòng)力。到2031年，以氫氣為燃料的重型卡車成本可能比柴油更低。但對(duì)于乘用車、公共汽車和輕型卡車而言，純電驅(qū)動(dòng)的成本更低。

2、儲(chǔ)運(yùn)難題——大規(guī)模運(yùn)輸難、儲(chǔ)存難

和油氣等傳統(tǒng)燃料易運(yùn)輸、可規(guī)模儲(chǔ)存不同，國(guó)內(nèi)氫的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的能效、安全問(wèn)題還沒(méi)有完全解決?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)主要采用氣態(tài)高壓氫儲(chǔ)存和運(yùn)輸方式，此外也有少量液氫儲(chǔ)運(yùn)、吸附儲(chǔ)氫等方式。

綜合來(lái)看，壓縮氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)成熟，優(yōu)點(diǎn)是充放氫速度可調(diào)，但存在儲(chǔ)氫密度低，容器耐壓要求高等缺點(diǎn)。目前，雖然技術(shù)發(fā)展成熟廣泛應(yīng)用于車用氫能領(lǐng)域，但在國(guó)內(nèi)關(guān)鍵零部件仍然要依賴進(jìn)口，儲(chǔ)氫密度也比國(guó)外低。

低溫液態(tài)儲(chǔ)氫具有體基礎(chǔ)性密度高、液態(tài)氫純度高等優(yōu)點(diǎn)。但氫氣液化過(guò)程中需要消耗很高的能量，對(duì)儲(chǔ)氫容器的絕熱性要求很高，導(dǎo)致設(shè)備材料成本高昂。

此外，液氨甲醇儲(chǔ)氫存在操作技術(shù)復(fù)雜，氣體充放效率相對(duì)較低。有機(jī)材料、金屬合金等固態(tài)儲(chǔ)氫，雖然有安全性能高，儲(chǔ)存壓力低，運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著儲(chǔ)存物價(jià)格高昂，儲(chǔ)存釋放條件苛刻的問(wèn)題。這種儲(chǔ)氫方式大多還處于研發(fā)階段，而且國(guó)內(nèi)與國(guó)際先進(jìn)水平存在著較大差距，距商業(yè)化大規(guī)模使用尚有很大差距。

結(jié)語(yǔ)

工業(yè)化讓化石燃料成為全世界應(yīng)用最廣的能源，也給世界帶來(lái)了污染問(wèn)題和氣候問(wèn)題。因?yàn)槭褂没茉吹厍驓夂驕囟纫呀?jīng)上升1℃左右，世界上很多國(guó)家已經(jīng)感受到了氣候變暖的影響，如果繼續(xù)放任氣候問(wèn)題發(fā)展，全球?qū)?huì)有更多人口面臨炎熱和洪水等極端氣候?yàn)?zāi)害的危害。

解鈴還須系鈴人，工業(yè)化造成的溫升還需要工業(yè)領(lǐng)域的低碳化來(lái)解決。目前，日本、韓國(guó)、歐美等國(guó)高度重視氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，不同程度地將氫能作為能源創(chuàng)新的重要方向。在我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和過(guò)程中，尤其是工業(yè)領(lǐng)域，氫能更是深度減排的“攻堅(jiān)利器”。工業(yè)領(lǐng)域減排是減排的硬骨頭，工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用氫能減排短期內(nèi)更是面臨著經(jīng)濟(jì)性的挑戰(zhàn)，但是隨著技術(shù)的成熟、升級(jí)和規(guī)?；瘞?lái)的成本下降，未來(lái)依然可期。

（張學(xué)坤 冉澤）