綠氫與高耗能工業(yè)耦合發(fā)展前景分析
王冠宇?李建陽
（中國中煤能源集團(tuán)有限公司規(guī)劃發(fā)展部）
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2020年底我國制氫能力約4100萬t/a（噸/年），產(chǎn)量3342萬t。我國當(dāng)前制氫原料以煤為主，占總制氫能力的比例約為85%，其中煤制氫占65.3%，焦?fàn)t氣制氫（焦炭和蘭炭副產(chǎn)氫）比例占19.3%，其他制氫原料包括天然氣（煉廠干氣）、氯堿副產(chǎn)、甲醇制氫及電解水制氫等制氫能力占比分別為9.7%、3.3%、1.8%和0.6%。
我國制氫能力主要分布于氮肥、甲醇、現(xiàn)代煤化工（煤制油、煤制天然氣、煤制烯烴、煤制乙二醇）、煉油、焦化、氯堿等石化化工相關(guān)行業(yè)。氫氣在我國石化化工行業(yè)主要用于合成氨、甲醇、現(xiàn)代煤化工、煉油等領(lǐng)域。按2020年各行業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)合成氨的中間原料氫氣產(chǎn)能為1270萬t/a，為最大下游消費(fèi)領(lǐng)域，占比31%；生產(chǎn)甲醇（包括煤經(jīng)甲醇制烯烴）的中間原料氫氣產(chǎn)能為1150萬t/a，為第二大下游消費(fèi)領(lǐng)域，占比28%；現(xiàn)代煤化工范疇內(nèi)的煤間接液化、煤直接液化、煤制天然氣、煤制乙二醇的中間原料氫氣產(chǎn)能為411萬t/a，占比10%；煉廠用氫規(guī)模為450萬t/a，占比11%；焦炭和蘭炭副產(chǎn)氫綜合利用規(guī)模（不包括制氨醇產(chǎn)能）為615萬t/a，占比15%；其他方式氫氣利用比例5%左右。
一、綠氫與高耗能工業(yè)耦合發(fā)展的必要性
（一）符合碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)要求
國務(wù)院印發(fā)的《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》要求工業(yè)領(lǐng)域要加快綠色低碳轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展，力爭(zhēng)率先實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。在鋼鐵行業(yè)，要求促進(jìn)鋼鐵行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和清潔能源替代，推廣先進(jìn)適用技術(shù)，探索開展氫冶金、二氧化碳捕集利用一體化等試點(diǎn)示范，推動(dòng)低品位余熱供暖發(fā)展；在石化化工行業(yè)，鼓勵(lì)以電力、天然氣等替代煤炭，調(diào)整原料結(jié)構(gòu)，控制新增原料用煤，拓展富氫原料進(jìn)口來源，推動(dòng)石化化工原料輕質(zhì)化。發(fā)展電解水制氫符合碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略要求，通過綠氫實(shí)現(xiàn)原料和燃料替代是高耗能工業(yè)碳減排的重要路徑。
（二）推動(dòng)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展
加快發(fā)展可再生能源、實(shí)施可再生能源替代行動(dòng)，是推進(jìn)能源革命和構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系的重大舉措，是我國生態(tài)文明建設(shè)、可持續(xù)發(fā)展的客觀要求。《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》要求開展規(guī)?；稍偕茉粗茪涫痉丁Ｔ诳稍偕茉窗l(fā)電成本低、氫能儲(chǔ)輸用產(chǎn)業(yè)發(fā)展條件較好的地區(qū)，推進(jìn)可再生能源發(fā)電制氫產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，打造規(guī)?；木G氫生產(chǎn)基地。推進(jìn)化工、煤礦、交通等重點(diǎn)領(lǐng)域綠氫替代。推廣燃料電池在工礦區(qū)、港區(qū)、船舶、重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)園區(qū)等示范應(yīng)用，統(tǒng)籌推進(jìn)綠氫終端供應(yīng)設(shè)施和能力建設(shè)，提高交通領(lǐng)域綠氫使用比例。在可再生能源資源豐富、現(xiàn)代煤化工或石油化工產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)好的地區(qū)，重點(diǎn)開展能源化工基地綠氫替代。積極探索氫氣在冶金化工領(lǐng)域的替代應(yīng)用，降低冶金化工領(lǐng)域化石能源消耗。發(fā)展可再生能源離網(wǎng)制綠氫，一方面是實(shí)現(xiàn)可再生能源消納和長時(shí)儲(chǔ)能的重要方式，另一方面通過綠電制綠氫、綠氧，能夠推動(dòng)高耗能工業(yè)實(shí)現(xiàn)原料和燃料的替代，實(shí)現(xiàn)碳減排。
（三）促進(jìn)高耗能工業(yè)低碳發(fā)展
富煤貧油少氣的資源稟賦特點(diǎn)決定了我國以煤為主的工業(yè)發(fā)展特點(diǎn)?！半p碳”目標(biāo)下，推動(dòng)高耗能工業(yè)的煤炭減量替代是實(shí)現(xiàn)碳減排的必由之路?！豆I(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案》提出要重點(diǎn)控制化石能源消費(fèi)，有序推進(jìn)鋼鐵、建材、石化化工、有色金屬等行業(yè)煤炭減量替代，穩(wěn)妥有序發(fā)展現(xiàn)代煤化工，促進(jìn)煤炭分質(zhì)分級(jí)高效清潔利用。推進(jìn)氫能制儲(chǔ)輸運(yùn)銷用全鏈條發(fā)展。鼓勵(lì)有條件的地區(qū)利用可再生能源制氫，優(yōu)化煤化工、合成氨、甲醇等原料結(jié)構(gòu)。到2025年，規(guī)模以上工業(yè)單位增加值能耗較2020年下降13.5%，重點(diǎn)行業(yè)二氧化碳排放強(qiáng)度明顯下降。到2030年，富氫碳循環(huán)高爐冶煉、氫基豎爐直接還原鐵等技術(shù)取得突破應(yīng)用，原燃料替代水平大幅提高，突破窯爐氫能煅燒等低碳技術(shù)。高耗能工業(yè)行業(yè)低碳發(fā)展的路徑包括產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)能提效、綠色制造、循環(huán)發(fā)展、新技術(shù)變革等，離網(wǎng)制氫耦合高耗能工業(yè)發(fā)展，以技術(shù)革新促進(jìn)高耗能工業(yè)減碳去碳。
二、綠氫與高耗能工業(yè)耦合發(fā)展現(xiàn)狀和前景
（一）合成氨
我國是合成氨生產(chǎn)和消費(fèi)大國，未來合成氨有望成為潛在的新型燃料。綠氫或者煤+CCS是我國零碳合成氨生產(chǎn)的重要技術(shù)路徑。據(jù)IEA研究，通過有效利用風(fēng)光資源，我國綠氫合成氨的成本可低至約2870元/t，與煤制合成氨的約2380～2560元/t差距不大。綠氫的合成氨生產(chǎn)成本對(duì)綠氫成本的敏感性較高，而綠氫成本高度依賴于綠電價(jià)格。據(jù)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)分析，到2050年，若不考慮碳價(jià)，在電價(jià)低于0.13元/kWh時(shí)，綠氫合成氨的成本將低于煤制合成氨；若計(jì)入碳價(jià)，電價(jià)約為0.24元/kWh。從區(qū)域和產(chǎn)業(yè)分布看，我國西北、西南和東部沿海地區(qū)具備綠氫合成氨發(fā)展?jié)摿Α?
（二）甲醇
我國甲醇供需主要受消費(fèi)側(cè)影響，進(jìn)出口對(duì)我國甲醇供需影響有限。綠氫或者煤+CCS是零碳甲醇生產(chǎn)的重要技術(shù)路徑。與合成氨的情況類似，短期內(nèi)，傳統(tǒng)的煤制甲醇+CCS是短期內(nèi)最具經(jīng)濟(jì)性的零碳生產(chǎn)路徑。長期來看，隨著綠氫成本降低，綠氫制甲醇具備經(jīng)濟(jì)性。據(jù)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)分析，到2050年，若考慮就地可再生電力制綠氫的情況，當(dāng)電價(jià)低于0.14元/kWh時(shí)，綠氫制甲醇的經(jīng)濟(jì)性可以與煤制氫+CCS制甲醇的經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)。此外，新型的甲醇生產(chǎn)技術(shù)，例如液態(tài)陽光，也具備發(fā)展前景。從區(qū)域和產(chǎn)業(yè)分布看，我國西北和西南地區(qū)具備綠氫制甲醇發(fā)展?jié)摿Α?
（三）鋼鐵
氫冶金是鋼鐵行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要途徑之一。氫冶金工藝目前主要包括高爐富氫煉鐵新技術(shù)、氫基直接還原工藝、氫基熔融還原工藝、氫基等離子直接煉鋼工藝等。近年來，全球鋼鐵工業(yè)都在積極開展氫冶金實(shí)踐。歐洲、日本、韓國等國家和地區(qū)的鋼鐵企業(yè)均制定了包括氫冶金在內(nèi)的低碳冶金技術(shù)路線圖，并加快研發(fā)、試驗(yàn)和應(yīng)用，尋求工藝技術(shù)突破以實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。日本、瑞典、奧地利、德國等國家相繼開展了氫冶金項(xiàng)目，研發(fā)熱點(diǎn)主要有富氫還原高爐煉鐵和氫氣氣基豎爐直接還原工藝。國內(nèi)，寶武集團(tuán)、河鋼集團(tuán)、建龍集團(tuán)、鞍鋼集團(tuán)等鋼鐵企業(yè)也在積極布局氫冶金示范項(xiàng)目，主要工藝路線為富氫還原高爐煉鐵和氫氣基豎爐直接還原。短期內(nèi)氫氣作為還原劑成本仍較高，按照當(dāng)前的煉焦成本估算，鋼鐵產(chǎn)業(yè)用氫替代碳進(jìn)行還原可接受的氫氣成本為7.28元/kg，若不考慮碳價(jià)，對(duì)應(yīng)綠電價(jià)格不超過0.1元/kWh。
（四）水泥
我國是全球最大的水泥生產(chǎn)國和消費(fèi)國，水泥生產(chǎn)過程約有35%的碳排放來自燃料燃燒。采用綠氫作為低碳燃料替代化石燃料是水泥行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳減排的重要技術(shù)路徑。水泥窯改燒氫需要大量改造現(xiàn)有水泥窯結(jié)構(gòu)，并需有連續(xù)穩(wěn)定的氫能供給，氫氣火焰的熱力學(xué)性質(zhì)及其燃燒產(chǎn)生的水蒸氣不利于直接加熱，氫能在水泥行業(yè)中的利用仍處于技術(shù)研發(fā)和示范階段。據(jù)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)分析，當(dāng)綠氫價(jià)格低于5.3元/kg時(shí)，氫氣制水泥的路徑和固廢燃料路徑可以平價(jià)。
三、離網(wǎng)制氫與高耗能工業(yè)耦合發(fā)展的建議
風(fēng)電、光伏等可再生能源具有波動(dòng)性和不確定性的特點(diǎn)，高耗能工業(yè)需要大規(guī)模、穩(wěn)定的氫氣供給。行業(yè)發(fā)展需要精確評(píng)估可再生能源出力特性與高耗能項(xiàng)目的用氫負(fù)荷特性，深入分析不同功率配比下系統(tǒng)的安全性和可靠性，科學(xué)規(guī)劃和建設(shè)儲(chǔ)電、儲(chǔ)輸氫系統(tǒng)，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
區(qū)別于常規(guī)的高耗能項(xiàng)目，離網(wǎng)制氫耦合高耗能項(xiàng)目依賴于前端可再生能源出力，需要研究建立精準(zhǔn)的電-氫-用綜合能源管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)上下游的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)和優(yōu)化控制，最大限度地利用可再生能源制取綠氫、綠氧。
離網(wǎng)制氫耦合高耗能工業(yè)發(fā)展在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都面臨挑戰(zhàn)，中長期發(fā)展可期?？稍偕茉措娊馑凭G氫技術(shù)上整體可行，但是經(jīng)濟(jì)性不及常規(guī)煤制氫。離網(wǎng)制氫耦合高耗能項(xiàng)目的全流程技術(shù)工藝、設(shè)備設(shè)施、材料、系統(tǒng)控制等方面相關(guān)技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)都需要深入研究；可再生能源發(fā)電制氫支持性電價(jià)政策、可再生能源制氫市場(chǎng)化機(jī)制等需要建立和完善。
