隨著對氫能需求的增加及其成本的下降，其生產(chǎn)和運輸?shù)幕A設施也需要跟上。圖片來源：Yu Fangping / Alamy
氫能作為火炬燃料、運營近千輛氫燃料電池車輛作為運輸主力、配建30余座加氫站……氫能在北京2022年冬奧會的廣泛應用，為中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入了新的動力。冬奧會閉幕不久后的3月，中國氫能產(chǎn)業(yè)中長期規(guī)劃出臺，提出了三個五年跨度的氫能發(fā)展計劃。規(guī)劃尤其強調(diào)工業(yè)副產(chǎn)氫短期內(nèi)的積極作用，鼓勵在焦化、氯堿、丙烷脫氫等行業(yè)聚集區(qū)優(yōu)先使用工業(yè)副產(chǎn)氫，并提出了“到2025年，初步建立以工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫就近利用為主的氫能供應體系”的目標。工業(yè)副產(chǎn)制氫是指將富含氫氣的工業(yè)尾氣（如氯堿尾氣、焦爐煤氣等）作為原料，通過變壓吸附等技術將其中的氫氣分離提純的制氫方式。隨著頂層設計出臺，目前已有 30多個省市發(fā)布涉及氫能的規(guī)劃和政策，其中，山東、山西、內(nèi)蒙古等地都提出了要發(fā)揮本地的“工業(yè)副產(chǎn)氫資源優(yōu)勢”。
工業(yè)副產(chǎn)氫不僅成本低廉，而且能夠促進周邊氫能產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展。但是專家認為，在“雙碳”背景下，工業(yè)副產(chǎn)氫項目只能是短期的過渡方案，要避免對此領域的過度投資，盡快轉向可再生能源制氫。
雖然氫能是清潔的可再生能源，釋放能量時只會產(chǎn)生水，沒有碳排放，但是制氫的過程并不是純“零碳”。根據(jù)其生產(chǎn)來源和生產(chǎn)過程中的碳排放情況，氫氣被分為通過化石燃料燃燒產(chǎn)生的灰氫、在灰氫的基礎上使用碳捕集和封存（CCS）技術的藍氫和可再生能源通過電解水等手段所制的綠氫。
中國是世界上大的氫能生產(chǎn)國，年產(chǎn)量達3300萬噸，占全球需求的三分之一以上。從能源結構看，全球氫氣有60%來源于天然氣、19%來源于煤炭，21%來自于工業(yè)副產(chǎn)氣，電解水等低碳方式制氫所占比例微乎其微。中國氫源結構目前仍以煤為主，來自煤制氫的氫氣占比約62%、天然氣制氫占19%，工業(yè)副產(chǎn)占18%，電解水制氫僅占1%。無論是全球還是中國的氫源結構都不夠“綠”，主要是受技術和成本的限制。根據(jù)能源轉型委員會（ETC）的報告，全球生產(chǎn)灰氫的成本目前在0.7至2.2美元/公斤之間，具體數(shù)值取決于不同國家的天然氣或煤炭價格。在此基礎上安裝CCS裝置，變成藍氫，成本將會必然超過灰氫，而最清潔環(huán)保的綠氫成本約為3-5美元/公斤。從長遠來看，想要發(fā)揮氫能對碳達峰、碳中和目標的支撐作用，最清潔的綠氫無疑是的，但是中短期內(nèi)，工業(yè)副產(chǎn)氫被認為是中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要過渡方案。作為工業(yè)大國，中國具有得天獨厚的原料優(yōu)勢。根據(jù)《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)佰皮書》（簡稱“《佰皮書》”）公布的數(shù)據(jù)，目前中國工業(yè)副產(chǎn)氫的提純成本在0.3-0.6元/公斤，考慮副產(chǎn)氣體成本后的綜合制氫成本約在10-16元/公斤。工業(yè)副產(chǎn)氫仍屬于灰氫，但相較于化石燃料制氫，它既能提高資源利用效率和經(jīng)濟效益，又能在一定程度上降低大氣污染，改善環(huán)境。《佰皮書》指出，中國的焦爐煤氣、氯堿化工、合成氨及合成甲醇、丙烷脫氫等工業(yè)每年能夠提供百萬噸級的氫氣供應，在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期提供了低成本、分布式氫源。
自國家規(guī)劃出臺以來，各省市不斷加快推進氫能項目的實施。有媒體統(tǒng)計，2022年上半年共有18個制氫項目落地，其中副產(chǎn)氫項目9個，可再生能源制氫項目9個，在數(shù)量上基本持平。從目前已經(jīng)開展的工業(yè)副產(chǎn)氫項目中，不難發(fā)現(xiàn)，利用工業(yè)副產(chǎn)氣制氫只是其氫能發(fā)展的步而已。工廠生產(chǎn)出來的便宜氫氣為其周邊的區(qū)域以及所在的城市提供了建設氫能基礎設施的契機。
氫能產(chǎn)業(yè)鏈分為制氫、儲運、加氫站、氫燃料電池應用等多個環(huán)節(jié)。國際能源署（IEA）研究指出，想要發(fā)展氫能，需要有效且具有成本效益的儲運系統(tǒng)的支持，將供應端和需求端連接起來，建立一個高流動性的市場。中國目前已經(jīng)開展的副產(chǎn)氫項目多采用“前站后廠，就近供給”的模式：在工廠的附近建設加氫站，為周邊的氫燃料汽車、公交車以及工廠生產(chǎn)運輸需要使用的重型卡車提供氫氣。
以山東省為例，據(jù)初步測算，山東省年產(chǎn)氫氣260萬噸左右，居全國一號，大部分為工業(yè)副產(chǎn)氫。2021年省內(nèi)加氫母站在泰山鋼鐵集團建成投產(chǎn)，該加氫站能夠輻射周邊150公里范圍的近百輛氫能汽車的需求，其氫氣來源就是鋼鐵廠的工業(yè)副產(chǎn)焦爐煤氣。隨著加氫站的建成，山東重工集團的10輛49噸氫燃料電池牽引車也投入了運營。內(nèi)蒙古烏海市也采取了類似的措施。由烏海化工的氯堿工廠產(chǎn)生的工業(yè)副產(chǎn)氫通過管道輸送至工廠前方的加氫母站，再通過長管拖車運輸至子站，為全市50輛氫燃料電池公交車提供氫氣。同時，烏海及周邊地區(qū)總計8萬輛礦山用車和柴油貨車如果更新?lián)Q代為氫燃料電池車，將提供更為廣闊的應用空間。
上海的氫燃料客車。圖片來源：Alamy
加氫站等基礎設施的建設是構建氫能產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)，也是中國氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)。和氫氣生產(chǎn)所面臨的問題一樣，成本是阻礙加氫站建設的重要因素。《佰皮書》數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)建設一座日加氫能力500公斤的加氫站需要約1,200 萬元，相當于傳統(tǒng)加油站的3倍左右。除了建設成本外，加氫站的運行還面臨著設備維護、運營、人工等費用，從而成了氫能產(chǎn)業(yè)的“卡脖子”環(huán)節(jié)。想要把產(chǎn)業(yè)鏈打通，加氫站和氫燃料電池車的供需匹配十分重要。若氫燃料電池車數(shù)量少，加氫站運營就沒有經(jīng)濟性和規(guī)模效應。IEA在上述報告中指出，使用副產(chǎn)氫有助于在工業(yè)中心獲得低成本氫氣并部署服務于工業(yè)的燃料電池卡車和公共汽車車隊，以限度地提高加氫站的利用率。這個模式解決了氫能部署主要面臨的成本的問題。工業(yè)副產(chǎn)氫項目不僅制氫成本低廉，而且由于接近應用端，儲運成本也非常低。《佰皮書》指出，在同一區(qū)域內(nèi)的氫能價值鏈有機會發(fā)揮彼此之間的協(xié)同作用，例如在工業(yè)集群和運輸走廊上的卡車車隊可以依托更大規(guī)模優(yōu)勢降低總體成本。山西的“柴改氫”項目就是這樣的一個例子。山西焦煤集團利用自有的煤炭焦化產(chǎn)能，提供低成本氫源，使用氫能重卡運煤，其產(chǎn)能全年可滿足2200臺重卡滿負荷使用。參與該項目的國家電投國氫科技總經(jīng)理張銀廣在采訪中表示，煤炭基地外運量大且穩(wěn)定，一個區(qū)域擁有成千甚至上萬輛氫能重卡，為運營階段規(guī)模化降低成本提供了可能。只要氫氣成本能夠控制在25元/公斤以下，氫能重卡較柴油車就有足夠競爭力。
工業(yè)副產(chǎn)氫在現(xiàn)階段氫能供應方面有很大的潛力，但是并不能夠滿足持續(xù)增長的需求，其項目模式在一定程度上促進了上下游協(xié)同發(fā)展，不過氫能產(chǎn)業(yè)鏈仍存在“儲運難”等諸多掣肘，過度發(fā)展工業(yè)副產(chǎn)氫有著鎖定高碳基礎設施的風險。在“雙碳”目標的背景下，鋼鐵、化工等工業(yè)領域的產(chǎn)能必然下降，其副產(chǎn)氣也會大幅減少，未來用工業(yè)副產(chǎn)氣制氫必將遭遇產(chǎn)能瓶頸。河北省就遇到了這個問題，隨著碳達峰、碳中和工作推進，河北焦炭企業(yè)數(shù)量將在“十四五”期間減少到40家左右，未來實際可提純利用的工業(yè)副產(chǎn)氫資源總量也將從94萬噸/年降低為約45萬噸/年。此外，目前現(xiàn)有的大部分加氫站采用外供氫源，需要依靠高壓氣態(tài)的運輸方式，如果超過200公里，運輸成本就會大幅增加。“就近消納”是工業(yè)副產(chǎn)氫模式得以成功運行的關鍵，但并不是所有工業(yè)園區(qū)都能夠像山西焦煤集團一樣“自產(chǎn)自銷”。儲運環(huán)節(jié)成本高的問題受技術限制短期內(nèi)仍難以解決。參觀者在第四屆中國國際進口博覽會展區(qū)了解高壓氫氣儲存系統(tǒng)。圖片來源: Alamy獨立能源分析師朱利安·阿爾米約（Julien Armijo） 認為，依托于煤化工業(yè)的工業(yè)副產(chǎn)氫在短期內(nèi)可能是個機會，但是過分依賴工業(yè)副產(chǎn)氫是“危險”的，投資錯誤的基礎設施會導致“碳鎖定”效應。如果企業(yè)將用工業(yè)副產(chǎn)氣制氫視為減碳的手段，反而延長了本該加速淘汰的高碳排放基礎設施的壽命。他指出，同樣問題也出現(xiàn)在其他地區(qū)，尤其是歐洲。石油和天然氣行業(yè)經(jīng)常聲稱藍氫能夠迅速擴大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，因此應該作為大規(guī)模生產(chǎn)綠氫前的臨時解決方案。然而智庫E3G 的報告表明，這種方法反而會適得其反，藍氫鎖定了高碳基礎設施和就業(yè)機會，很有可能阻礙綠氫的發(fā)展。阿爾米約也持相同的觀點，“當企業(yè)傾注大量的資金去建設基礎設施，他們通常期待其能夠運營數(shù)十年甚至更久的時間，才愿意對他們進行替換或淘汰”。E3G 建議，為了確保向綠氫轉變，政府需要設定明確的時間表和目標、問責制和透明度機制，以及支持逐步過渡的法規(guī)和標準，但是阿爾米約對此并不樂觀，“應對氣候變化刻不容緩，各國的行動都太慢了。”
墨卡托中國研究所（Mercator Institute for China Studies，簡稱Merics）的分析報告指出，中國對氫能的政策支持仍以“產(chǎn)業(yè)發(fā)展為主，綠化為輔”。相較于旨在利用綠色氫能實現(xiàn)快速脫碳的歐洲戰(zhàn)略，中國的氫能目標過于保守。好消息是，可再生能源制氫的成本近年來持續(xù)下降，有望成為氫氣來源的主流。ETC報告預計到2030年，在大多數(shù)地區(qū)，綠氫的成本將低于每公斤2美元。未來，綠氫在大部分地區(qū)將會比藍氫、灰氫更便宜。Merics的分析師亞歷山大·布朗（Alexander Brown） 表示，工業(yè)副產(chǎn)氣為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了便宜的氫氣來源，但仍屬于灰氫，制氫過程中會產(chǎn)生二氧化碳。中國需要利用氫能來實現(xiàn)“雙碳”目標，而只有綠氫才能夠做到這一點。他提醒中國不能依賴工業(yè)副產(chǎn)氫來滿足不斷增長的能源需求，“如果中國認真對待其氣候目標，就必須盡快轉向綠色氫能。”
文章來源：馬里亞納氫電
注：本文已經(jīng)獲得馬里亞納氫電公眾號轉載權。
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朱穎
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