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            “碳中和”成功實現的關鍵:氫能在工業領域的應用

            來源:中國能源網于 時間:2020-12-22 09:05:00 瀏覽次數:

            碳中和目標是今年9月22日在75屆聯合國大會期間提出的,中國提出要提高自主貢獻的力度,采取更有效的政策和措施,力爭2030年之前二氧化碳排放達到峰值,2060年之前實現碳中和。

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            碳中和目標是今年922日在75屆聯合國大會期間提出的,中國提出要提高自主貢獻的力度,采取更有效的政策和措施,力爭2030年之前二氧化碳排放達到峰值,2060年之前實現碳中和。

            簡單來說,碳達峰和碳中和對我國的壓力不容小覷。據國網能源研究院數據顯示,2019年全球能源相關的碳排放達到333億噸,中國、美國、歐盟的碳排放合計占全球的一半以上,其中,中國為97.4億噸,美國為47.7億噸,歐盟為39.8億噸。中國碳排放占全球的29.2%,是全球最大的碳排放國。2019年中國的碳排放強度為8.4萬噸/萬美元,分別是法國、英國、日本、美國的8.3、7.4、5.1、3.2倍。我國不僅需要加強整體的減碳水平,還要調整產業結構。但調整產業結構是一個緩慢的過程,在高耗能行業做好減排和提高能效是當務之急。工業領域也就成了“眾矢之的”。

             

            在碳中和的目標下,我國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,氫能將會在我國工業領域減碳進程中扮演重要角色。

            碳中和情景下工業領域的氫能發展機遇

            當前,氫能主要應用于工業領域,如煉油、氨生產、甲醇生產、煉鋼等,絕大部分氫能來源于化石燃料。這里面煉油和氨生產對氫氣的使用量最大,大約能達到33%27%。鋼鐵行業目前用氫量較少,僅為3%左右。

            在工業領域,鋼鐵、冶金、水泥等高耗能產業既是碳排放的大戶,又是深度減碳的難點。

            全球工業碳排放的45%來自鋼鐵、水泥等高耗能產業,其中高耗能產業碳排放的45%來自于工業原料的使用,35%是為生產高位熱能而排放,20%來自于生產低位熱能環節。

            人們常說的電能替代并不能解決高耗能產業的減碳問題。為什么這么說呢?因為即使使用可再生能源電氣化手段,也只能降低高耗能產業中低位熱能那部分碳排放,而這部分只占20%左右。對于工業領域因原料和高位熱能而產生的80%的碳排放,目前還是無能為力。(數據來源于麥肯錫《工業部門脫碳方案》

            鋼鐵、冶金、石化、水泥的生產過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解決。

            以鋼鐵行業為例,鋼鐵是工業的碳排放大戶,當前全球鋼鐵的75%采用高爐進行生產,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。在這種情況下,每生產一噸生鐵需要消耗1.6噸的鐵礦石、0.3噸的焦炭和0.2噸的煤粉。也就是說,生產每噸鋼鐵的碳排放強度達到2.1噸。

            高爐的還原過程所產生的碳排放占到鋼鐵生產全部碳排放的90%。因為碳排放過多,人們已經開始使用天然氣代替焦炭作為還原劑,然后通過電弧爐將海綿鐵轉化為鋼,這是人們為了減少煉鋼過程中碳排放的一種嘗試,可惜仍然無法達到深度脫碳。

            為了進一步解決鋼鐵行業的碳排放壓力,很多歐美國家開始探索氫冶金技術,而且取得了巨大的進展。

            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,能夠實現可再生能源電解水制氫,在軋鑄環節使用可再生能源發電,最后基本可以實現鋼鐵生產的近零排放。

            我國在利用氫能實現冶金工業深度脫碳方面也有很多嘗試。以中核集團、中國寶武集團為代表,這些企業正在探索利用氫氣取代碳作為還原劑的氫冶金技術,推動鋼鐵冶金基本實現二氧化碳的零排放。20191月,中核集團與中國寶武、清華大學簽訂了《核能—制氫—冶金耦合技術戰略合作框架協議》,就核能制氫——冶金耦合技術展開合作。

            氫能利用的挑戰

            1、氫能利用經濟性存在挑戰

            工業領域的氫能替代在技術上可行只是硬幣的一面,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,但未來可再生能源發電電解水制氫是實現綠氫的最好途徑。但制取綠氫主要面臨成本過高的問題。一方面,可再生能源發電成本還較高,另一方面,電解槽的能耗和投資也占成本的很大部分。未來解決這兩方面問題可以不斷提高生產綠氫的經濟性。

            根據國網能源研究院數據,電解水制氫成本受電價影響較大,電價占制氫成本的70%以上,以國內市場為例,目前電制氫成本為30-40/kg,遠遠高于煤制氫成本(煤制氫成本約為15.85/kg)。

            除綠氫制取成本有待下降之外,碳價的高低也決定了氫能利用的經濟性。根據彭博新能源《氫能經濟展望》報告數據,到2050年,若碳價達到50美元/噸二氧化碳時,足以讓鋼鐵企業放棄煤炭,轉用清潔氫氣;碳價達到60美元/噸二氧化碳時,水泥行業將轉用氫能供熱;碳價達到78美元/噸二氧化碳時,制氨的化工企業也會轉用氫氣供能;碳價達到145美元/噸二氧化碳且氫氣成本降至1美元/千克,則船只也可通過清潔氫氣提供動力。到2031年,以氫氣為燃料的重型卡車成本可能比柴油更低。但對于乘用車、公共汽車和輕型卡車而言,純電驅動的成本更低。

             

            2、儲運難題——大規模運輸難、儲存難

            和油氣等傳統燃料易運輸、可規模儲存不同,國內氫的儲運技術的能效、安全問題還沒有完全解決?,F階段,國內主要采用氣態高壓氫儲存和運輸方式,此外也有少量液氫儲運、吸附儲氫等方式。

            綜合來看,壓縮氣態儲氫技術成熟,優點是充放氫速度可調,但存在儲氫密度低,容器耐壓要求高等缺點。目前,雖然技術發展成熟廣泛應用于車用氫能領域,但在國內關鍵零部件仍然要依賴進口,儲氫密度也比國外低。

            低溫液態儲氫具有體基礎性密度高、液態氫純度高等優點。但氫氣液化過程中需要消耗很高的能量,對儲氫容器的絕熱性要求很高,導致設備材料成本高昂。

            此外,液氨甲醇儲氫存在操作技術復雜,氣體充放效率相對較低。有機材料、金屬合金等固態儲氫,雖然有安全性能高,儲存壓力低,運輸方便等優點,但也存在著儲存物價格高昂,儲存釋放條件苛刻的問題。這種儲氫方式大多還處于研發階段,而且國內與國際先進水平存在著較大差距,距商業化大規模使用尚有很大差距。

            結語

            工業化讓化石燃料成為全世界應用最廣的能源,也給世界帶來了污染問題和氣候問題。因為使用化石能源地球氣候溫度已經上升1℃左右,世界上很多國家已經感受到了氣候變暖的影響,如果繼續放任氣候問題發展,全球將會有更多人口面臨炎熱和洪水等極端氣候災害的危害。

            解鈴還須系鈴人,工業化造成的溫升還需要工業領域的低碳化來解決。目前,日本、韓國、歐美等國高度重視氫能產業的發展,不同程度地將氫能作為能源創新的重要方向。在我國實現碳中和過程中,尤其是工業領域,氫能更是深度減排的“攻堅利器”。工業領域減排是減排的硬骨頭,工業領域應用氫能減排短期內更是面臨著經濟性的挑戰,但是隨著技術的成熟、升級和規?;瘞淼某杀鞠陆?,未來依然可期。

            Huizhou Dayawan Petrochemical Industrial Park Investment Co;Ltd.

            惠州大亞灣石化工業區投資有限公司

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