苗乃乾，張詩洋，張蕾蕾，龍 辰

（山東氫谷新能源技術(shù)研究院，山東濟南 250001）

氫能是一種來源豐富、綠色低碳、應(yīng)用廣泛的二次能源，正逐步成為全球能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要載體之一。不同國家和地區(qū)的有關(guān)組織先后提出了一些綠氫的標準和定義，總體來看國內(nèi)外對于綠氫的定義基本都以可再生能源發(fā)電生產(chǎn)或通過外購綠電生產(chǎn)的氫氣為基準。例如歐盟委員會根據(jù)可再生能源指令（RED II）的兩項授權(quán)法案要求，可再生氫包括使用可再生能源發(fā)電所產(chǎn)生的氫氣，在可再生能源比例超過90%的地區(qū)采用電網(wǎng)供電所生產(chǎn)的氫氣，以及在低二氧化碳排放限制的地區(qū)簽訂可再生能源電力購買協(xié)議后采用電網(wǎng)供電來生產(chǎn)的氫氣。中國產(chǎn)學(xué)研合作促進會發(fā)布了T/CAB 0078—2020《低碳氫、清潔氫與可再生氫的標準與評價》團體標準，該標準提出可再生氫是指氫氣生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的溫室氣體排放值低于4.90 kg，并且生產(chǎn)所消耗的能源為可再生能源。

化工行業(yè)作為國內(nèi)高碳排放領(lǐng)域之一，其低碳轉(zhuǎn)型對實現(xiàn)“雙碳”目標至關(guān)重要。2020年12月的中央經(jīng)濟工作會議提出“我國二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，力爭2060年前實現(xiàn)碳中和”，清晰地描繪了我國2060年前實現(xiàn)碳中和的路線圖。2021年在全國兩會之中，碳達峰碳中和被寫入到政府工作報告中，同年10月，國務(wù)院針對碳達峰碳中和印發(fā)了《2030年前碳達峰行動方案》。2022年4月，工業(yè)和信息化部等八部門印發(fā)的《關(guān)于“十四五”推動石化化工行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》中指出“合理有序開展利用綠氫，推進煉化、煤化工與綠電、綠氫產(chǎn)業(yè)耦合示范”。2022年6月，國家發(fā)改委等九個部門聯(lián)合印發(fā)了《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》，該規(guī)劃中提到“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)，重點開展能源化工基地綠氫替代”。因此，化工行業(yè)應(yīng)積極開展低碳轉(zhuǎn)型工作，其關(guān)系到中國氣候目標的實現(xiàn)，對保障國家能源安全將發(fā)揮出重要的意義[1]。

1 碳中和目標下化工行業(yè)的氫能應(yīng)用

1.1 氫氣作為清潔能源的利用

化工行業(yè)通常需要大量的能量驅(qū)動生產(chǎn)活動，目前普遍使用天然氣或煤炭等化石燃料，如果將可再生能源及可再生能源制的綠氫來替代傳統(tǒng)燃料則可以顯著降低碳排放。2023 年2 月16 日，中國石化在內(nèi)蒙古第一個綠氫示范工程——內(nèi)蒙古鄂爾多斯市風(fēng)光融合綠氫示范項目正式啟動開工，項目總投資57億元，該項目主要借助鄂爾多斯地區(qū)較為豐富的太陽能和風(fēng)能發(fā)電直接制綠氫，以制氫等新技術(shù)為突破口，促進內(nèi)蒙古地區(qū)能源轉(zhuǎn)型。項目產(chǎn)出的綠氫和綠氧將由管道就近輸送至中天合創(chuàng)鄂爾多斯煤炭深加工示范項目，替代部分煤制氫。項目投產(chǎn)后，預(yù)計可減少二氧化碳排放143萬t/a[2]，為打造我國未來西北部清潔能源大基地起到推動作用。

1.2 氫氣用于化工產(chǎn)品合成

化工領(lǐng)域中，氫氣主要應(yīng)用于合成氨、合成甲醇、石油煉化、其他煤化工等領(lǐng)域。合成氨由氮和氫在高溫高壓和催化環(huán)境下合成，是化肥工業(yè)和基本有機化工的主要原料。甲醇通過合成氣在催化劑的作用下合成，廣泛用于塑料、溶劑、顏料等化工產(chǎn)品制造。石油煉化通過加氫技術(shù)減少石油提煉過程中的污染物排放。氫氣也可合成低碳燃料，可替代重型貨運、船運及工業(yè)領(lǐng)域的傳統(tǒng)燃料。

以合成氨和合成甲醇為例，合成氨和甲醇的生產(chǎn)通常依賴于高碳化石能源，而使用綠氫作為原料可以降低碳排放。2022年中能建氫能源有限公司的綠氫項目中規(guī)劃建設(shè)綠氫年產(chǎn)量1.7萬t，綠色合成氨年產(chǎn)量3.9萬t，液氫年產(chǎn)量為330 t。同年12月，中能建松原氫能產(chǎn)業(yè)園項目簽署，總投資為296億元，建設(shè)新能源發(fā)電制氫和綠氫合成氨一體化項目，年產(chǎn)綠色合成氨60萬t，配套建設(shè)年產(chǎn)50臺套1 000 m3（標）/h堿性電解水裝備生產(chǎn)線和4座綜合加能站[3]。項目建成后將完善當?shù)貧淠墚a(chǎn)業(yè)鏈布局，推進吉林西部國家級可再生能源制氫規(guī)?；?yīng)基地和多元化綠色氫基化工示范基地建設(shè)。

1.3 氫氣用于碳捕集和利用

化工行業(yè)可以將碳捕集技術(shù)與氫氣相結(jié)合來實現(xiàn)降碳。例如，將氫氣與工業(yè)廢氣中的二氧化碳反應(yīng)，可以合成甲醇用于后續(xù)化學(xué)反應(yīng)或制造燃料，既能減少二氧化碳的排放，又能提高資源利用率。

1.4 氫氣用于氫化反應(yīng)

氫化反應(yīng)在化工行業(yè)中廣泛應(yīng)用于加氫裂化、氫化脫氧等過程中。使用氫氣作為還原劑，例如在鋼鐵冶金和石油煉化等領(lǐng)域，替代現(xiàn)有高碳原料，有助于減少碳排放[4]。

碳中和背景下化工行業(yè)氫能應(yīng)用前景廣闊。大規(guī)模、低成本、持續(xù)穩(wěn)定的氫氣供應(yīng)是化工領(lǐng)域應(yīng)用綠氫的前提，盡管短期內(nèi)化工領(lǐng)域綠氫應(yīng)用面臨經(jīng)濟性挑戰(zhàn)，但隨著可再生能源發(fā)電價格持續(xù)下降，到2030年國內(nèi)部分地區(qū)有望實現(xiàn)綠氫平價。伴隨綠氫經(jīng)濟性的提高，化工領(lǐng)域的綠氫應(yīng)用規(guī)模將快速增長。

2 化工行業(yè)傳統(tǒng)合成與綠氫替代合成路線的經(jīng)濟性分析

用綠色低碳能源替代傳統(tǒng)化石能源是化工行業(yè)實現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型的路徑之一。①綠氫可以作為化工原料替代煤制氫、天然氣制氫合成綠氨、綠甲醇等低碳化工產(chǎn)品。②也可以作為低碳燃料替代煤炭等化石能源實現(xiàn)深度脫碳。同時，綠氫化工卻面臨氫氣制取及運輸成本偏高、綠氫合成化工產(chǎn)品經(jīng)濟性較差等問題，需要結(jié)合可再生能源電力價格、制氫及儲運技術(shù)成熟度等因素綜合分析。

2.1 氫氣運輸成本分析

目前氫氣儲運方式主要分為高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、固態(tài)儲氫等形式，并通過長管拖車、液氫槽車、管道儲氫等方式運輸。高壓氣態(tài)儲氫以其技術(shù)水平和投資成本相對較低等優(yōu)勢目前在國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛。低溫液態(tài)儲氫由于技術(shù)難度高、設(shè)備成本高等因素尚未實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，但液氫重卡等應(yīng)用場景仍然是產(chǎn)業(yè)界積極探索的方向之一。固態(tài)儲氫技術(shù)包括吸附劑、儲氫材料等，在存儲設(shè)備的制造和維護方面成本較高[5]，目前基本處于小規(guī)模示范階段。

具體的運輸成本分析涉及多個因素，如運輸距離、容量需求、設(shè)備選擇、能源價格、安全要求等，運輸成本也會隨著技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)備降本而相應(yīng)變化。上述幾種儲運方式成本分析見表1。

表1 運輸成本分析

從表1可以看出，氫氣的運輸成本下降到合理區(qū)間是氫能規(guī)?；瘧?yīng)用的重要前提。短期來看，150 km以內(nèi)的短途運輸仍以高壓氣態(tài)長管拖車為主，中長期來看，液氫罐車、固態(tài)儲氫槽罐車根據(jù)其不同的適用場景在200 km 以上的中距離運輸具備一定優(yōu)勢，未來建立長距離、大規(guī)模的純氫或者摻氫輸送管道具備良好的經(jīng)濟性。

2.2 綠氫耦合化工經(jīng)濟性分析

（1）傳統(tǒng)合成路線通常使用石油、天然氣和煤炭等化石原料，這些原料的價格受到國際市場波動的影響，供需關(guān)系和地緣政治等因素導(dǎo)致價格的波動性較大。相比之下，綠氫耦合路線主要使用可再生能源制備氫氣，雖然目前可再生能源發(fā)電和消納都在國內(nèi)，受國際地緣政治等因素影響較小，但發(fā)電量也會受到天氣因素的較大影響。

（2）綠氫耦合化工產(chǎn)品（如合成氨、合成甲醇）的能源消耗主要集中在水電解制氫的過程中，其中電力的價格對成本影響較大，因此在討論經(jīng)濟性時應(yīng)考慮制氫電價以及與其他制氫技術(shù)（如煤制氫）的成本比較。以制氫電價為例，如果電價按照四川上網(wǎng)價格0.178元/（kW·h）計算，綠氨的生產(chǎn)成本為1 672元/t，相比煤制氨的成本低。如果采用“棄風(fēng)棄光”，電費價格為0.1/（kW·h），綠氨制取成本為900元/t 左右，成本將低于市場中的主流制氨成本。以煤炭價格為例，合成甲醇中合成一噸的液態(tài)甲醇大約需要15 t原料煤，其成本占總成本的60%，當煤炭市場價格在1 000~1 200元/t 時，合成甲醇的成本大約在2 600~3 000元/t。在綠氫合成甲醇路線中，當綠氫成本下降到0.2元/（kW·h）時，其成本為2 600元/t，與煤制甲醇的成本相當。隨著可再生能源成本的降低，綠氫合成氨和綠氫合成甲醇將帶來巨大的經(jīng)濟價值。

（3）傳統(tǒng)合成路線經(jīng)過多年的發(fā)展和優(yōu)化，技術(shù)成熟度相對較高，相關(guān)設(shè)備和工藝已經(jīng)比較成熟。相比之下，綠氫耦合化工路線仍處于發(fā)展初期，相關(guān)技術(shù)和設(shè)備正在不斷完善迭代，因此綠氫耦合化工的經(jīng)濟性需要綜合考慮技術(shù)成熟度、項目投資和風(fēng)險管理等因素。

3 碳中和背景下綠氫在化工行業(yè)利用潛力展望和對策分析

3.1 綠氫在化工行業(yè)應(yīng)用潛力展望

根據(jù)中國氫能聯(lián)盟研究院測算，2030年中國非化石能源占一次能源消費比重預(yù)計達到30%，綠氫占氫氣年度總需求的13%，2060年，中國電解槽裝機量預(yù)計達到500 GW，綠氫產(chǎn)量將提升至1億t 以上。根據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，在“雙碳”目標背景下，預(yù)計到2030年，碳達峰背景下我國氫氣的年需求量將達到3 715萬t，在2050年中國氫氣的年需求量將達到1.3億t，可再生能源制氫產(chǎn)量達到1億t，綠氫占總氫氣產(chǎn)量的80%，其中化工領(lǐng)域用氫達到7 794 t，占氫氣總需求的60%。

3.2 現(xiàn)存問題及對策分析

目前，綠氫在化工領(lǐng)域的發(fā)展中仍存在很多問題和挑戰(zhàn)，其主要受到綠氫在化工領(lǐng)域的綜合應(yīng)用成本高、政策體系不健全、碳排放評估標準缺失、可再生能源供給予部分消納場景時間空間錯配等方面的影響，制約綠氫在化工領(lǐng)域的規(guī)模化發(fā)展。主要解決途徑是控制電力價格、提高電解水制氫效率及制定相關(guān)扶持政策。

3.2.1 控制電力價格

通過優(yōu)化可再生能源消納策略及綠電交易范圍降低綠電成本。一方面發(fā)展分布式可再生能源發(fā)電就地制氫，避免昂貴的電力過網(wǎng)費，降低電力成本；另一方面，擴大綠電交易范圍，提高綠電消納能力。例如：2022年7月至12月寧夏送上海全國首筆跨省綠電電價僅為312.14元/（MW·h），低于全國大部分電網(wǎng)電價。

3.2.2 提升電解水設(shè)備制氫效率

通過加大對電解水制氫技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新，提高其效率和能源利用率。例如，加強電解水制氫設(shè)備結(jié)構(gòu)、催化劑研發(fā)和電解反應(yīng)條件的優(yōu)化等方面的技術(shù)改進，可以降低制氫能耗，提升制氫效率。另一方面，通過規(guī)?；a(chǎn)，降低電解水制氫設(shè)備和材料的成本，提高整體經(jīng)濟效益。并且利用廢熱回收、余熱利用和能量集成等技術(shù)手段，將能源系統(tǒng)進行整合，以此降低綠氫生產(chǎn)過程中的能源消耗。

3.2.3 加大綠氫供應(yīng)鏈的政策扶持力度

加大綠氫供應(yīng)鏈的政策扶持力度是促進綠氫在化工領(lǐng)域發(fā)展的重要舉措。政府可以提供財政補貼、金融工具來降低綠氫的生產(chǎn)成本和使用成本，如為綠氫生產(chǎn)設(shè)備的購置、建設(shè)和運營等提供補貼或低息貸款，鼓勵投資者和企業(yè)參與綠氫供應(yīng)鏈建設(shè)。通過完善綠氫產(chǎn)品碳排放評價方法、使用綠色金融工具來實現(xiàn)綠氫的綠色溢價。完善綠氫供應(yīng)鏈的規(guī)范和標準，確保生產(chǎn)、運輸和供應(yīng)過程的安全和可持續(xù)性，尤其重視在環(huán)境保護和安全等方面的標準和規(guī)范。

4 結(jié)束語

綠氫是我國實現(xiàn)可再生能源規(guī)模消納和電力、化工行業(yè)深度脫碳的重要手段?；鼍坝脷湫枨髮⒊^交通、儲能等領(lǐng)域，有望成為我國十年內(nèi)最大的綠氫消納場景，其中合成氨、合成甲醇由于技術(shù)成熟度高、氫氣需求量大，具備降低成本的可行性，有望率先實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。

同時，綠氫化工領(lǐng)域仍存在綜合應(yīng)用成本高、政策體系不健全、碳排放評估標準缺失、可再生能源供給予部分消納場景時間空間錯配等方面的問題。為支撐綠氫化工的規(guī)?；l(fā)展，建議有關(guān)部門通過制定相關(guān)激勵政策來降低綠氫的生產(chǎn)成本和使用成本，完善綠氫產(chǎn)品碳排放評價方法、使用綠色金融工具來實現(xiàn)綠氫的綠色溢價等措施，鼓勵投資者和企業(yè)參與綠氫供應(yīng)鏈建設(shè)，推進氫能產(chǎn)業(yè)健康有序可持續(xù)發(fā)展。