“碳中和”成功实现的关键：氢能在工业领域的应用

在碳中和目标确定以后，中国的工业和能源领域正式步入了全新的“减碳模式”。

碳中和目标是今年9月22日在75届联合国大会期间提出的，中国提出要提高自主贡献的力度，采取更有效的政策和措施，力争2030年之前二氧化碳排放达到峰值，2060年之前实现碳中和。

简单来说，碳达峰和碳中和对我国的压力不容小觑。据国网能源研究院数据显示，2019年全球能源相关的碳排放达到333亿吨，中国、美国、欧盟的碳排放合计占全球的一半以上，其中，中国为97.4亿吨，美国为47.7亿吨，欧盟为39.8亿吨。中国碳排放占全球的29.2%，是全球最大的碳排放国。2019年中国的碳排放强度为8.4万吨/万美元，分别是法国、英国、日本、美国的8.3、7.4、5.1、3.2倍。我国不仅需要加强整体的减碳水平，还要调整产业结构。但调整产业结构是一个缓慢的过程，在高耗能行业做好减排和提高能效是当务之急。工业领域也就成了“众矢之的”。

在碳中和的目标下，我国工业领域的减碳面临着巨大压力。但这同时也孕育着新一轮机遇。在“十四五”乃至更长一段时间内，氢能将会在我国工业领域减碳进程中扮演重要角色。

碳中和情景下工业领域的氢能发展机遇

当前，氢能主要应用于工业领域，如炼油、氨生产、甲醇生产、炼钢等，绝大部分氢能来源于化石燃料。这里面炼油和氨生产对氢气的使用量最大，大约能达到33%和27%。钢铁行业目前用氢量较少，仅为3%左右。

在工业领域，钢铁、冶金、水泥等高耗能产业既是碳排放的大户，又是深度减碳的难点。

全球工业碳排放的45%来自钢铁、水泥等高耗能产业，其中高耗能产业碳排放的45%来自于工业原料的使用，35%是为生产高位热能而排放，20%来自于生产低位热能环节。

人们常说的电能替代并不能解决高耗能产业的减碳问题。为什么这么说呢？因为即使使用可再生能源电气化手段，也只能降低高耗能产业中低位热能那部分碳排放，而这部分只占20%左右。对于工业领域因原料和高位热能而产生的80%的碳排放，目前还是无能为力。（数据来源于麦肯锡《工业部门脱碳方案》）

钢铁、冶金、石化、水泥的生产过程中需要大量的高位热能，所谓高位热能是指需要高于400℃的热能，这部分热能很难用电气化的方式来解决。

以钢铁行业为例，钢铁是工业的碳排放大户，当前全球钢铁的75%采用高炉进行生产，在高炉所采用的“长流程”生产方式中，都是添加焦炭作为铁矿石还原剂。在这种情况下，每生产一吨生铁需要消耗1.6吨的铁矿石、0.3吨的焦炭和0.2吨的煤粉。也就是说，生产每吨钢铁的碳排放强度达到2.1吨。

高炉的还原过程所产生的碳排放占到钢铁生产全部碳排放的90%。因为碳排放过多，人们已经开始使用天然气代替焦炭作为还原剂，然后通过电弧炉将海绵铁转化为钢，这是人们为了减少炼钢过程中碳排放的一种尝试，可惜仍然无法达到深度脱碳。

为了进一步解决钢铁行业的碳排放压力，很多欧美国家开始探索氢冶金技术，而且取得了巨大的进展。

（1）在最新的氢能炼钢工艺中，在低于矿石的软化温度下，用氢气直接作为还原剂可以将铁矿石直接还原成海绵铁，海绵铁中碳和硅的含量较低，成分已经类似于钢，可以替代废钢直接用于炼钢。

（2）用氢代替焦炭和天然气作为还原剂，可以基本消除炼铁和炼钢过程中的绝大部分碳排放。如果随着可再生能源成本下降，以及制氢工艺的成熟，能够实现可再生能源电解水制氢，在轧铸环节使用可再生能源发电，最后基本可以实现钢铁生产的近零排放。

我国在利用氢能实现冶金工业深度脱碳方面也有很多尝试。以中核集团、中国宝武集团为代表，这些企业正在探索利用氢气取代碳作为还原剂的氢冶金技术，推动钢铁冶金基本实现二氧化碳的零排放。2019年1月，中核集团与中国宝武、清华大学签订了《核能—制氢—冶金耦合技术战略合作框架协议》，就核能制氢——冶金耦合技术展开合作。

氢能利用的挑战

1、氢能利用经济性存在挑战

工业领域的氢能替代在技术上可行只是硬币的一面，在经济上可行才是氢能大规模利用的先决条件。

在制氢路径中，灰氢目前成本优势明显，但未来可再生能源发电电解水制氢是实现绿氢的最好途径。但制取绿氢主要面临成本过高的问题。一方面，可再生能源发电成本还较高，另一方面，电解槽的能耗和投资也占成本的很大部分。未来解决这两方面问题可以不断提高生产绿氢的经济性。

根据国网能源研究院数据，电解水制氢成本受电价影响较大，电价占制氢成本的70%以上，以国内市场为例，目前电制氢成本为30-40元/kg，远远高于煤制氢成本（煤制氢成本约为15.85元/kg）。

除绿氢制取成本有待下降之外，碳价的高低也决定了氢能利用的经济性。根据彭博新能源《氢能经济展望》报告数据，到2050年，若碳价达到50美元/吨二氧化碳时，足以让钢铁企业放弃煤炭，转用清洁氢气；碳价达到60美元/吨二氧化碳时，水泥行业将转用氢能供热；碳价达到78美元/吨二氧化碳时，制氨的化工企业也会转用氢气供能；碳价达到145美元/吨二氧化碳且氢气成本降至1美元/千克，则船只也可通过清洁氢气提供动力。到2031年，以氢气为燃料的重型卡车成本可能比柴油更低。但对于乘用车、公共汽车和轻型卡车而言，纯电驱动的成本更低。

2、储运难题——大规模运输难、储存难

和油气等传统燃料易运输、可规模储存不同，国内氢的储运技术的能效、安全问题还没有完全解决。现阶段，国内主要采用气态高压氢储存和运输方式，此外也有少量液氢储运、吸附储氢等方式。

综合来看，压缩气态储氢技术成熟，优点是充放氢速度可调，但存在储氢密度低，容器耐压要求高等缺点。目前，虽然技术发展成熟广泛应用于车用氢能领域，但在国内关键零部件仍然要依赖进口，储氢密度也比国外低。

低温液态储氢具有体基础性密度高、液态氢纯度高等优点。但氢气液化过程中需要消耗很高的能量，对储氢容器的绝热性要求很高，导致设备材料成本高昂。

此外，液氨甲醇储氢存在操作技术复杂，气体充放效率相对较低。有机材料、金属合金等固态储氢，虽然有安全性能高，储存压力低，运输方便等优点，但也存在着储存物价格高昂，储存释放条件苛刻的问题。这种储氢方式大多还处于研发阶段，而且国内与国际先进水平存在着较大差距，距商业化大规模使用尚有很大差距。

结语

工业化让化石燃料成为全世界应用最广的能源，也给世界带来了污染问题和气候问题。因为使用化石能源地球气候温度已经上升1℃左右，世界上很多国家已经感受到了气候变暖的影响，如果继续放任气候问题发展，全球将会有更多人口面临炎热和洪水等极端气候灾害的危害。

解铃还须系铃人，工业化造成的温升还需要工业领域的低碳化来解决。目前，日本、韩国、欧美等国高度重视氢能产业的发展，不同程度地将氢能作为能源创新的重要方向。在我国实现碳中和过程中，尤其是工业领域，氢能更是深度减排的“攻坚利器”。工业领域减排是减排的硬骨头，工业领域应用氢能减排短期内更是面临着经济性的挑战，但是随着技术的成熟、升级和规模化带来的成本下降，未来依然可期。

（张学坤 冉泽）