論壇 | 推動綠氫與高耗能行業耦合發展
來源：中國電力報 時間：2023-11-01 11:12
王冠宇 李建陽
核心提要
●發展可再生能源離網制氫，一方面是實現可再生能源消納和長時儲能的重要方式，另一方面通過綠電制綠氫、綠氧，能夠推動高耗能工業實現原料和燃料的替代，實現碳減排。
●離網制氫耦合高耗能項目依賴于前端可再生能源出力，需要研究建立精準的“電—氫—用”綜合能源管控系統，實現上下游的動態協調和優化控制，最大限度地利用可再生能源制取綠氫、綠氧。
我國制氫能力主要分布于氮肥、甲醇、現代煤化工（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行業。氫氣在我國石化化工行業主要用于合成氨、甲醇、現代煤化工等領域。
綠氫與高耗能行業耦合發展的必要性
一是符合碳達峰碳中和目標要求。國務院印發的《2030年前碳達峰行動方案》要求，工業領域要加快綠色低碳轉型和高質量發展，力爭率先實現碳達峰。在鋼鐵行業，要求促進鋼鐵行業結構優化和清潔能源替代，推廣先進適用技術，探索開展氫冶金、二氧化碳捕集利用一體化等試點示范，推動低品位余熱供暖發展；在石化化工行業，鼓勵以電力、天然氣等替代煤炭，調整原料結構，控制新增原料用煤，拓展富氫原料進口來源，推動石化化工原料輕質化。發展電解水制氫符合碳達峰碳中和戰略要求，通過綠氫實現原料和燃料替代是高耗能行業碳減排的重要路徑。
二是推動能源綠色低碳轉型發展。《“十四五”可再生能源發展規劃》要求開展規模化可再生能源制氫示范。在可再生能源發電成本低、氫能儲輸用產業發展條件較好的地區，推進可再生能源發電制氫產業化發展，打造規模化的綠氫生產基地。推進化工、煤礦、交通等重點領域綠氫替代。推廣燃料電池在工礦區、港區、船舶、重點產業園區等示范應用，統籌推進綠氫終端供應設施和能力建設，提高交通領域綠氫使用比例。在可再生能源資源豐富、現代煤化工或石油化工產業基礎好的地區，重點開展能源化工基地綠氫替代。積極探索氫氣在冶金化工領域的替代應用，降低冶金化工領域化石能源消耗。發展可再生能源離網制氫，一方面是實現可再生能源消納和長時儲能的重要方式，另一方面通過綠電制綠氫、綠氧，能夠推動高耗能行業實現原料和燃料的替代，實現碳減排。
三是促進高耗能行業低碳發展。富煤貧油少氣的資源稟賦特點決定了我國以煤為主的工業發展特點。“雙碳”目標下，推動高耗能行業的煤炭減量替代是實現碳減排的必由之路。《工業領域碳達峰實施方案》提出，要重點控制化石能源消費，有序推進鋼鐵、建材、石化化工、有色金屬等行業煤炭減量替代，穩妥有序發展現代煤化工，促進煤炭分質分級高效清潔利用。推進氫能制儲輸運銷用全鏈條發展。鼓勵有條件的地區利用可再生能源制氫，優化煤化工、合成氨、甲醇等原料結構。到2030年，富氫碳循環高爐冶煉、氫基豎爐直接還原鐵等技術取得突破應用，原燃料替代水平大幅提高，突破窯爐氫能煅燒等低碳技術。高耗能行業低碳發展的路徑包括產業結構調整、節能提效、綠色制造、循環發展、新技術變革等，離網制氫耦合高耗能行業發展，以技術革新促進高耗能行業減碳去碳。
綠氫與高耗能行業耦合發展現狀和前景
一是合成氨。我國是合成氨生產和消費大國，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的重要技術路徑。據IEA研究，通過有效利用風光資源，我國綠氫合成氨的成本可低至約每噸2870元，與煤制合成氨的約每噸2380元~2560元差距不大。綠氫的合成氨生產成本對綠氫成本的敏感性較高，而綠氫成本高度依賴于綠電價格。據相關研究機構分析，到2050年，若不考慮碳價，在電價低于每千瓦時0.13元時，綠氫合成氨的成本將低于煤制合成氨；若計入碳價，電價約為每千瓦時0.24元。從區域和產業分布看，我國西北、西南和東部沿海地區具備綠氫合成氨發展潛力。
二是甲醇。我國甲醇供需主要受消費側影響，進出口對我國甲醇供需影響有限。綠氫或者“煤+CCS”是零碳甲醇生產的重要技術路徑。與合成氨的情況類似，短期內，傳統的“煤制甲醇+CCS”是短期內最具經濟性的零碳生產路徑。長期來看，隨著綠氫成本降低，綠氫制甲醇具備經濟性。據相關研究機構分析，到2050年，若考慮就地可再生電力制綠氫的情況，當電價低于每千瓦時0.14元時，綠氫制甲醇的經濟性可以與“煤制氫+CCS制甲醇”的經濟性相當。此外，新型的甲醇生產技術，例如液態陽光，也具備發展前景。從區域和產業分布看，我國西北和西南地區具備綠氫制甲醇發展潛力。
三是鋼鐵。氫冶金是鋼鐵行業綠色低碳轉型的重要途徑之一。氫冶金工藝目前主要包括高爐富氫煉鐵新技術、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，全球鋼鐵工業都在積極開展氫冶金實踐。歐洲、日本、韓國等國家和地區的鋼鐵企業均制定了包括氫冶金在內的低碳冶金技術路線圖，并加快研發、試驗和應用，尋求工藝技術突破以實現碳中和目標。日本、瑞典、奧地利、德國等國家相繼開展了氫冶金項目。國內，寶武集團、河鋼集團、建龍集團、鞍鋼集團等鋼鐵企業也在積極布局氫冶金示范項目，主要工藝路線為富氫還原高爐煉鐵和氫基豎爐直接還原。短期內氫氣作為還原劑成本仍較高，按照當前的煉焦成本估算，鋼鐵產業用氫替代碳進行還原可接受的氫氣成本為每千克7.28元，若不考慮碳價，對應綠電價格不超過每千瓦時0.1元。
四是水泥。我國是全球最大的水泥生產國和消費國，水泥生產過程約有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實現碳減排的重要技術路徑。水泥窯改燒氫需要大量改造現有水泥窯結構，并需有連續穩定的氫能供給，氫氣火焰的熱力學性質及其燃燒產生的水蒸氣不利于直接加熱，氫能在水泥行業中的利用仍處于技術研發和示范階段。據相關研究機構分析，當綠氫價格低于每千克5.3元時，氫氣制水泥的路徑和固廢燃料路徑可以平價。
離網制氫與高耗能行業耦合發展建議
風電、光伏等可再生能源具有波動性和不確定性的特點，高耗能行業需要大規模、穩定的氫氣供給。行業發展需要精確評估可再生能源出力特性與高耗能項目的用氫負荷特性，深入分析不同功率配比下系統的安全性和可靠性，科學規劃和建設儲電、儲輸氫系統，保障系統穩定運行。
區別于常規的高耗能項目，離網制氫耦合高耗能項目依賴于前端可再生能源出力，需要研究建立精準的“電—氫—用”綜合能源管控系統，實現上下游的動態協調和優化控制，最大限度地利用可再生能源制取綠氫、綠氧。
離網制氫耦合高耗能行業發展在技術上和經濟上都面臨挑戰，中長期發展可期。可再生能源電解水制綠氫技術上整體可行，但是經濟性不及常規煤制氫。離網制氫耦合高耗能項目的全流程技術工藝、設備設施、材料、系統控制等方面相關技術、標準都需要深入研究；可再生能源發電制氫支持性電價政策、可再生能源制氫市場化機制等需要建立和完善。（作者單位：中國中煤能源集團有限公司）
責任編輯：江蓬新
校對：楊娜
