碳中和|煤制氫與CCUS技術集成應用的機遇

文/許毛 張賢 樊靜麗 高林 徐冬，中國礦業大學(北京) 科技部中國21世紀議程管理中心 

煤炭資源與安全開採國家重點實驗室 中國科學院工程熱物理研究所 國家能源集團，礦業科學學報

     化石能源的大量使用引發瞭(le)包括全球變(biàn)暖、空氣污染在内的一系列影響人類可持續發展的環境問題。2018年全球化石燃料燃燒産生的二氧化碳排放高達331億t,其中中國占比約28.7%,位居全球首位。在全球能源格局深刻調整、能源治理體系加速重構、新一輪能源革命蓬勃興起的大背景下,高效、清潔、低碳已成爲全球能源轉型發展的必然趨勢。在衆多能源種類中,氫能因具有清潔、高效、安全、可持續等特點而受到廣泛關注,被認爲是21世紀最具發展潛力的能源之一。據國際能源署(IEA)預測,到2050年,全球的氫能源消費總量将達到3億t标準油。

      近年來,我國高度重視氫能産(chǎn)業的發展,已成爲全球最大的氫氣(H2)生産(chǎn)國,2018年我國氫氣産(chǎn)量約爲2100萬t,2019年則超過3300萬t。同時,我國也是主要的氫氣消費國。據中國氫能聯盟預測(cè),到2050年我國氫能源消費量将達到6000萬t,在我國終端能源體系中的占比達到10%。從氫氣的來源看,現階段我國99%以上爲化石能源轉換得到,包括煤制氫、天然氣制氫及工業副産(chǎn)氣制氫,電解制氫不足1%。化石能源制氫,尤其是煤制氫,會産(chǎn)生大量的二氧化碳排放,因此其無法從根源上解決使用化石燃料所帶來的碳排放問題。而碳捕集利用與封存(CCUS)技術作爲一種重要的碳移除技術,能夠與化石能源制氫技術集成耦合,進而大幅降低化石能源制氫過程中的碳排放,獲得碳足迹相對較低的低碳氫氣。

     2020年9月22日,習近平主席在第七十五屆聯合國大會一般性辯論會上發表重要講話,提出中國将提高國家自主貢獻力度,採取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争於(yú)2030年前達到峰值,努力争取於(yú)2060年前實現碳中和。随著(zhe)我國氫能産業的發展和對氣候變化減緩重視程度的增加,低碳制氫技術的作用将逐漸凸顯。制氫行業作爲氫能全産業鏈的前端,則是未來低碳氫能産業鏈得以快速發展的重要保障。從資源禀賦和能源安全的角度來看,在今後相當長一段時間内煤制氫仍将是我國化石能源制氫乃至整個制氫業的主要途徑。煤制氫與CCUS技術耦合作爲一項新興的集成技術,尚缺乏對其在我國能源低碳發展進程中的應用前景和特點的全面認識和綜合評估。本文拟從應用現狀、發展機遇及挑戰三個方面對煤制氫技術與CCUS技術的集成進行系統分析,以期爲我國未來煤制氫與CCUS技術集成應用的發展提供相關借鑒。

 1　我國煤制氫與CCUS技術的發展現狀

     .1　煤制氫技術已能夠實現大規模應用,CCUS技術具備大規模示範基礎

現有的制氫技術類型主要包括煤制氫、天然氣制氫、工業副産(chǎn)氣制氫、甲醇制氫、電解(海)水制氫、光催化分解水制氫及生物質制氫等,其制氫原理和技術成熟度見表1。其中,煤氣化制氫技術和基於(yú)甲烷蒸汽轉化法的天然氣制氫技術穩定成熟,已能夠大規模應用;甲醇蒸汽轉化制氫技術和工業副産(chǎn)氣制氫(原料包括焦爐煤氣、氯堿尾氣等)技術,已能夠實現工業化應用;在電解水制氫方面,堿性水電解制氫技術最爲成熟、質子交換膜純水電解技術仍處在産(chǎn)業化發展初期,固體氧化物水電解技術則處在實驗研發階段,技術成熟度相對較低;生物質制氫及光催化分解水制氫技術目前也處在實驗開發階段,尚未達到工業化制氫的要求。

     總體來看,以煤制氫、天然氣制氫爲代表的化石能源制氫技術相對成熟,工業副産(chǎn)氣制氫技術雖相對成熟但規模有限,可再生能源電(diàn)解水制氫及生物質制氫整體的技術成熟度偏低,短期内無法大規模商用推廣。

     CCUS技術主要包括二氧化碳捕集、運輸、利用及封存四個技術環節。在二氧化碳捕集方面,我國目前僅有基於(yú)化學吸收法的燃燒前捕集技術進入商業化應用階段;在二氧化碳運輸方面,我國目前僅有二氧化碳車運技術能夠商業化應用,可大規模輸送二氧化碳的陸地管道運輸技術仍處在工業示範階段;在二氧化碳利用方面,我國目前僅有二氧化碳轉化爲食品和飼料技術已實現商業化應用;在二氧化碳封存方面,尚未有相關技術達到商業化應用階段。截至2019年,我國已建成投産20餘個示範工程,橫跨電力、煤制油、天然氣處理等多個領域,整體來看CCUS技術在我國已具備(bèi)大規模示範基礎。

     盡管目前煤制氫耦合CCUS技術在全球範圍内尚未投入示範工程應用,但已有學者對其開展瞭(le)可行性研究。Yoshino等認爲,要實現日本到2050年将二氧化碳減少80%的承諾,就需要引入二氧化碳排放接近零的氫氣,並(bìng)提出利用澳大利亞褐煤與CCUS技術結合實現“無二氧化碳氫鏈”,並(bìng)且已對商業規模的“無二氧化碳氫鏈”進行瞭(le)可行性研究,結果表明該鏈在技術和經濟上都是可行的。從我國現有的工程經驗來看,我國目前已具備建設、運營煤制氫與CCUS集成項目的能力。

1.2　煤制氫(qīng)耦合CCUS技術具有成本優勢(shì)

     受原料價格、能源價格、技術成熟度等因素的影響,不同制氫技術的成本存在顯著差異,主要制氫技術的成本區間如圖1所示。需要說明的是,圖1中的煤制氫方式爲氣化制氫,天然氣制氫方式爲甲烷水蒸氣重整和甲烷熱解,核能制氫方式爲硫-碘(S-I)、銅-氯(Cu-Cl)熱化學循環,風能、太陽能制氫方式均爲電解水制氫,生物質制氫方式爲氣化制氫。可以看出,當(dāng)不考慮CCUS技術時,煤制氫的成本約爲8.3~19.5元/kg,相較於(yú)其他制氫技術,煤制氫技術現階段具有一定的成本優勢,主要原因在於(yú)我國的煤炭價格較低且煤制氫技術已十分成熟。但未來煤制氫能否繼續保持其成本優勢,将取決於(yú)屆時的煤炭價格以及各類制氫技術的發展水平。

     當煤制氫與CCUS技術集成應用時,前期投資成本和運營成本都将增加。IEA針對我國煤制氫的評估結果顯示:在煤制氫生産中加入CCUS技術預計将使資本支出和燃料成本增加5%,運營成本增加130%。盡管如此,至少在中期内配備(bèi)CCUS技術的煤制氫仍可能是清潔氫氣生産中最經濟的選擇,其原因在於(yú)中國的煤炭産業基礎設施完備(bèi)且國内缺乏廉價的天然氣供應。

     因此,CCUS技術雖會增加煤制氫的成本但增量有限,在現階段可再生能源制氫成本較高時,煤制氫與CCUS技術集成應用具有成本優勢。未來随著(zhe)CCUS技術部署規模的增加,其成本将會進一步降低。此外,通過CCUS技術捕集的二氧化碳還可用於(yú)增採石油、天然氣、煤層氣等能源或直接作爲原料用於(yú)化工合成、生物轉化等方面,二氧化碳利用産生的相關收益可以降低煤制氫與CCUS技術集成應用的全流程成本,進一步增強其成本優勢。

     從碳排放強度看,煤制氫技術的碳強度(生産1kg氫氣排放20kg二氧化碳)遠高於(yú)天然氣制氫技術(生産1kg氫氣排放10kg二氧化碳),但煤制氫耦合CCUS技術的碳強度(生産1kg氫氣排放2kg二氧化碳)顯著低於(yú)天然氣制氫,僅爲天然氣制氫碳排放強度的五分之一,基本實現瞭(le)煤炭這類高碳能源的低碳化利用。

1.3　我國目前缺乏針對煤制氫與CCUS技術集成應用的政策規劃

     我國在氫能産業方面出台的相關政策主要集中在氫能終端利用方面(表2),如氫能燃料電池技術研發、加氫站建設及氫能汽車推廣等,制氫環節的相關政策則相對較少,且主要是鼓勵發展可再生能源富餘電力制氫技術。如國家發改委和國家能源局在2018年出台的《清潔能源消納行動計劃(2018—2020年)》中明確提出“探索可再生能源富餘電力轉化爲熱能、冷能、氫能,實現可再生能源多途徑就近高效利用”。在CCUS政策方面,我國已先後出台瞭(le)多項政策、規劃以鼓勵、支持CCUS技術的發展,包括《中國碳捕集利用與封存技術發展路線圖(2019版)》《“十三五”應對氣候變化科技創新專項規劃》《“十三五”國家科技創新規劃》《煤炭工業發展“十三五”規劃》以及《關於(yú)加強碳捕集、利用和封存試驗示範項目環境保護工作的通知》等。

     此外,爲進一步發(fā)揮CCUS技術的減排作用,中國人民銀行、國家發(fā)展和改革委員會、中國證券監督管理委員會於(yú)2020年聯合發(fā)布《綠色債券支持項目目錄(2020年版)(征求意見稿)》,首次将CCUS項目納入支持目錄以支持其發(fā)展。

     綜上分析,當(dāng)下我國的氫能政策較少涉及制氫技術,尤其是煤制氫技術;而我國的CCUS政策目前仍以鼓勵相關企業開展研發示範工作爲主,部署的示範項目主要集中在電力、煤化工(不含煤制氫)及甲醇生産(chǎn)等領域,尚未涉及煤制氫領域。因此,總體來看,現階段我國的氫能政策和CCUS政策之間呈現孤立割據狀态,煤制氫技術與CCUS技術的集成應用目前缺乏相關規劃及配套政策支持。

2　煤制氫與CCUS技術集成應用的機遇

2.1　煤制氫與CCUS技術集成應用可實現煤炭的低碳利用,保障能源安全

     煤炭作爲傳統的高碳化石能源,在減排政策的約束下其應用前景不容樂觀,如何實現其低碳化利用一直是業界關注的焦點。CCUS技術是目前全球公認的能夠有效實現高碳能源低碳利用的技術,其能夠大幅降低煤炭使用過程中産(chǎn)生的碳排放,從而獲得碳足迹較低的煤制品,如H2。因此,CCUS技術對於(yú)未來我國煤炭消費行業的發展具有重要的意義。

     基於(yú)蒸汽轉化法的天然氣制氫技術雖較爲成熟且碳足迹低於(yú)煤制氫技術,但天然氣供應是其發展的制約因素之一。現階段我國的天然氣消費量持續增長,但産(chǎn)能有限。2019年中國天然氣表觀消費首次突破3000億m3,其中42.1%依賴進口,天然氣較高的對外依存度進一步加劇我國的能源安全問題。我國作爲傳統的煤炭大國,煤炭資源儲量豐富且供給穩定。因此,從國家能源安全的角度來看,相較其他制氫技術,現階段煤制氫與CCUS技術的集成應用具有良好的發展機遇。

2.2　我國煤制氫與CCUS技術集成應用具備産業化基礎

     理論上,從減排潛力看,我國的煤炭資源累計探明儲量爲2.01萬億t,資源保有量爲1.95萬億t;如果将1%的煤炭資源保有量用於(yú)制取氫氣,按照制取1kg氫氣消耗8kg煤炭計算,我國煤制氫潛力高達24.38億t,其熱值約折合119億t标準煤。但相應産生的二氧化碳排放高達487.6億t,按90%的捕集率計算,CCUS技術在我國煤制氫領域的理論減排潛力約爲438.8億t,應用前景十分廣闊,具備(bèi)産業化的資源基礎。

     從資源的地理分布情況來看,我國的煤礦主要分布在華北、西北及東北地區,而可用於(yú)二氧化碳地質封存的油田、氣田及深部鹹水層也主要集中分布在這些地區。因此,我國的煤炭資源與二氧化碳封存地資源呈現出高度的空間匹配度,這爲我國未來煤制氫與CCUS技術的集成化應用奠定瞭(le)良好的基礎,尤其是新疆、陝西、山西及内蒙古等省份,擁有豐富的煤炭資源、油氣資源及二氧化碳封存潛力,可作爲未來發展煤制氫與CCUS技術集成應用的示範基地。

     此外,煤制氫、CCUS技術與可再生能源結合,還可以開發新型儲能方式。利用CCUS技術從煤制氫工藝過程中捕集二氧化碳並(bìng)通過可再生能源電解水制備氫氣,二氧化碳與氫氣反應可制成甲醇,将波動的可再生能源轉化爲化學能儲存。2020年1月17日,全球首套千噸級太陽燃料合成示範項目在蘭州新區綠色化工園區試車成功,太陽能等可再生能源轉化爲液體燃料工業化生産邁出瞭(le)第一步。

2.3　我國具有推廣煤制氫與CCUS技術集成應用的國情條件

     如圖2所示,從(cóng)制氫規模占比來看,預計我國的氫氣供給結構在未來的30年内将逐步由化石能源制氫爲主導轉向由可再生能源制氫爲主導。具體來看,到2040年,可再生能源電解水制氫與化石能源制氫的貢獻基本持平;到2050年,我國70%的氫氣将來自可再生能源電解水制氫,而化石能源制氫的占比則下降至20%。但從(cóng)制氫規模的絕對量來看,2030—2050年我國的化石能源制氫規模将維持在1200~2100萬t/年(按2030年我國的氫能需求量爲3500萬t,2050年爲6000萬t計算);假設氫氣均來自煤制氫,按照生産(chǎn)1kg氫氣排放20kg二氧化碳計算,2030—2050年我國煤制氫每年産(chǎn)生的二氧化碳排放爲2.4~4.2億t。

     工業副産制氫雖然能夠生産高純度氫氣,但生産規模往往受到工業規模的限制,無法實現大規模穩定制備,隻能夠定向利用。可再生能源電解水制氫,是先利用太陽能、風能等可再生能源發電,然後将這些電力用於(yú)電解水制氫。其主要優點是可提供綠色、清潔的氫氣,主要缺點是現階段工藝成本較高、技術應用受地域限制較爲嚴重,短期内難以實現大規模、産業化制備氫氣。而煤制氫技術發展起源較早、技術成熟度高、成本較低,可大規模穩定制備。煤制氫與CCUS技術的組合使用可降低制氫環節的二氧化碳排放,採(cǎi)用CCUS技術後2030—2050年我國化石能源制氫産生的碳排放可降低至24~0.42億t/年。

     綜上分析,化石能源制氫将在我國的制氫路徑演變(biàn)中發揮重要過渡作用,尤其是在初期和中期階段。此外,盡管從長期來看化石能源制氫的占比不斷縮減,但從絕對數量來看其規模仍相當可觀,産(chǎn)生的二氧化碳排放不容忽視。因此,我國在構建以綠氫爲主導的氫能供應體系的過程中,需依賴CCUS技術降低化石能源制氫所帶來的二氧化碳排放,實現由“灰氫爲主”到“綠氫爲主”的過渡。

     同時,受自然因素、技術因素等方面的影響,未來化石能源制氫在我國仍将保持一定規模,其産(chǎn)生的二氧化碳排放也需繼續依賴CCUS技術進行捕集、利用和封存,實現化石能源的清潔利用。因此,在我國的能源及氣候政策驅動(dòng)下,未來CCUS技術在化石能源制氫領域存在良好的應用機會。

3　煤制氫與CCUS技術集成應用面臨的主要挑戰

3.1　缺乏公衆認可,限制煤制氫與CCUS技術集成應用的發展

     煤制氫雖相較其他制氫技術具有成本優勢,但其最大的弊端在於(yú)較高的二氧化碳排放。煤制氫技術與CCUS技術集成後,其碳排放強度雖可大幅度降低,但與光伏電(diàn)力、風電(diàn)等可再生能源電(diàn)解水制氫技術相比,其碳足迹仍相對偏高。

     當煤制氫産業發展到一定規模時,即便採用CCUS技術,其産生的碳排放量仍相當龐大。此外,煤制氫與CCUS技術的集成應用歸根結底仍屬於(yú)化石能源制氫技術的範疇,需要消耗大量的化石能源,並(bìng)且二氧化碳運輸與封存環節存在一定的環境風險。因此,與可再生能源電解水制氫技術相比,煤制氫與CCUS技術集成應用的公衆接受程度較低。當下全球溫室氣體減排形勢趨緊,全球能源系統需加速向低碳甚至無碳能源轉變,煤制氫與CCUS技術的集成應用雖能提供低成本、低碳足迹的氫氣,但其與公衆所理解的可持續發展理念的契合度偏低,且目前部分針對化石能源利用的觀點過於(yú)偏激,這很有可能使得未來我國化石能源的相關政策環境惡化,限制煤制氫與CCUS技術的大規模集成應用。

3.2CCUS技術面臨應對氣候變化窗口期關閉的風險

     CCUS技術作爲應對氣候變化的手段,其與可再生能源技術之間存在著(zhe)市場競争關系,這種競争是無法避免的,但二者之間並(bìng)不存在簡單的替代關系。近年來可再生能源在中國及全球範圍内發展迅速,技術逐漸成熟、成本大幅降低、市場占比不斷擴大;而反觀CCUS技術,在全球範圍内進展緩慢,部署規模低於預期,适合用於大規模推廣的第二代CCUS技術的商業化時間仍面臨不確定性。随著(zhe)可再生能源在各領域的不斷滲透,若未來僅依靠能效提升和可再生能源即可滿足全球減排需求,即便其整體成本並(bìng)非最優,那麽CCUS技術将失去在中國及全球推廣應用的空間,即CCUS技術的機會窗口關閉。屆時,我國龐大的化石能源将難以實現低碳化利用,煤制氫與CCUS技術的集成應用潛力将會受到嚴重制約,這對我國氫能産業的發展是極爲不利的。

4　主要結論與建議

4.1　主要結論

     減少碳足迹将是低碳環境下煤制氫前景的關鍵因素,而CCUS技術是目前唯一可實現低碳化煤制氫的途徑。此外,煤制氫與CCUS技術的集成,還可在建築、交通和工業的脫碳路徑中發揮重要作用。爲實現我國的長期氣候變(biàn)化目标,所有行業均需實現大幅減排。當前,約有三分之一的能源相關排放尚缺乏經濟可行的深度脫碳方案。氫能可作爲可再生能源的載體,通過可再生能源電解水生産可運輸的氫氣,從而實現可再生能源的生産和消耗相分離,但現階段可再生能源制氫不具備(bèi)經濟競争力。因此,要想實現上述領域的脫碳則需大幅降低氫能的生産和銷售成本。煤制氫與CCUS技術集成應用,則能夠同時滿足經濟性和低碳化的雙重要求,助力二氧化碳難減行業脫碳,如鋼鐵、水泥行業。

     我國的能源系統正在由高碳逐步向低碳過渡,在此過程中煤炭的清潔、低碳化利用至關重要。氫能作爲重要的能源載體,将在我國的能源低碳轉型中發揮重要作用。從(cóng)制氫技術路線來看,煤制氫技術最爲成熟且成本相較其他制氫技術具有顯著優勢。我國擁有豐富的煤炭資源,煤制氫技術可在保障能源安全的前提下滿足我國的氫能需求,将在我國氫能發展的初期和中期階段發揮重要作用,但需降低其碳足迹(即“灰氫”轉化爲“藍氫”)。因此,煤制氫技術與CCUS技術的集成對(duì)我國能源低碳轉型及低碳化制氫具有重要意義,在我國也具有良好的發展前景。

     目前全球主要國家均在大力發展氫能。美國能源部近期宣布,未來5年内将在“H2@Scale”框架下投入1億美元用於(yú)組建國家實驗室聯盟,以推進氫能和燃料電池技術研發。歐洲也提出建立包含氫能的綜合能源系統,以支持歐洲的工業、建築、發電及運輸領域脫碳,且在中短期内不排除“藍氫”。我國雖掌握大型煤制氫項目和CCUS項目的建設運營能力,但目前尚未有相關示範項目投産,政策層(céng)面也缺乏相關指導或扶持。此外,與美國、日本等發達國家的産業政策相比,我國的氫能産業的頂層(céng)設計仍顯不足。

4.2　建議

     (1)加強對(duì)煤制氫與CCUS技術集成應用産(chǎn)業的政策支持。密切關注國際技術發展走向,同時通過技術研發降低煤制氫與CCUS技術集成應用的成本,使其保持成本優勢,加快推進産(chǎn)業化布局。

     (2)加強針對煤制氫與CCUS技術集成應用産業的頂層設計和科普宣傳。在引導産業發展的同時,增強公衆對於(yú)相關技術的瞭(le)解與認可,爲煤制氫與CCUS技術的發展提供良好的政策及社會環境。

       (3)充分利用好我國豐富的煤炭資源和CO2封存資源,積極推進煤制氫與CCUS技術集成應用的研發(fā)和示範(fàn),新疆、山西、陝西及内蒙古等地可作爲部署煤制氫與CCUS技術集成應用的優先區域。

      四川蜀泰化工科技有限公司

       聯系電話:0825-7880085

 公司官網(wǎng)：www.sbg03.cn

【上一篇：二氧化碳催化加氫及其研究進展】

【下一篇：變壓吸附系統程控閥故障原因分析及對策】