典型制氫工藝生命周期碳排放對比研究

陳  馨

（中國(guó)石化集團經濟(jì)技術研究院有限公司，北京 100029）

摘  要：氫能大規模發展需要解決“以何種方式制取氫氣”的問題，在實現“雙碳”目标的背景下，需要全面考察氫能産業鏈的碳排放情況。在相同的研究尺度下，建立統一的核算邊(biān)界，採(cǎi)用統一的參數數據，定量測算典型制氫工藝的生命周期碳排放情況。結果顯示，全生命周期視角下的CO2排放量從大到小依次爲甲醇制氫（煤炭爲原料）、以火電爲主的電解水制氫、煤制氫、甲醇制氫（天然氣爲原料）、天然氣制氫、光伏發電電解水制氫、風電電解水制氫。煤制氫、天然氣制氫的碳排放主要在氫氣生産過程，甲醇制氫的碳排放主要在甲醇生産過程，電解水制氫過程雖清潔，但電力隐含的碳排放不容忽視。

關鍵詞(cí)：CO2排放 生命周期 煤制氫 天然氣制氫 甲醇制氫 電(diàn)解水制氫

     作爲一種清潔高效的二次能源，氫能在全球能源轉型、實現碳中和目标中發揮著(zhe)重要作用。 2022年3月，中國氫能産業發展首個頂層設計《氫能産業發展中長期規劃（2021–2035年）》出台，明確瞭(le)氫的能源屬性和戰略地位。根據中國氫能聯盟的測算，2030年中國氫氣需求量将達到3715萬t，2060年将增至1.3億t左右，氫能需求将大幅增長。

     氫氣在使用階段的唯一産(chǎn)物是水，但是氫氣及制氫原料的生産(chǎn)過程将消耗燃料和電(diàn)能，産(chǎn)生碳排放。在碳中和的背景下，氫能産(chǎn)業大規模發展必須以全生命周期低碳爲目标，“以何種方式制取氫氣”成爲氫能大規模發展需要解決的關鍵問題。

     當前雖已有研究給出不同制氫方式的CO2排放數據，但主要側重於(yú)制氫過程。對於(yú)全生命周期碳排放，不同研究的核算邊界不同，測算時使用的碳排放因子等參數取值不同，緻使研究結果不具有可比性。基於(yú)此，本文在相同的研究尺度下，建立統一的核算邊界，基於(yú)生命周期評價方法，採(cǎi)用統一的參數數據，定量測算典型制氫工藝的生命周期碳排放情況。

    中國制氫規模已居世界首位，從生産(chǎn)原料來看，煤制氫約占63.5%，工業副産(chǎn)氫約占21.2%，天然氣制氫約占13.8%，電解水制氫約占1.5%。當前主流的制氫方式如表1所示，本文選取煤制氫、天然氣制氫、甲醇制氫、電解水制氫4種典型制氫方式開展全生命周期碳排放測(cè)算分析。

1 核算邊界與模型構建

1.1 核算邊界

     考慮到氫氣本身是一種環境友好型能源，且沒有後續的報廢或處置階段，本研究核算邊界確(què)定爲原材料的開採(cǎi)及加工階段、原料運輸階段及氫氣生産階段3個部分，不考慮制氫設備生産帶來的碳排放（見圖 1）。在沒有特殊說明的情況下，本研究測算的碳排放僅考慮CO2排放，不包含CH4、N2O、CF4、SF6等溫室氣體。

1.2 模型構建

     本研究對氫氣全生命周期中兩大主要的碳排放源進行瞭(le)測(cè)算。

1.2.1 工業生産(chǎn)過(guò)程中的直接排放

     工業生産(chǎn)過程中的直接排放分爲兩類，一是燃料，如煤炭、油品、天然氣燃燒帶來的CO2排放量；二是採(cǎi)用碳質量平衡法核算出的工藝過程CO2排放量。

燃料燃燒CO2排放量基於(yú)分品種化石燃料燃燒量、燃料含碳量和碳氧化率計(jì)算，如式（1）所示：

     式中，E 燃料燃燒表示燃料燃燒 C O2 排放量，t；i表示化石燃料的種類，ADi表示第i種化石燃料的燃燒量，t或m3 ；NCVi表示第i種化石燃料的平均低位熱值，GJ/t或GJ/Nm3 ；CCi表示第i種化石燃料的單位熱值含碳量，t/GJ；Oi表示第i種化石燃料的碳氧化率，取值範圍爲0~1。 工藝過程CO2排放量基於碳元素的質量守恒計算，假定所有損失的碳元素都轉換爲CO2排出，計算原料與産物的碳含量差值，如式（2）所示：

E工藝排放＝（∑rADr×CCr – ∑pQp×CCp）× 44/12  （2）

     式中，E工藝排放表示工藝過程CO2排放量，t；r、p分别表示原料、産物的種類；ADr表示第r種原料的投入量，t；CCr表示第r種原料的平均含碳量， t/t；Qp表示第p種産物的産出量，t或Nm3 ；CCp 表示第p種産物的平均含碳量，t/t或t/Nm3 。

1.2.2 能源供應對(duì)應的間(jiān)接排放

     原材料的開採(cǎi)及加工階段、原料運輸階段及氫氣生産階段都需要消耗電力、熱力（蒸汽、熱水）等，電力、熱力的産生依賴於(yú)化石燃料燃燒，将帶來隐含的碳排放。

能源供應隐含CO2排放量基於(yú)電(diàn)力、熱力的消耗量和對應的碳排放因子計算，如式（3）所示：

     式中，E 能源隐含表示能源供應隐含CO2排放量，t；AD 電力、AD 熱力分别表示電力、熱力的淨投入量，MWh、GJ；EF電力、EF熱力分别表示電力、熱力的碳排放因子，tCO2/MWh、tCO2/GJ。

     當(dāng)熱力的投入量爲各類能耗工質的投入量時，可以先将能耗工質的淨投入量折算爲标準煤，再 計(jì)算CO2排放量，如式（4）所示：

     式中，E熱力表示熱力供應隐含CO2排放量，t；s表示能耗工質的種類；ADs表示第s種能耗工質的淨投入量，t；CEs表示第s種能耗工質的折标準煤系數；EF标煤表示标準煤的碳排放因子，tCO2/t标煤。

1.3 參數設置

     本研究使用統一的參(cān)數(shù)因子，如表2 ~表4所示。

2 不同制氫(qīng)方式的生命周期碳排放計(jì)算

2.1 煤制氫

2.1.1 核算邊界

     煤氣化制氫一般包括煤的氣化、煤氣淨化、CO變換及氫氣提純等生産環節。核算邊界確(què)定爲煤炭開採(cǎi)及洗選、煤炭運輸和煤制氫氣3個階段。

2.1.2   數據(jù)與計(jì)算

1）煤炭開採及洗選

     煤炭開採(cǎi)及洗選主要消耗化石燃料及電力、熱力等。根據《中國能源統計年鑒 2020》，2019年我國原煤生産(chǎn)量爲384 633萬t，開採(cǎi)及洗選過程中的能源消費量如表5所示。由式（1）、式（3），得到煤炭開採(cǎi)及洗選階段的CO2排放量爲0.033 t CO2/t煤炭

2）煤炭運輸

     煤炭運輸方式包括鐵路運輸、水路運輸、公路運輸，占比爲7∶2∶1，鐵路運輸分爲内燃機車和電力機車，分别消耗柴油和電力，水路運輸和公路運輸均消耗柴油。煤炭運輸階段的碳排放取決於(yú)不同運輸方式的碳排放和平均運輸距離。根據式（5）、式（6）分别計算運輸過程消耗的柴油總量和電力總量，相關參(cān)數如表6所示。

     式中，AD柴油、AD電力分别爲運輸過程消耗的柴油量和電力量，kg/萬t煤炭、kWh/萬t煤炭；ω代表不同運輸方式在中國煤炭運輸中的占比；T 代表不同運輸方式的平均距離，km；EE爲不同運輸工具的單位油耗或能耗，kg/（萬t·km）或kWh/（萬t·km）；α内燃機車、α電力機車分别表示鐵路運輸方式中内燃機車、電力機車的占比。由式（1）、式（3），得到煤炭運輸階段的CO2排放量爲0.015 t CO2/t煤炭。

3）煤制氫氣

     煤氣化制氫階段CO2排放量基於(yú)典型裝置計算。某 20 萬Nm3 /h 煤制氫裝置處(chù)理原料煤 126.7萬t/a，原料碳含量爲74.32%，能耗情況如表7所示。由式（2）~ 式（4），得到煤制氫氣階段的CO2排放量爲18.45 t CO2/t H2。

2.1.3 結果分析

     僅考慮CO2排放時，煤氣化制氫的生命周期碳排放爲18.79t CO2/t H2，制氫過程爲主要的碳排放環節。2015年中國原煤生産(chǎn)量爲94 410萬t，人爲及自然排放的CH4總量爲6 150萬t，煤炭行業占比約33%，估算出CH4的排放量爲0.61t CO2e/t煤炭。考慮煤炭開採(cǎi)洩漏的CH4後，煤氣化制氫的生命周期碳排放增長至23.05 t CO2/t H2，如圖2所示。

2.2 天然氣制氫

2.2.1 核算邊界

     天然氣蒸汽轉化制氫是當前大規模工業化應用的天然氣制氫工藝，主要包括天然氣預處理、CH4等烷烴和水蒸氣重整、CO變換及氫氣提純等生産環節。核算邊界確(què)定爲天然氣開採(cǎi)、天然氣運輸和天然氣制氫3個階段。

2.2.2 數據與計算

1）天然氣開採

     根據文獻資料，開採1 MJ 天然氣，消耗0.044 9 MJ電力、0.027 1 MJ天然氣、0.024 5 MJ渣油、0.008 9 MJ柴油、0.002 3 MJ汽油和0.008 9MJ煤炭，開採過程中的CH4洩漏量占CH4總提取量的1.3%。基於式（1），考慮CH4洩漏，天然氣開採階段CO2排放量爲7.35 t CO2/萬m³天然氣。

2）天然氣運輸

     天然氣主要通過管道運輸，碳排放主要來自燃料消耗和CH4洩漏。根據文獻資料，1 000 m³天然氣通過管道運輸1 km消耗0.024 5 m3 天然氣，每千米損耗0.000 06%，其中甲烷含量按95%計，天然氣的平均運輸距離爲625 km。基於式（1），考慮 CH4 洩漏，天然氣運輸階段CO2 排放量爲0.40 t CO2/萬m³天然氣。

3）天然氣制氫

     天然氣制氫階段CO2排放量基於(yú)典型裝置計算。依據某天然氣制氫裝置的投入産(chǎn)出和能耗情況，由式（1）~式（4），得到天然氣制氫階段的 CO2排放量爲9.88 t CO2/t H2。

2.2.3 結果分析

     考慮到天然氣開採(cǎi)及運輸過(guò)程中的CH4洩漏，天然氣制氫的生命周期碳排放爲13.13 t CO2/t H2，制氫過(guò)程爲主要的碳排放環節。

2.3 甲醇制氫

2.3.1 核算邊界

      甲醇制氫以來源豐富的甲醇和脫鹽水爲原料，在一定的溫度、壓力下，通過催化劑作用，同時發生甲醇裂解反應和 CO變(biàn)換反應，産(chǎn)出的轉化氣經冷凝、水洗後，塔頂氣進入PSA裝置提純。

     煤制甲醇是我國甲醇生産最主要的方式，産能占比達76%，天然氣制甲醇産能占比約11% 。本研究選取煤制甲醇和天然氣制甲醇 2 種生産方式，核算邊界分别爲煤炭開採(cǎi)及洗選、煤炭運輸、煤制甲醇、甲醇制氫 4 個階段和天然氣開採(cǎi)、天然氣運輸、天然氣制甲醇、甲醇制氫4個階段。受限於(yú)數據可得性，且運輸過程的碳排放量相對較小，不考慮甲醇運輸的碳排放。

2.3.2 數據與計算

1）煤制甲醇

     煤制甲醇階段CO2排放量基於(yú)典型項目計算。某20萬t/a煤制甲醇項目年投入原料煤26萬t，原料碳含量爲76.61%，消耗電(diàn)力6 089萬kWh、新鮮水164萬t、脫鹽水79萬t、中壓蒸汽63萬t。由 式（2）~式（4），得到煤制甲醇階段的CO2排放量爲4.26 t CO2/t 甲醇。

2）天然氣制甲醇

     天然氣制甲醇階段CO2排放量基於典型項目計算。某10萬t/a天然氣制甲醇項目年投入天然氣8 600萬Nm³ ，消耗電力1 800萬kWh、新鮮水90萬t、循環水1 800萬t、脫鹽水31萬t、3.85MPa蒸汽17萬t。由式（2）~式（4），得到天然氣制甲醇階段的CO2排放量爲1.15 t CO2/t甲醇。

3）甲醇制氫

     甲醇制氫階段 CO2 排放量基於典型項目計算。某2 000 Nm³ /h甲醇制氫項目年投入工業甲醇4 879 t，消耗電力 195 萬 kWh、新鮮水 1.61 萬 t。由式（2）~式（4），得到甲醇制氫階段的CO2排放量爲6.95 t CO2/t H2。

2.3.3 結果分析

     在考慮煤炭、天然氣開採(cǎi)過程CH4洩漏的情況下，以煤爲原料的甲醇制氫生命周期碳排放爲45.40 t CO2/t H2，以天然氣爲原料的甲醇制氫生命周期碳排放爲20.66 t CO2/t H2，如圖3所示。甲醇生産(chǎn)階段爲主要的碳排放環節。

     甲醇制氫具有原料豐富、現制現用、無需H2大量運輸的優勢。僅對比制氫過程，甲醇制氫相較於(yú)化石能源制氫具有更小的CO2排放量。但當前甲醇的生産仍依賴化石能源，在綠色甲醇大規模合成技術未取得突破前，全生命周期視角下，甲醇制氫並(bìng)不具備更低碳排放的優勢。

2.4 電解水制氫

2.4.1 核算邊界

     電解水制氫整個過程隻有電力消耗帶來隐含的碳排放。生産(chǎn)1 t氫氣，電解水消耗約9 t純水和6萬kWh電，純水生産(chǎn)消耗的電力與之相比可忽略不計。因此，電解水制氫生命周期碳排放核算邊(biān)界僅爲制氫階段。考慮到電力的不同來源，本研究計算當前電網供電、光伏發電、風電對應的結果

2.4.2 數據與計算

     電解水制氫CO2排放量基於(yú)典型項目計算。某8 760萬Nm3 /a電解水制氫項目年消耗電力53 000萬 kWh。由式（3）得到當(dāng)前電網供電、光伏發電和風電對應的電解水制氫的CO2排放量分别爲39.74、2.04和0.68 t CO2/t H2。

2.4.3 結果分析

     電解水制氫過程清潔，但電力隐含的碳排放不容忽視。2021年，中國電網71.13%發電量源自化石能源，若将當(dāng)前電網電力用於(yú)制氫，生命周期碳排放是光伏電力的19.5倍，是風電的58.4倍，高消耗、高污染、高排放的問題更爲嚴重。

3 對比分析

     當前測算條件下，考慮到煤炭、天然氣開採(cǎi)過程中的甲烷洩漏，典型制氫工藝的生命周期CO2排放量從大到小依次爲甲醇制氫（煤炭爲原料）、以火電爲主的電解水制氫、煤制氫、甲醇制氫（天然氣爲原料）、天然氣制氫、光伏發電電解水制氫、風電電解水制氫，如圖 4 所示。以火電爲主的電解水制氫生命周期CO2排放量是煤制氫的1.72倍，電解水制氫碳減排和大規模發展的關鍵在於(yú)風、光等可再生能源的發展。以煤爲原料的甲醇制氫生命周期CO2排放量是煤制氫的1.97倍，以天然氣爲原料的甲醇制氫生命周期CO2排放量是天然氣制氫的1.57倍，考慮到甲醇制氫過程本身的碳排放較小，發展關鍵在於(yú)綠色甲醇的獲取。

4 結論

     1）基於(yú)全生命周期視角的碳排放測(cè)算結果顯示，除可再生能源制氫外，當前主流制氫産業鏈在生産端均有大量的碳排放。

     2）全生命周期視角下，煤制氫、天然氣制氫的碳排放主要在氫氣生産過程，甲醇制氫的碳排放主要在甲醇生産過程。在當前生産條件下，相較於(yú)煤制氫、天然氣制氫，以煤炭/天然氣爲原料的甲醇制氫並(bìng)不具備碳減排的優勢。

     3）風電(diàn)制氫是最爲清潔的制氫方式。電(diàn)解水制氫中電(diàn)力來源對碳排放具有很大影響，以火電(diàn) 爲主的電(diàn)解水制氫碳排放甚至遠高於(yú)煤制氫。

      4）煤制氫工藝具有技術路線成熟、産(chǎn)量大、成本低的優勢，在未來一段時間内仍是我國制氫的主流路徑，碳捕集、利用與封存（CCUS）成爲碳減排的關鍵技術。考慮到CCUS項目的投入會帶(dài)來額外的物耗、能耗，開發CCUS相關的碳排放核算方法将爲碳減排量提供重要的數據支持。

     5）我國氫能産(chǎn)業正步入快車道，應完善修訂相關行業統一規範的碳排放統計核算體系及參(cān)數數據，項目審批時考察碳排放，避免發生“生産(chǎn)階段多排放、消費階段零排放”的現象。

【上一篇：15萬噸/年合成氨PSA變壓吸附技術優化研究】

【下一篇：Co-Cu 複(fù)合氧化物催化劑(jì)催化低濃度瓦斯燃燒性能研究】