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煤炭与氢能能否实现协同发展?

2021/4/7 11:35:23       

    随着氢能产业步入快速发展期,确保稳定、可靠及低成本供应,已成为其高质量发展的迫切需要。

  从氢源出发,世界能源理事会将氢能划分为灰氢、蓝氢与绿氢,分别指碳基能源制氢,化石燃料制氢加碳捕集、封存路线,以及利用可再生能源电解制氢的方式。但据记者了解,在我国现有的2500万吨氢气产量中,煤制氢占62%、天然气制氢占19%、工业副产气制氢占18%,真正的“绿氢”仅占1%左右。业内普遍认为,目前占比最大煤基制氢路线,恰恰与氢能产业的“减排”初衷相违背。

  兼具原料富集、成本较低、技术成熟等特性,煤制氢的优势不可否认。但同时,高污染与高碳排的“痛点”也不可回避,煤炭与氢能可否实现协同发展?

  具备规模和成本优势

  统计显示,我国煤炭资源保有量约1.95万亿吨,假设10%用于煤气化制氢,制氢潜力约为243.8亿吨。而据中国氢能联盟预测,到2050年,我国氢气需求量接近6000万吨。由此可见,煤制氢的规模效应显著。

  在中国煤炭工业协会副会长刘峰看来,煤制氢占比高主要是因为煤炭是我国唯一的优势矿产,资源储量大、开采能力强,大型煤气化制氢技术成熟,从资源和生产技术方面对制氢均有较好保障。

  据刘峰介绍,近年来,随着现代煤化工技术和装备的发展,我国煤炭大型高温气化技术和装备不断成熟,各种类型并拥有自主知识产权的大型煤气化炉不断示范应用。“以2000吨级多喷嘴水煤浆气化炉为例,通过全部变换制氢,每天可以生产120多吨‘4个9到5个9’(浓度99.99%至99.999%)的高品质、高纯度氢气,按照现有氢能源汽车氢气消耗指标估算,足可以供13万辆小轿车跑100公里。”

  从成本看,煤制氢也具备优势。数据显示,煤制氢成本低廉,每公斤氢气的生产成本只有10-15元,为电解水制氢成本的20%-25%,是现有汽油车油耗成本的40%左右。

  但从现有消费构成看,我国氢气基本全部用于工业领域,合成氨用氢占37%、甲醇占19%、炼油10%、其他工业领域约19%,真正直接燃烧占比不足15%,且没有多少闲置。刘峰表示,未来如果氢能产业发展起来,氢气将迎来大规模使用,那么氢源必须有可靠保障,而这其中,煤制氢可以承担兜底保供作用。

  高碳排放问题引关注

  尽管优势突出,煤制氢却伴随着一个不可回避的问题——高碳排放,煤炭制备1公斤氢气,大约产生11公斤二氧化碳。采访中,多位业内人士表示,在“30·60”双碳目标下,煤制氢碳排放问题必须引起高度重视。

  清华大学能源转型与社会发展研究中心常务副主任何继江对记者表示,目前,我国化工产业有大量的副产氢,但氢能产业面临的问题不是缺氢,而是缺应用情景。“煤制氢在局部地区可以起到技术验证的作用,但从碳减排的角度看,煤制氢负作用凸显,在CCS尚不能规模化应用之前,大规模煤制氢来解决氢源与双碳目标背道而驰。”

  中国科学院院士李灿也称,发展氢能的初衷之一是减排污染物和二氧化碳。从煤制氢生产、储运、利用的全过程来看,并没有减少碳排放,只是将排放由末端转移到前端。“从优化利用角度,煤炭作为宝贵的原料资源,用于制备更重要的化学品及材料才更合理。”

  不过,在刘峰看来,煤气化制氢所排放的是高浓度、较高纯度的二氧化碳,而且是集中排放,有利于二氧化碳的无害化处置和碳循环利用。同时,煤制氢低廉的价格,也为开展碳埋藏和碳循环利用腾出来很大的成本空间,大规模开展碳捕捉、封存与利用有较好基础。

  发展初期可保障供应

  面对“喜忧参半”的现实,煤制氢有无出路? 

  中国科学院院士包信和指出,“真正的绿氢,一定要通过可再生能源获得。用风、光、核产生的电能,把水电解变成氢的过程只排放氢气,不产生二氧化碳。因此从碳减排角度出发,不建议使用煤炭等化石能源制氢。”

  对此,北京市煤气热力工程设计院有限公司总工程师王洪建表示,煤炭在短期内不会退出历史舞台,刚刚起步的氢能产业应以经济性为首,合理利用现有的丰富资源,并通过对煤制氢技术的利用划定相应的时间范围,引导氢能产业无碳绿色转型。“从远期来看,随着全国碳交易市场的成熟,以及减排力度的增加,煤制氢成本上升不可避免,届时,可再生能源制氢或转变为更具经济性的制氢路径。”

  刘峰认为,在发展初级阶段,氢气需求量并不大,但便捷、低成本、稳定供应非常重要。“尽管煤制氢是所谓的灰氢,碳捕捉与封存环节将增加煤制氢成本,在绿氢尚不足以低价、稳定供应的时期,不妨先将煤制氢作为氢气重要来源。即使到了可再生能源发电制氢的成本更低、规模更大的阶段,可再生能源制绿氢与煤炭相结合,作为原料生产工业产品,实现碳氢互补,也能够更好地发挥二者的优势。”

  李灿透露,部分地区正在尝试推进可再生能源与煤化工结合,发展“零碳排放的煤化工”。“煤可以制油、制气、制甲醇等。但在生产过程中,煤的碳原子利用率其实很低,其中只有1/3-1/2的煤碳原子转化为产品,另外2/3-1/2-的煤碳原子烧成二氧化碳排出去了。‘零碳排放的煤化工’就是要实现化石资源优化利用,为绿色生产提供一套新思路。通过可再生能源实现零碳排放制氢,与煤化工过程结合,把所有的煤碳原子都经济地转化为产品,而不是以二氧化碳排放。”


来源:中国能源报


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