以生物質為原料的未來綠色氫能

岳國君，林海龍，彭元亭，閔劍，王夢，熊強

（1國投生物科技投資有限公司，北京 100034；2武漢船用電力推進裝置研究所，湖北武漢 430070）

氫能是一種二次能源，通過燃燒或者燃料電池的方式利用，其產物只有水，沒有傳統能源利用所產生的污染物及高碳排放。氫氣的熱值（140.4MJ/kg）是同質量焦炭、汽油等化石燃料熱值的3～4倍。氫燃料電池可實現綜合轉化效率90%以上，氫能的開發和利用技術已成為新一輪世界能源技術變革的重要方向[1-2]，氫能被認為是未來能源，發展氫能將有利于加快推進我國能源生產和消費革命，對新時代能源轉型發展具有重大意義。現今，人們甚至能夠描繪出氫能在社會生活中得到全面應用的藍圖，一個低碳、高效的氫經濟呼之欲出[3-4]。然而全新的技術應用成功需要一套完善的技術組合來形成經濟上的優勢，即經濟是技術的一種表達形式。目前氫燃料電池在進入現有的能源體系時還存在著巨大的經濟性障礙，有待于優化出合理的技術組合來降低氫氣制取和氫能運輸的成本。

1 發展生物質綠色氫能的意義

氫能在能源、交通、工業等領域具有廣闊的應用前景[5-6]，尤其以燃料電池車為代表的交通領域。根據《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》顯示，在中國能源體系中，預計2050年氫能將占比約10%，年經濟產值將超過10萬億元，交通運輸、工業等領域將實現氫能的普及應用[3]。以生物質為原料制氫，可以將生物質氣化后，經變換工藝、脫碳分離獲得純氫，也可以將生物質通過預處理、酶解和發酵等生化轉化過程獲得甲烷、甲醇、乙醇等含氫化合物，再經催化反應重整獲得高純氫氣，其路線如圖1所示。目前，從技術發展的角度看，生物質制氫具備了產業化的基本條件。

圖1 生物質制氫路線

1.1 生物質綠色氫能是解決氫能源發展問題的有效途徑

氫能最好的利用方式之一是燃料電池[4]。氫燃料電池系統應用技術正趨于成熟，電堆功率密度、壽命、冷啟動等關鍵技術與成本瓶頸已逐步取得突破。目前，國際先進水平的車用氫燃料電池系統發動機成本相比于21世紀初下降80%～95%，成本已經接近內燃機的水平。但氫氣成本較高是影響氫能利用的主要原因之一。降低氫氣成本就需要解決綠色清潔的氫氣來源、儲存和運輸等問題。現階段綠色氫氣生產與儲運這兩個環節的系統成本占比高，是綠色氫能在能源體系中打開局面的主要障礙[7-8]。生物質制氫有望能夠克服氫氣來源綠色化與氫氣儲運成本兩大問題，很可能是解決目前氫能源發展問題的有效途徑，具備較大的商業前景。

1.2 生物質綠色氫能是實現碳中和目標的重要選項

我國作為煤炭、石油為主要燃料的世界第一碳排放大國，實現碳達峰、碳中和具有突出的緊迫性。客觀來看，我國承諾實現從碳達峰到碳中和的時間遠遠短于發達國家所用時間，相應所要付出的努力也遠遠大于這些國家。2030年實現碳達峰，達成路徑包括產業結構調整、工業節能、能源結構調整、建筑交通減排等。2060年實現碳中和，通過能源活動、工業生產過程、廢棄物處理、農業、土地利用變化和林業等全口徑零排放，以植樹造林、節能減排等形式，抵消自身產生的二氧化碳排放量，實現溫室氣體“凈零排放”[9]。

氫氣的利用解決了能源消費端溫室氣體排放問題，但在生產端目前仍高度依賴化石能源。生物質制氫是通過生物體的作用，對太陽能吸收、轉化后，人們采用熱解、氣化、光解以及生物質化學品間接轉化等化學、生物方法獲得綠色氫氣。從本質上說是一種間接的太陽能利用過程。生物質中的碳來自于植物從大氣中捕獲的二氧化碳，而不是化石能源，生物質制氫伴生的二氧化碳是一個碳的中性排放過程（CO2-neutral emission），是對碳元素的循環利用。與傳統的化石能源制氫路徑相比，碳減排力度更大，有利于實現碳達峰和碳中和。因此，發展生物質綠色氫能有望成為低成本氫能制備過程減排的有力途徑，是實現碳中和目標的可持續清潔能源重要選項。

1.3 生物質綠色氫是實現秸稈資源化利用、增加農民收入的有力手段

我國是農業生產大國，也是農業秸稈資源大國，每年各類農作物秸稈及農產品加工剩余物約9億噸，其中玉米秸稈2.93億噸、水稻秸稈2.26億噸、小麥秸稈1.86億噸。每年約有2億噸秸稈被直接焚燒[10]。秸稈焚燒導致空氣污染，引發嚴重環境、交通問題。在現有生物質制氫路線圖下，展望以農業秸稈為原料制備生物質綠氫，將帶動農業農民增收，有力促進經濟欠發達地區的發展。以秸稈原料制氫，可以在避免糧食資源沖突的前提下促進二氧化碳減排。以1億噸的秸稈利用量為例，資源化利用秸稈增加農民總收入200億～250億元，可拉動投資2000億元以上，每年實現產值1400億元以上；可減排二氧化碳當量7000萬噸以上，是2005年我國溫室氣體排放總量的0.7%，二氧化碳排放總量的1.0%。

2 氫能源的制取和儲運技術發展現狀及存在的問題

根據2018—2021年國家氫能技術重點專項指南匯總分析[11]，2021年氫能技術專項系統布局了氫能的綠色制取、安全儲輸和高效利用技術。2018—2020年，氫能技術中的燃料電池技術類、制氫技術類和儲氫技術類分布分別為52%、19%和22%，2021年分別變化為32%、32%和32%。未來，制氫和儲氫技術的研發項目占比將大幅提升，氫能源的制取和儲運愈發重要。

2.1 氫能源的制取

氫氣的工業來源按原料來源主要分為化石能源產氫和可再生能源產氫[12-14]。

化石能源產氫方式有工業副產氫、化石燃料轉化制氫和電解水制氫。可再生能源產氫方式主要是可再生電力電解水制氫和生物質轉化制氫。其中，電解水制氫可以是化石能源轉化，也可以是風、光、水等可再生能源轉化。化石燃料制氫中的煤制氫是當前成本最低的制氫方式，但是煤炭是一種高碳能源，由此得來的氫氣被稱為“灰氫”，不能支撐未來低碳能源體系的發展。天然氣制氫是通過蒸汽重整工藝得到合成氣后，再變換與脫碳得到高純氫氣，是國外主流制氫方式。天然氣的二氧化碳排放強度較煤炭低，可作為近期的過渡方式使用，但在碳中和遠景中，仍不能滿足人們對能源的低碳需求。有觀點認為這些傳統的制氫方式與碳捕捉與封存技術（CCS）的結合能夠克服高碳排放的缺點[15-16]。由此而來的氫氣也被稱為“藍氫”。但是，CCS的應用條件極為苛刻，需要有可封存二氧化碳的地質條件，二氧化碳的捕集與運輸也需要花費較高的成本，將抵消化石能源制氫的低成本優勢。除此之外，CCS本身也是較大的能源消耗過程，溫室氣體排放顯著[17]。因此，CCS技術在國際上被認為是難以有效減少碳排放的重化工業為實現碳中和可采用的“最后”的手段。化石能源制氫在氫能發展的早期階段能夠發揮重要作用，作為支撐的工業基礎條件打通整個商業應用鏈條，而在碳中和遠景中將會逐漸淡出人們的視野。

可再生能源生產的氫氣由于來源于不增加碳排放的風能、光能與生物質能，從全生命周期看可將溫室氣體排放降到最低，被稱為“綠氫”，是未來氫能利用的最理想來源。電解水制氫能耗為1m3氫約4～5kW·h，制取成本受電價的影響很大，考慮到成本等因素，國內的水電解設備目前處于中小規模。中國是全球第一大可再生能源發電國，每年僅風電、光伏發電、水電等可再生能源棄電約1000億千瓦時，可用于電解水制氫約200萬噸；未來隨著可再生能源規模的不斷壯大，“綠氫”有望成為中國氫源供給的主要來源。生物質重整制氫能夠克服氫氣來源綠色化與氫氣儲運成本兩大問題，具備較大的商業前景。

2.2 氫能源的儲運

目前，氫的儲存主要有氣態儲氫、液態儲氫和固態儲氫3種方式[18-20]。其中，高壓氣態儲氫已得到廣泛應用，不同壓力等級的鋼質氫瓶結合碳纖等材料纏繞技術能夠實現氫氣的安全存儲。液態與固態存儲氫氣的技術距離商業應用仍有不少距離。由于氫氣的大規模存儲仍然是高壓氣態存儲，氫氣的運輸也必須采用氣態運輸。高壓氣態輸運可分為長管拖車和管道運輸兩種方式。長管拖車為近距離運輸氫氣的方式，管道運輸需要大規模的基礎設施投資。高壓氣態儲氫的體積比容量低，壓縮能耗高，所以經濟性不高，是氫氣存儲與汽車運輸不經濟的根本原因[21]。而氫氣管道對材質要求的特殊性，也導致現有的油氣管網不能夠作為氫氣安全輸送可依托的基礎設施。

為了解決氫氣儲運難題，可以考慮用含氫化合物作為氫載體，降低儲運成本。氫載體在運送到消費終端后，采用化學方法使氫載體釋放出氫氣加以利用。

3 生物質氫載體未來發展方向與成本分析

自身具備較高的能量密度，并可以依托現有基礎設施低成本運輸、轉化與逆轉化技術成熟等特點將使生物質氫載體成為未來氫載體的發展方向之一。從這個特點出發，生物質甲烷、生物質甲醇和生物質乙醇都是可以作為未來氫載體的理想物質。生物經濟與氫經濟結合的解決方案因此也值得學術界和產業界進行深入探討。

3.1 生物質甲烷

生物質甲烷來源豐富，可由木質素、含有碳水化合物、蛋白質、脂肪、纖維素及半纖維素等生物質的底物通過厭氧發酵生產，并已實現了產業化[22]。厭氧發酵產生的沼氣中甲烷占有50%～70%（體積分數），二氧化碳占有25%～45%，同時還含有少量水汽（20～40℃）、氮氣、硫化氫及氫氣等。沼氣經加工、提純后可得到以甲烷為主的生物質天然氣（bio-natural gas，BNG）。幾乎所有生物質資源均可用于厭氧產甲烷的底物。

我國自2015年開始工業化BNG，現已有采用畜禽糞便和農業秸稈廢棄物為原料的項目建成運行。BNG的成分與現在的天然氣基本相同，可以利用我國現有的天然氣管網進行配送。用生物質甲烷作為氫能的載體，可以大幅度降低基礎設施的固定資產投資。同時，生物質天然氣也因為隨天然氣一起輸送而實現規模效應，配送成本非常低廉。

表1為部分生物質厭氧發酵產生甲烷的潛力。由于纖維素被木質素包裹，發酵產氣效率受到影響。在實際生產應用中，每噸秸稈的甲烷產氣率約為250m3（250mL/g），已經初步具備了經濟利用的條件[24]。我國生物沼氣產業近年獲得較快發展。2018年生物質天然氣（折純）產量達到5760萬立方米。隨著發酵菌種與工藝技術的進步，秸稈產氣率還有較大的提升空間。生物質甲烷產業具有較好的前景。根據能源局《關于促進生物天然氣產業化發展的指導意見》，到2030年，生物質天然氣產量預計可以達到300億立方米。

表1 不同生物質原料產氣潛力[23]單位：mL·g-1

3.2 生物質甲醇

生物質甲醇的原料來源主要有林業和農業廢棄物及副產品、制漿造紙業的黑液等。生產過程是將生物質原料通過氣化過程產生合成氣，經變換調整到合適的一氧化碳和氫氣比例，再進行合成得到甲醇產品。國外已有多個采用生物質或廢棄物為原料進行氣化生產的項目投運，還有多個項目處于可行性研究、工程設計等前期階段[25]。

甲醇作為常溫常壓下的液體燃料，可安全高效經濟便捷儲運，在我國管道、水運、鐵路和汽運4種方式都有存在。其中，汽運與水運是最主要的方式，運營主體與設施成熟，鐵路運輸的方式也在逐年增加。因此，未來生物質甲醇作為氫能的載體是我國的一個特有的選項。

當前影響生物質甲醇產業化的主要原因是生產成本。以天然氣（國外）和煤炭（中國）為原料生產甲醇作為化工原料具備競爭優勢，目前占據甲醇生產的主流。但是在“雙碳”目標下，生物質氣化合成甲醇工藝成熟。與其他儲氫方式相比，生物質甲醇成本具有一定優勢，可在氫經濟發展中扮演重要角色。

3.3 生物質乙醇

生物質乙醇是目前技術最成熟的生物質能源化學品。通用的工藝是以淀粉基作物為原料，通過水解與發酵獲得乙醇。生物質乙醇目前主要用作燃料乙醇，作為乙醇汽油的調和組分廣泛應用于交通能源，有近二十年推廣應用基礎，具備了較為完善的儲運與分銷網絡，轉而作為氫能源的載體也具有較高的可行性。

利用生物質生產的幾種化學品與氫氣相比，分子量較大，甲醇與乙醇常規條件下為液體，甲烷雖然也是氣體，但沸點與氫氣相比高很多，使氫能儲存和運輸的條件更為溫和，對運輸設備、容器與管道的要求相對較低，壓縮與輸送的能源消耗也較低，因而能夠大幅度降低儲運成本。雖然合成氨作為氫載體的研究已經成為熱門，但因合成氨目前并沒有大規模遠距離的運輸場景，因而其商業化應用會存在比生物質氫載體更大的障礙。

2020年我國生物燃料乙醇已投產能力達到517.5萬噸，且有大量現代化食用酒精產能作為產業基礎。我國30萬噸/年的淀粉基乙醇工廠各項技術經濟指標已經達到國際先進水平。以木質纖維素（如農業秸稈）為原料的二代乙醇的工業化項目也正在建設中，將于2022年完成萬噸級示范裝置的建設和運營。在解決和拓寬原料來源后，我國以生物質乙醇作為發展綠色氫能產業的條件最好。未來，在乙醇重整制氫技術放大和規模化應用方面，生物乙醇可能是最具前景的氫能載體，到2030年，第二代生物乙醇預計達到2000萬噸產能，形成國內分布式化學儲氫布局。

3.4 成本分析

氫能的使用成本在一定程度上決定了其能否實現商業化應用。煤炭是我國目前最大的消費能源，以煤炭制氫情景為基準，比較不同路線的氫氣使用成本，能夠從一個側面反應不同制備路線的未來競爭力。

我國現階段根據原料或電價不同，不同原料路線的氫氣制備成本分別為：煤炭制氫6～12元/千克；天然氣制氫7.5～24.3元/千克；工業副產氫14.6～26.9元/千克；電解水制氫9.2～40元/千克，見圖2[26]。

圖2 不同原料路線的制氫生產成本

因國家碳中和戰略要求，化石能源制氫未來需要結合CCS技術進行。考慮添加CCS成本后，煤炭制氫的期望成本為29.0元/千克，天然氣制氫的期望成本為25.9元/千克。工業副產氫為尾氣回收，不采用CCS，其期望成本與現在持平，為20.8元/千克。與之對應的可再生能源發電制氫成本為33.0元/千克（電價為0.5元/千瓦時，2019年新建可再生能源發電可達到的先進水平）。根據IRENA的預測，未來可再生能源發電成本將會進一步下降，到2030年光伏平均發電成本可達到0.35元/千瓦時，平均風電成本也可降到0.45元/千瓦時。屆時可再生能源電解制氫的期望成本將會降到21.8～29.7元/千克，具備了與化石能源制氫競爭的能力。以生物質氫載體制備氫氣路線中，當甲醇價格為3000元/噸時，甲醇蒸汽重整的成本為21.3元/千克[27]。根據甲醇制氫的成本構成估算出，其中原料成本占80%左右[28]。當按照IRENA估算的生物質甲醇成本為5400元/噸時[25]，制氫成本為28.4元/千克。生物質乙醇的成本與生物質甲醇相近，約27.6元/千克。由于生物質甲烷的生產成本并不比工業用天然氣價格高[29]，因此生物質甲烷的制氫成本約24.0元/千克。各種制氫路線的成本見圖3。從成本比較可以看出，在考慮到溫室氣體排放時，采用生物質氫載體制氫的綜合成本已經可以與化石能源制氫競爭。

圖3 低碳制氫生產成本比較

此外，在低碳情景的基礎上，對不同路線的氫氣或氫載體運輸成本進行了比較分析。當采用煤制氫或電解水制氫用20MPa長管拖車運輸，運輸距離200km時，運輸成本為9.3元/千克。生物質甲烷采用天然氣管網輸送，在200km時按0.2元/立方米的費率計算，運輸成本為0.28元/千克。生物質甲醇和生物質乙醇采用槽車運輸，甲醇200km運費約0.42元/千克，乙醇為0.30元/千克。加運費后的不同氫氣成本比較見圖4。從比較中可以看出，由于氫氣運輸成本過于高昂，采用生物質氫載體使氫氣在使用成本上具有明顯的競爭優勢。生物質氫載體可以解決儲運成本高的難題。利用生物質氫載體，在應用終端（如加氫站、分布式能源站）通過安裝逆轉化設施獲得氫氣的綜合成本比氫氣的直接存儲與運輸更低。

圖4 不同路線的氫氣使用成本

4 結語與展望

從“碳中和”的現實要求看，被人們寄予重望的氫能源未來不應使用化石能源作為支撐，特別是能源結構演變中需要不斷下調比例的煤炭。通過對不同路線制備氫氣的綜合成本分析比較，采用CCS技術可補救煤炭制氫先天不足，卻又帶來成本大幅度上升。而可再生能源中，光伏發電和風電即便把成本降到與煤電相當的水平，在降低氫氣輸送環節的成本也還有需要解決的問題。生物質在植物生長過程中固定了一部分氫元素，但生物質中含氫的大分子無法直接作為氫能利用，必須通過微生物和化學方法轉化為可利用的小分子。以生物質為原料生產的甲烷、甲醇和乙醇與氫燃料電池的應用相結合，組成一套完整的清潔低碳能源轉化、供應與使用的系統，在未來將成為實現氫燃料電池“綠色化”的一種經濟可行的方式。