碳中和背景下化工行業的綠氫應用展望

苗乃乾，張詩洋，張蕾蕾，龍 辰

（山東氫谷新能源技術研究院，山東濟南 250001）

氫能是一種來源豐富、綠色低碳、應用廣泛的二次能源，正逐步成為全球能源轉型發展的重要載體之一。不同國家和地區的有關組織先后提出了一些綠氫的標準和定義，總體來看國內外對于綠氫的定義基本都以可再生能源發電生產或通過外購綠電生產的氫氣為基準。例如歐盟委員會根據可再生能源指令（RED II）的兩項授權法案要求，可再生氫包括使用可再生能源發電所產生的氫氣，在可再生能源比例超過90%的地區采用電網供電所生產的氫氣，以及在低二氧化碳排放限制的地區簽訂可再生能源電力購買協議后采用電網供電來生產的氫氣。中國產學研合作促進會發布了T/CAB 0078—2020《低碳氫、清潔氫與可再生氫的標準與評價》團體標準，該標準提出可再生氫是指氫氣生產過程中所產生的溫室氣體排放值低于4.90 kg，并且生產所消耗的能源為可再生能源。

化工行業作為國內高碳排放領域之一，其低碳轉型對實現“雙碳”目標至關重要。2020年12月的中央經濟工作會議提出“我國二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，力爭2060年前實現碳中和”，清晰地描繪了我國2060年前實現碳中和的路線圖。2021年在全國兩會之中，碳達峰碳中和被寫入到政府工作報告中，同年10月，國務院針對碳達峰碳中和印發了《2030年前碳達峰行動方案》。2022年4月，工業和信息化部等八部門印發的《關于“十四五”推動石化化工行業高質量發展的指導意見》中指出“合理有序開展利用綠氫，推進煉化、煤化工與綠電、綠氫產業耦合示范”。2022年6月，國家發改委等九個部門聯合印發了《“十四五”可再生能源發展規劃》，該規劃中提到“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”。因此，化工行業應積極開展低碳轉型工作，其關系到中國氣候目標的實現，對保障國家能源安全將發揮出重要的意義[1]。

1 碳中和目標下化工行業的氫能應用

1.1 氫氣作為清潔能源的利用

化工行業通常需要大量的能量驅動生產活動，目前普遍使用天然氣或煤炭等化石燃料，如果將可再生能源及可再生能源制的綠氫來替代傳統燃料則可以顯著降低碳排放。2023 年2 月16 日，中國石化在內蒙古第一個綠氫示范工程——內蒙古鄂爾多斯市風光融合綠氫示范項目正式啟動開工，項目總投資57億元，該項目主要借助鄂爾多斯地區較為豐富的太陽能和風能發電直接制綠氫，以制氫等新技術為突破口，促進內蒙古地區能源轉型。項目產出的綠氫和綠氧將由管道就近輸送至中天合創鄂爾多斯煤炭深加工示范項目，替代部分煤制氫。項目投產后，預計可減少二氧化碳排放143萬t/a[2]，為打造我國未來西北部清潔能源大基地起到推動作用。

1.2 氫氣用于化工產品合成

化工領域中，氫氣主要應用于合成氨、合成甲醇、石油煉化、其他煤化工等領域。合成氨由氮和氫在高溫高壓和催化環境下合成，是化肥工業和基本有機化工的主要原料。甲醇通過合成氣在催化劑的作用下合成，廣泛用于塑料、溶劑、顏料等化工產品制造。石油煉化通過加氫技術減少石油提煉過程中的污染物排放。氫氣也可合成低碳燃料，可替代重型貨運、船運及工業領域的傳統燃料。

以合成氨和合成甲醇為例，合成氨和甲醇的生產通常依賴于高碳化石能源，而使用綠氫作為原料可以降低碳排放。2022年中能建氫能源有限公司的綠氫項目中規劃建設綠氫年產量1.7萬t，綠色合成氨年產量3.9萬t，液氫年產量為330 t。同年12月，中能建松原氫能產業園項目簽署，總投資為296億元，建設新能源發電制氫和綠氫合成氨一體化項目，年產綠色合成氨60萬t，配套建設年產50臺套1 000 m3（標）/h堿性電解水裝備生產線和4座綜合加能站[3]。項目建成后將完善當地氫能產業鏈布局，推進吉林西部國家級可再生能源制氫規模化供應基地和多元化綠色氫基化工示范基地建設。

1.3 氫氣用于碳捕集和利用

化工行業可以將碳捕集技術與氫氣相結合來實現降碳。例如，將氫氣與工業廢氣中的二氧化碳反應，可以合成甲醇用于后續化學反應或制造燃料，既能減少二氧化碳的排放，又能提高資源利用率。

1.4 氫氣用于氫化反應

氫化反應在化工行業中廣泛應用于加氫裂化、氫化脫氧等過程中。使用氫氣作為還原劑，例如在鋼鐵冶金和石油煉化等領域，替代現有高碳原料，有助于減少碳排放[4]。

碳中和背景下化工行業氫能應用前景廣闊。大規模、低成本、持續穩定的氫氣供應是化工領域應用綠氫的前提，盡管短期內化工領域綠氫應用面臨經濟性挑戰，但隨著可再生能源發電價格持續下降，到2030年國內部分地區有望實現綠氫平價。伴隨綠氫經濟性的提高，化工領域的綠氫應用規模將快速增長。

2 化工行業傳統合成與綠氫替代合成路線的經濟性分析

用綠色低碳能源替代傳統化石能源是化工行業實現低碳轉型的路徑之一。①綠氫可以作為化工原料替代煤制氫、天然氣制氫合成綠氨、綠甲醇等低碳化工產品。②也可以作為低碳燃料替代煤炭等化石能源實現深度脫碳。同時，綠氫化工卻面臨氫氣制取及運輸成本偏高、綠氫合成化工產品經濟性較差等問題，需要結合可再生能源電力價格、制氫及儲運技術成熟度等因素綜合分析。

2.1 氫氣運輸成本分析

目前氫氣儲運方式主要分為高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、固態儲氫等形式，并通過長管拖車、液氫槽車、管道儲氫等方式運輸。高壓氣態儲氫以其技術水平和投資成本相對較低等優勢目前在國內外應用較為廣泛。低溫液態儲氫由于技術難度高、設備成本高等因素尚未實現規模化應用，但液氫重卡等應用場景仍然是產業界積極探索的方向之一。固態儲氫技術包括吸附劑、儲氫材料等，在存儲設備的制造和維護方面成本較高[5]，目前基本處于小規模示范階段。

具體的運輸成本分析涉及多個因素，如運輸距離、容量需求、設備選擇、能源價格、安全要求等，運輸成本也會隨著技術創新和設備降本而相應變化。上述幾種儲運方式成本分析見表1。

表1 運輸成本分析

從表1可以看出，氫氣的運輸成本下降到合理區間是氫能規模化應用的重要前提。短期來看，150 km以內的短途運輸仍以高壓氣態長管拖車為主，中長期來看，液氫罐車、固態儲氫槽罐車根據其不同的適用場景在200 km 以上的中距離運輸具備一定優勢，未來建立長距離、大規模的純氫或者摻氫輸送管道具備良好的經濟性。

2.2 綠氫耦合化工經濟性分析

（1）傳統合成路線通常使用石油、天然氣和煤炭等化石原料，這些原料的價格受到國際市場波動的影響，供需關系和地緣政治等因素導致價格的波動性較大。相比之下，綠氫耦合路線主要使用可再生能源制備氫氣，雖然目前可再生能源發電和消納都在國內，受國際地緣政治等因素影響較小，但發電量也會受到天氣因素的較大影響。

（2）綠氫耦合化工產品（如合成氨、合成甲醇）的能源消耗主要集中在水電解制氫的過程中，其中電力的價格對成本影響較大，因此在討論經濟性時應考慮制氫電價以及與其他制氫技術（如煤制氫）的成本比較。以制氫電價為例，如果電價按照四川上網價格0.178元/（kW·h）計算，綠氨的生產成本為1 672元/t，相比煤制氨的成本低。如果采用“棄風棄光”，電費價格為0.1/（kW·h），綠氨制取成本為900元/t 左右，成本將低于市場中的主流制氨成本。以煤炭價格為例，合成甲醇中合成一噸的液態甲醇大約需要15 t原料煤，其成本占總成本的60%，當煤炭市場價格在1 000~1 200元/t 時，合成甲醇的成本大約在2 600~3 000元/t。在綠氫合成甲醇路線中，當綠氫成本下降到0.2元/（kW·h）時，其成本為2 600元/t，與煤制甲醇的成本相當。隨著可再生能源成本的降低，綠氫合成氨和綠氫合成甲醇將帶來巨大的經濟價值。

（3）傳統合成路線經過多年的發展和優化，技術成熟度相對較高，相關設備和工藝已經比較成熟。相比之下，綠氫耦合化工路線仍處于發展初期，相關技術和設備正在不斷完善迭代，因此綠氫耦合化工的經濟性需要綜合考慮技術成熟度、項目投資和風險管理等因素。

3 碳中和背景下綠氫在化工行業利用潛力展望和對策分析

3.1 綠氫在化工行業應用潛力展望

根據中國氫能聯盟研究院測算，2030年中國非化石能源占一次能源消費比重預計達到30%，綠氫占氫氣年度總需求的13%，2060年，中國電解槽裝機量預計達到500 GW，綠氫產量將提升至1億t 以上。根據中國煤炭工業協會數據顯示，在“雙碳”目標背景下，預計到2030年，碳達峰背景下我國氫氣的年需求量將達到3 715萬t，在2050年中國氫氣的年需求量將達到1.3億t，可再生能源制氫產量達到1億t，綠氫占總氫氣產量的80%，其中化工領域用氫達到7 794 t，占氫氣總需求的60%。

3.2 現存問題及對策分析

目前，綠氫在化工領域的發展中仍存在很多問題和挑戰，其主要受到綠氫在化工領域的綜合應用成本高、政策體系不健全、碳排放評估標準缺失、可再生能源供給予部分消納場景時間空間錯配等方面的影響，制約綠氫在化工領域的規模化發展。主要解決途徑是控制電力價格、提高電解水制氫效率及制定相關扶持政策。

3.2.1 控制電力價格

通過優化可再生能源消納策略及綠電交易范圍降低綠電成本。一方面發展分布式可再生能源發電就地制氫，避免昂貴的電力過網費，降低電力成本；另一方面，擴大綠電交易范圍，提高綠電消納能力。例如：2022年7月至12月寧夏送上海全國首筆跨省綠電電價僅為312.14元/（MW·h），低于全國大部分電網電價。

3.2.2 提升電解水設備制氫效率

通過加大對電解水制氫技術的研發和創新，提高其效率和能源利用率。例如，加強電解水制氫設備結構、催化劑研發和電解反應條件的優化等方面的技術改進，可以降低制氫能耗，提升制氫效率。另一方面，通過規模化生產，降低電解水制氫設備和材料的成本，提高整體經濟效益。并且利用廢熱回收、余熱利用和能量集成等技術手段，將能源系統進行整合，以此降低綠氫生產過程中的能源消耗。

3.2.3 加大綠氫供應鏈的政策扶持力度

加大綠氫供應鏈的政策扶持力度是促進綠氫在化工領域發展的重要舉措。政府可以提供財政補貼、金融工具來降低綠氫的生產成本和使用成本，如為綠氫生產設備的購置、建設和運營等提供補貼或低息貸款，鼓勵投資者和企業參與綠氫供應鏈建設。通過完善綠氫產品碳排放評價方法、使用綠色金融工具來實現綠氫的綠色溢價。完善綠氫供應鏈的規范和標準，確保生產、運輸和供應過程的安全和可持續性，尤其重視在環境保護和安全等方面的標準和規范。

4 結束語

綠氫是我國實現可再生能源規模消納和電力、化工行業深度脫碳的重要手段。化工場景用氫需求將超過交通、儲能等領域，有望成為我國十年內最大的綠氫消納場景，其中合成氨、合成甲醇由于技術成熟度高、氫氣需求量大，具備降低成本的可行性，有望率先實現規模化應用。

同時，綠氫化工領域仍存在綜合應用成本高、政策體系不健全、碳排放評估標準缺失、可再生能源供給予部分消納場景時間空間錯配等方面的問題。為支撐綠氫化工的規模化發展，建議有關部門通過制定相關激勵政策來降低綠氫的生產成本和使用成本，完善綠氫產品碳排放評價方法、使用綠色金融工具來實現綠氫的綠色溢價等措施，鼓勵投資者和企業參與綠氫供應鏈建設，推進氫能產業健康有序可持續發展。