如何讓氫能既清潔又經(jīng)濟(jì)

符冠云 熊華文

作為能源密度高、清潔、零碳、靈活的能源載體，氫能的應(yīng)用場景非常廣闊。氫燃料電池汽車是氫能的重要下游應(yīng)用領(lǐng)域，但這只是眾多應(yīng)用領(lǐng)域中的一部分。在工業(yè)領(lǐng)域，氫能可成為鋼鐵、合成氨等傳統(tǒng)工業(yè)行業(yè)深度脫碳的重要技術(shù)路徑，例如氫能煉鋼技術(shù)可以替代大量焦炭；在建筑領(lǐng)域，家用小型氫燃料電池設(shè)備通過熱電聯(lián)產(chǎn)，系統(tǒng)效率可達(dá)90%。除此之外，氫能還可以扮演儲能、跨能源品種耦合等角色，以電解水制氫技術(shù)為紐帶，通過“電-氫-儲-電”（電能到電能：用電網(wǎng)多余電力進(jìn)行電解水制氫，氫氣再通過氫燃料電池發(fā)電）、“電-氫-氣”（電能到燃?xì)猓弘娊馑茪?，氫氣直接摻入天然氣管網(wǎng)，或者合成甲烷混入天然氣管網(wǎng)）、“電-氫-車”（電能到燃料：電解水制氫，氫氣加注到車載儲氫容器，通過燃料電池驅(qū)動汽車）等轉(zhuǎn)換，為整個(gè)能源系統(tǒng)帶來顛覆性變革。

圖1：典型國家氫能發(fā)展戰(zhàn)略

氫能已得到全球多個(gè)國家和地區(qū)的廣泛關(guān)注。美國能源部提出“大規(guī)模融合氫能”的能源系統(tǒng)概念，德國、法國、韓國等國家陸續(xù)發(fā)布?xì)淠馨l(fā)展計(jì)劃，日本提出建設(shè)“氫能社會”、將氫能上升為國家重大戰(zhàn)略之一，早在2017年12月就出臺《氫能源基本戰(zhàn)略》，旨在全球率先實(shí)現(xiàn)“氫社會”，以實(shí)現(xiàn)低碳社會發(fā)展目標(biāo)和尋求日本經(jīng)濟(jì)新的增長點(diǎn)。韓國政府將氫能作為三大戰(zhàn)略投資重點(diǎn)之一，于2019年1月發(fā)布了“氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展路線圖”，明確了面向2040年的氫能發(fā)展目標(biāo)、戰(zhàn)略及重點(diǎn)任務(wù)。這些國家都已認(rèn)識到氫能在未來能源系統(tǒng)乃至社會系統(tǒng)中的地位和作用，競相開始搶占產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)制高點(diǎn)，力爭使本國在此輪氫能變革中占得先機(jī)。

2018年以來，在技術(shù)、資本、輿論等多方面因素助推之下，在中國沉寂多年的氫能產(chǎn)業(yè)重新走入公眾視野。氫燃料電池汽車、家用氫燃料電池、移動式應(yīng)急保障電源等領(lǐng)域涌現(xiàn)出的商業(yè)案例，極大地?cái)U(kuò)展了氫能產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的想象空間，引發(fā)政府、產(chǎn)業(yè)、資本的強(qiáng)烈關(guān)注。數(shù)十個(gè)城市出臺了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃或政策，各地氫能產(chǎn)業(yè)園建設(shè)如火如荼，規(guī)劃投資總額屢創(chuàng)新高，產(chǎn)業(yè)圖譜幾乎每周都被更新。

氫能有望成為未來中國能源體系的重要組成部分，巨大需求前景引發(fā)了市場的巨大反響，成為新的產(chǎn)業(yè)風(fēng)口。“以何種方式來制取氫氣”是不可回避的關(guān)鍵問題。從中國實(shí)際出發(fā)，氫能大規(guī)模發(fā)展必須立足于清潔制氫，長遠(yuǎn)且慎重地規(guī)劃和布局氫能產(chǎn)業(yè)，避免傳統(tǒng)制氫產(chǎn)業(yè)“一擁而上”，造成新的環(huán)境問題。

全生命周期清潔制氫：氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必由之路

制氫是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。氫氣來源多樣，可以由煤炭、天然氣等化石能源制成，也可以由電解水來生產(chǎn)，還可以是石化、化工等工藝的副產(chǎn)品。

煤制氫雖然技術(shù)成熟、成本低廉，但短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)清潔低碳。煤制氫需要將煤炭制成合成氣、再將氣體組分分離提純，最終獲得氫氣，過程中需要消耗大量煤炭，并造成環(huán)境污染和碳排放。平均而言，生產(chǎn)1噸氫氣需要消耗煤炭約6噸-8噸，排放15噸-20噸的二氧化碳，此外還會產(chǎn)生大量高鹽廢水及工業(yè)廢渣。

電解水制氫雖然在制氫環(huán)節(jié)清潔，但中國近70%的電力來自煤炭，用煤電來電解水制氫（下稱“煤電制氫”），高消耗、高污染、高排放等“三高”問題將更為嚴(yán)重。從全生命周期角度測算，煤電制氫的能耗、碳排放比煤制氫更高。能效方面，生產(chǎn)1噸氫氣，電解水制氫需消耗5萬-6萬度電，“電-氫”系統(tǒng)能效約為65%-75%；但如果使用的電力來自于燃煤發(fā)電，用當(dāng)前發(fā)電煤耗測算，“煤-電-氫”系統(tǒng)效率下降至30%以下。碳排放方面，煤電制氫生產(chǎn)1噸氫氣需要排放二氧化碳30噸甚至更高，是煤制氫的2倍-3倍。

煤化工副產(chǎn)氫具有一定開發(fā)潛力，但副產(chǎn)出來的氫氣背負(fù)了間接“碳排放債”。煉焦等煤化工生產(chǎn)過程雖然會有氫氣作為副產(chǎn)品，但在副產(chǎn)氫氣的同時(shí)也不可避免地副產(chǎn)了大量一氧化碳（約占焦?fàn)t煤氣的30%-40%），最終這些一氧化碳要經(jīng)過燃燒等方式轉(zhuǎn)化為二氧化碳，因此煤化工副產(chǎn)氫與二氧化碳可謂同根同源，生產(chǎn)出來的氫氣會間接背負(fù)“碳排放債”。

而且，中國大部分傳統(tǒng)煤化工產(chǎn)品都已出現(xiàn)供大于求，如果政策上鼓勵(lì)開發(fā)煤化工副產(chǎn)氫，不排除企業(yè)“主副顛倒”、競相提高煤化工產(chǎn)品產(chǎn)量，造成更為嚴(yán)重的產(chǎn)能過剩問題。

當(dāng)前，中國氫氣主要來自化石能源，氫源結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家、甚至全球平均水平。根據(jù)中國氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會提供數(shù)據(jù)，2016年中國氫氣產(chǎn)量約為2100萬噸，其中煤制氫占62%、天然氣占19%，電解水制氫僅占1%。而從全球平均水平看，氫氣48%來自天然氣、30%來自醇類重整、18%來自焦?fàn)t煤氣。在氫能強(qiáng)國日本，本國氫氣產(chǎn)能中電解水制氫占63%、天然氣重整占8%、焦?fàn)t煤氣占6%。相比之下，中國氫氣主要來自煤炭，“清潔度”不夠。

不改變當(dāng)前以煤為主的氫源結(jié)構(gòu)，發(fā)展氫能實(shí)現(xiàn)中國能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的方法無異于南轅北轍。按照2016年中國氫源結(jié)構(gòu)，2050年實(shí)現(xiàn)1億噸氫氣的終端應(yīng)用，需要消耗煤炭、天然氣等化石能源超過5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，排放二氧化碳接近12億-18億噸，氫能產(chǎn)業(yè)反而會成為最大的耗能和碳排放領(lǐng)域。

傳統(tǒng)制氫格局下的氫能經(jīng)濟(jì)還可能造成“生產(chǎn)地污染、消費(fèi)地清潔”的結(jié)果，進(jìn)而加劇區(qū)域間的不公平現(xiàn)象。氫能無論是作為燃料直接燃燒，還是通過燃料電池轉(zhuǎn)化成電力，都可以實(shí)現(xiàn)零污染、零排放。但是，如果氫氣來自于煤炭、煤電等傳統(tǒng)制氫工藝，相當(dāng)于“生產(chǎn)地污染、消費(fèi)地清潔”。再加上中國煤炭、煤電等資源大多分布于中西部相對欠發(fā)達(dá)地區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱、環(huán)境承載能力有限，讓這些地區(qū)發(fā)展傳統(tǒng)制氫項(xiàng)目去支持發(fā)達(dá)地區(qū)清潔化、低碳化進(jìn)程，可能會進(jìn)一步加劇區(qū)域間不公平現(xiàn)象。

圖2：全球、日本和中國氫源結(jié)構(gòu)對比

但是，與之形成鮮明對比的是，中國煤炭企業(yè)對氫能表示出極大興趣，力圖將煤制氫作為轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要途徑。截至2019年3月，已經(jīng)有多家大型煤炭企業(yè)陸續(xù)宣布了煤制氫發(fā)展規(guī)劃或項(xiàng)目。一些專家提出了“煤制氫將擔(dān)綱氫能發(fā)展大任”、“煤的最佳應(yīng)用方式就是制氫”等觀點(diǎn)，甚至有不少人認(rèn)為，煤制氫是中國發(fā)展氫能經(jīng)濟(jì)的重大優(yōu)勢之一。

對此，我們認(rèn)為，清潔氫氣應(yīng)具有全生命周期綠色低碳的特點(diǎn)，需要從全生命周期的角度，對不同制氫工藝進(jìn)行能耗、污染物排放和碳排放評測，找出其中哪些是“李逵”、哪些是“李鬼”，哪些是“看上去很美”、哪些是“披著羊皮的狼”。

清潔化與經(jīng)濟(jì)性的兩難困境

中國清潔氫氣資源非常可觀，可以支撐近中期氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展?？稍偕茉粗茪浞矫妫?017年中國“棄水、棄風(fēng)、棄光”總量超過1000億千瓦時(shí)，如果全部用來電解水制氫，可生產(chǎn)清潔氫氣接近200萬噸。工業(yè)副產(chǎn)氫方面，氯堿工業(yè)生產(chǎn)1噸燒堿會副產(chǎn)280立方米左右氫氣，丙烷脫氫生產(chǎn)1噸丙烯會副產(chǎn)425立方米左右氫氣，再加上即將上馬的一批乙烷裂解項(xiàng)目，合計(jì)副產(chǎn)氫資源量超過100萬噸。可再生能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫，二者合計(jì)能夠提供超過300萬噸的清潔氫氣，足以滿足近中期氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要。

然而，清潔氫氣的推廣面臨著市場競爭力不足這座“大山”。參考2018年各類制氫原料（能源）平均價(jià)格，筆者比較了不同制氫工藝的制氫成本。煤炭價(jià)格為550元/噸時(shí)，煤制氫成本為9元-11元/公斤；天然氣價(jià)格為3.5元/立方米時(shí)，天然氣制氫成本為20元-24元/公斤；甲醇價(jià)格為3000元/噸時(shí)，甲醇制氫成本為23元-25元/公斤；電力價(jià)格為0.6元/kWh時(shí)，電解水制氫成本為40元-50元/公斤。工業(yè)副產(chǎn)氫平均成本雖然只有12元-18元/公斤，但下游用戶還需要將氫氣從相關(guān)企業(yè)運(yùn)輸?shù)奖酒髽I(yè)，需要支付儲運(yùn)成本甚至比氫氣生產(chǎn)成本還高。例如上海某加氫站購買的氯堿廠副產(chǎn)氫，出廠價(jià)格僅為20元/公斤，但經(jīng)過儲運(yùn)抵達(dá)加氫站，最終價(jià)格已超過50元/公斤?？梢姡诋?dāng)前價(jià)格水平之下，清潔氫氣不具備市場競爭力。

如何破解

破解制氫清潔化與經(jīng)濟(jì)性的兩難困境，需要從兩端發(fā)力。一方面，把清潔制氫放在中國氫能產(chǎn)業(yè)總體發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃的首要位置，通過體制機(jī)制創(chuàng)新來“降成本”；另一方面，對于傳統(tǒng)制氫方式，采用行政約束和市場引導(dǎo)的方法，提高環(huán)境成本，促使其集約化、低碳化和清潔化發(fā)展。具體可從以下五個(gè)方面著手。

首先，要為不同氫源“正名”。即根據(jù)不同制氫工藝在全生命周期的能耗、污染物排放和碳排放情況，定義“灰氫”、“藍(lán)氫”和“綠氫”。根據(jù)筆者測算分析，沒有CCS（碳捕獲和封存技術(shù)）裝置的煤制氫、天然氣制氫、甲醇制氫等傳統(tǒng)制氫工藝，應(yīng)屬于“灰氫”范疇；傳統(tǒng)制氫工藝加上CCS裝置、煤化工副產(chǎn)氫等制氫工藝，可歸為“藍(lán)氫”范疇；可再生能源制氫、無工藝碳排放的工業(yè)副產(chǎn)氫等制氫工藝，可歸為“綠氫”范疇。

其次，制定清潔制氫發(fā)展路線圖，明確不同技術(shù)條件和時(shí)間階段的發(fā)展重點(diǎn)。近中期，應(yīng)重點(diǎn)開發(fā)“綠氫”，在確保資源供應(yīng)和氫氣需求相銜接條件下，優(yōu)先利用工業(yè)副產(chǎn)氫，鼓勵(lì)在“棄電”現(xiàn)象嚴(yán)重地區(qū)建設(shè)現(xiàn)場制氫項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)清潔制氫、副產(chǎn)品高值化利用和提升可再生能源消納的“三贏”。鼓勵(lì)光解制氫、生物制氫等新技術(shù)的研發(fā)，為遠(yuǎn)期清潔制氫發(fā)展做好技術(shù)儲備。

圖3：不同制氫工藝的氫氣生產(chǎn)成本對比

第三，鼓勵(lì)體制機(jī)制和商業(yè)模式創(chuàng)新，為清潔制氫“降成本”，提高市場競爭力。以可再生能源電解水制氫為例，由于其具有迅速啟停、副產(chǎn)高純氧氣等特點(diǎn)，如果能與清潔能源消納、峰谷電價(jià)、電力需求側(cè)管理等政策機(jī)制相對接，可以實(shí)現(xiàn)“降成本”。按照年利用3000小時(shí)、平均工業(yè)用電價(jià)格0.6元/kWh計(jì)算，電解水制氫成本在4.5元/m3左右。如果能夠在電網(wǎng)波谷期間生產(chǎn)并享受0.3元/kWh左右的谷電價(jià)，制氫成本可下降至2.6元/m3左右。再將副產(chǎn)的高純度氧氣進(jìn)行回收并銷售，按照醫(yī)用氧氣市場售價(jià)計(jì)算，制氫成本還能再下降0.5元/m3左右。最后核算成本可以下降到2.1元/m3，初步具備了與傳統(tǒng)制氫競爭的能力。再加上一些地區(qū)為提高可再生能源消納，出臺了更為優(yōu)惠的電價(jià)、免容量費(fèi)、調(diào)峰補(bǔ)償電價(jià)等政策，都將有利于成本的進(jìn)一步降低。

第四，以碳排放為約束條件，推動傳統(tǒng)制氫的環(huán)境成本內(nèi)部化，實(shí)現(xiàn)低碳化、清潔化發(fā)展。中國已承諾“2030年實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰”，未來全社會碳排放約束將進(jìn)一步強(qiáng)化。若強(qiáng)制傳統(tǒng)制氫工藝采用CCS技術(shù)，生產(chǎn)1立方米氫氣，煤制氫、天然氣制氫和甲醇制氫的成本將分別提高1.3元、0.6元和0.7元，其競爭力將被大大削弱。如果將制氫項(xiàng)目納入碳交易范疇，傳統(tǒng)制氫工藝的成本也會出現(xiàn)一些變動。根據(jù)目前全國不同地區(qū)碳交易價(jià)格，我們分別測算了碳交易對于傳統(tǒng)制氫工藝的成本影響，結(jié)果顯示，在50元/噸二氧化碳、100元/噸二氧化碳和200元/噸二氧化碳的價(jià)格條件下，煤制氫成本將分別上升0.09元/立方米、0.18元/立方米和0.36元/立方米；天然氣制氫成本將分別上升0.05元/立方米、0.09元/立方米和0.17元/立方米；甲醇制氫成本將分別上升0.04元/立方米、0.08元/立方米和0.16元/立方米?？梢?，在不同的碳約束條件下，傳統(tǒng)制氫成本將有所提高，清潔制氫競爭力將得到間接提升。

第五，強(qiáng)化能源、環(huán)境和排放監(jiān)管，引導(dǎo)既有傳統(tǒng)制氫項(xiàng)目高質(zhì)量發(fā)展。現(xiàn)階段應(yīng)避免傳統(tǒng)制氫項(xiàng)目盲目擴(kuò)張，在污染物處理和CCS等脫碳技術(shù)取得市場化突破之前，不宜大規(guī)模部署煤制氫、煤電制氫等高碳制氫項(xiàng)目。應(yīng)落實(shí)能源消費(fèi)總量控制、煤炭消費(fèi)總量控制等政策措施，從源頭上避免傳統(tǒng)制氫工藝的“一擁而上”。鼓勵(lì)既有傳統(tǒng)制氫項(xiàng)目采取多聯(lián)產(chǎn)等模式，與鹽化工、廢棄物綜合利用等產(chǎn)業(yè)相對接，提升廢水、廢渣處理水平，實(shí)現(xiàn)資源綜合利用和循環(huán)利用的經(jīng)濟(jì)效益。

（作者符冠云為中國宏觀經(jīng)濟(jì)研究院能源研究所助理研究員，熊華文為中國宏觀經(jīng)濟(jì)研究院能源研究所副主任、副研究員；編輯：施智梁）