李毅中：要科學(xué)選擇制氫路徑

文／李毅中

我國的制氫路徑是避免CO2大量排放，把握環(huán)保性、經(jīng)濟性、安全性、能效性。

制氫路徑的選擇要把握環(huán)保性、經(jīng)濟性、安全性、能效性。

專家簡介

李毅中，教授級高級工程師，工業(yè)和信息化部原部長、黨組書記，中國工業(yè)經(jīng)濟聯(lián)合會會長。中共第十四屆、十五屆中央候補委員，第十六屆、十七屆中央委員，第十一屆全國政協(xié)委員，第十二屆全國政協(xié)常委。

歷任中國石化集團公司總經(jīng)理、黨組書記兼中國石化股份公司董事長，國務(wù)院國資委黨委書記、副主任；國家安監(jiān)總局局長、黨組書記。

氫能產(chǎn)業(yè)鏈的制備—儲運—加注—應(yīng)用四個環(huán)節(jié)中，制氫是龍頭。自然界并沒有礦藏氫氣，氫氣是二次能源，需要人工制備。制氫是個老話題，也是新話題。說其“老”，因為已有從化石能源制氫生產(chǎn)水煤氣、合成氨尿素、甲醇等化工產(chǎn)品成熟的氫碳平衡的工藝技術(shù)；說其“新”，因為氫經(jīng)燃料電池轉(zhuǎn)化為電，開辟了新用途，產(chǎn)生了新需求，也伴生了新問題。因此需要認真研究，科學(xué)把握。

氫能源發(fā)展正當(dāng)其時，要科學(xué)合理地選擇制氫工藝路徑，必須從源頭以環(huán)保、經(jīng)濟、安全、高效的要求實現(xiàn)氫能的供給。

首先，選擇獲得氫源的路徑，要避免CO2的大量排放。其次，制氫路徑的選擇要把握環(huán)保性、經(jīng)濟性、安全性、能效性。

制氫路徑

選擇獲得氫源的路徑，要避免CO2的大量排放。

一般地說，制備氫氣有幾種途徑：

第一，化石能源制氫。煤、天然氣、石油（包括輕烴、石腦油、重油）為原料發(fā)展化工不是以氫氣為最終產(chǎn)品，而是進一步生產(chǎn)化工產(chǎn)品或用以深度加工提高質(zhì)量和收率。煤炭中含氫很少，煤種不同只有2%～5%，存在于高分子側(cè)鏈和官能團中。主要是用生產(chǎn)水煤氣的方式產(chǎn)氫，同時伴生大量CO和CO2，進一步合成將碳固定在目的產(chǎn)品中，如尿素、甲醇等，避免或減少了CO2的大量排放。天然氣和石油組分中含氫較高，約在15%以上，以甲烷為例，與水反應(yīng)生成氫氣和CO2，氫氣收率較高，同樣進一步合成為相關(guān)石化產(chǎn)品。如果將氫作為目的產(chǎn)品，不可逾越的問題是CO2的出路。生產(chǎn)1kg氫伴生的CO2重量，煤制氫約為11公斤，天然氣制氫約為5.5公斤，輕油制氫約7公斤。作為溫室氣體的CO2絕不允許大量排放，氣候變暖是對人類的威脅，少量排放也將會征收高額碳稅。所謂CO2的捕集、利用和封存技術(shù)（CCUS或CCS）尚在試驗并未產(chǎn)業(yè)化，亟待科技攻關(guān)。因此可以說，在當(dāng)下的技術(shù)條件下，雖然化石能源制氫技術(shù)成熟，但此路徑并不可取，不宜新建。至于用甲醇裂解制氫伴生約7倍的CO2，如以乙烯、丙烯為產(chǎn)品是可行的，但以H2為目的產(chǎn)品，CO2同樣不能大量排放，況且甲醇就是由煤制得的。

2019年6月“世界能源理事會”把這種伴有大量CO2排放的氫稱為“灰氫”，把CO2通過CCUS或CCS利用或封存避免排放的氫稱為“藍氫”。顯然“灰氫”不可取，灰變藍才可以用。要加快CCS的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，據(jù)悉日本川崎重工在澳大利亞用泥碳制氫已將CO2注入海底，需待考證。

第二，工業(yè)副產(chǎn)氫氣的回收提純利用。煉油尾氣、乙烯尾氣、氯矸尾氣中含有不同比例的氫氣。氫氣是石油化工寶貴的資源，通過加氫處理、加氫裂化等工藝過程可提高產(chǎn)品質(zhì)量和收率?，F(xiàn)在大體做到了能收盡收，能用盡用。即使有少量未能回收也混入燃氣作為燃料并未排放，石化企業(yè)現(xiàn)已普遍“消滅”了火炬。從石油化工尾氣中回收的氫氣首先是滿足自用，是否能有較多余量外供，需研究協(xié)調(diào)平衡。

至于焦爐氣，即煤在隔絕空氣加熱干餾生成主產(chǎn)品焦炭，副產(chǎn)焦爐氣和煤焦油等。焦爐氣中含氫約50%～60%(V)，其余是甲烷等，折算其中氫的重量收率不到2%。焦爐氣是合適的化工原料，也可作為燃料氣利用。無論從安全、環(huán)保還是資源節(jié)約，都不可能大量放空，甲烷也是“厲害”的溫室氣體。從焦爐氣和其他工業(yè)含氫尾氣中要通過脫硫、CO變換、甲烷化、變壓吸附（PSA）等處理提純到99.99%的氫純度并除去CO、硫化物、鹵化物等有害雜質(zhì)，以防止用于燃料電池時使催化劑“中毒”。就煤焦化而言，其主產(chǎn)品焦炭主要用于煉鐵，一噸鐵約需0.35噸焦炭，如果把焦爐氣作為主要目的產(chǎn)品而擴大煉焦能力會造成焦炭的嚴重過剩，就本末倒置了，何況煉焦本身是高耗能、高污染，更要防止產(chǎn)能過剩。

第三，電解水制氫。是潔凈的制氫技術(shù)。其中用可再生能源電解水制得的氫被“世界能源理事會”稱為“綠氫”，是未來制氫的發(fā)展方向。需要研究的一是要用非化石能源產(chǎn)生的清潔電源，如果用火電就沒有意義了，這就要建立清潔電源的專用分布式電網(wǎng)。二是耗電過高要大力降低耗電，提高制氫能效。三是利用棄水、棄風(fēng)、棄光“三棄”電量是可能的，數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過努力，2018年我國“棄水、棄風(fēng)、棄光”率分別是5.8%、7%和3.1%，國際先進水平是3%，仍有一定潛力。減少“三棄”可以攤薄總發(fā)電成本，如電力企業(yè)可以優(yōu)惠價供電解水用電就更好了。如今在張家口、內(nèi)蒙、新疆等地風(fēng)電資源豐富的地方做試點，如氫能就近使用，避免長途運輸就更合理了。

綜上所述，希望業(yè)界在致力燃料電池攻關(guān)的同時，也要關(guān)注氫氣的來源，尋求環(huán)保、經(jīng)濟、可靠的氫氣制備路徑，其中化石能源制氫要避免溫室氣體CO2的大量排放。至于其他方式制氫如核能制氫、太陽能制氫、生物制氫等尚在研發(fā)之中，期望能加快攻關(guān)。氫氣的制備要與儲存、運輸、加注、應(yīng)用協(xié)調(diào)發(fā)展，落實氫源才能使整個產(chǎn)業(yè)鏈成為有源之水、有本之木。

科學(xué)合理

制氫路徑的選擇要把握環(huán)保性、經(jīng)濟性、安全性、能效性。

制氫路徑在工藝技術(shù)成熟可靠的基礎(chǔ)上要科學(xué)把握其特殊要求。至于環(huán)保先決前已簡述，制氫過程不能發(fā)生溫室氣體CO2的大量排放，顯然這是首要的、必須的。我國已向世界承諾，CO2排放量2030年達峰后下降，而2018年全球排放CO2331.4億噸，增長1.7%，其中我國達到100億噸增長了2.3%，形勢逼人。建議國家應(yīng)盡快制定限排的標準規(guī)范并嚴格執(zhí)行?！盎覛洹辈豢扇?，“藍氫”可以用，“廢氫”可回收，“綠氫”是方向。

經(jīng)濟性評價包括購車、能耗、維修養(yǎng)護等多方面。僅從制氫評價，對已有各種制氫工藝技術(shù)的成本有不同的版本和數(shù)據(jù)，出入較大，總的看是偏小了。大體上每kg氫氣生產(chǎn)成本在合理的原材料價格和電價的前提下，煤制氫10元，天然氣、石腦油、重油、甲醇制氫約17元，工業(yè)副產(chǎn)氫回收提純21元，電解水制氫30元。在此成本價的基礎(chǔ)上一是應(yīng)計算氫氣的完全生產(chǎn)成本，應(yīng)包括折舊、稅金、人工以及各項費用和制氫廠的合理利潤，形成氫氣的出廠價。二是計算氫氣的儲存、運輸和加注的成本、費稅、利潤，形成燃料電池車用氫的零售價。用這個完整的市場價與汽油的市場零售價、與商用電價加充電站費用相比才公平合理，而不能用成本價與含稅市場價相比。并可據(jù)此提出相應(yīng)的政策支持要求，如減免稅、財政補貼等。隨著制氫工藝設(shè)備的改進完善，氫氣會有較大的降價空間，以顯示其有競爭力的經(jīng)濟性。使用小型電解水制氫與加注合一裝備，可以降低儲運加注費用。

先來認識一下，以后這樣的加氫站會越來越多。 供圖/胡慶明 中國石化

用氫的安全保障不能不是社會關(guān)注的熱點之一。采用安全可靠的技術(shù)和裝備可以提供制氫、儲運、加注和用氫的全產(chǎn)業(yè)鏈安全保障，這一點不容置疑。但這并不意味著可以改變氫的自然屬性。氫氣無色無嗅、重度低、熱值高、易揮發(fā)，其爆炸極限很寬，為4%～75.6%(V)，僅次于乙炔，易燃易爆，屬危險品。正如汽油在汽車中使用是安全的，但汽油終究還是易燃易爆的危險品。我國大慶煉油廠加氫裂化車間1967年9月9日、撫順石油三廠加氫車間1975年7月24日均因氫氣泄漏發(fā)生過特別重大和重大爆炸人身事故；2015年10月18日某大學(xué)化學(xué)系一實驗室發(fā)生氫氣爆炸人身事故。日前報道挪威的一家加氫站爆炸。至于氫氣球玩具發(fā)生爆燃燒傷事故，更有不少報道。我這樣講并不是聳人聽聞或杞人憂天，而是歷史的教訓(xùn)值得記取。在氫氣全產(chǎn)業(yè)鏈中，都要把安全放在首位。

至于用氫的能效，需要研究的問題，一是要考慮制氫效率，即所產(chǎn)氫氣的單位熱值/制氫過程中的單位能耗，現(xiàn)在只有60%。二是氫氣用在乘用車上，每百公里耗1kg，電解水制1kg氫耗電約56kWh，而電動乘用車百公里耗電15-20kWh。期望燃料電池乘用車的性能進一步提升，使百公里耗氫有較大下降，同時大力減少電解水耗電以顯示其較好的能效性。

積極發(fā)展節(jié)能與新能源汽車是必然趨勢。我國自2012年確定新能源汽車包括純電動車、插電式混合動力汽車及燃料電池汽車。如今電動車產(chǎn)量、保有量都占全球的一半，電池、電機、電控都接近或達到國際水平，充電樁建設(shè)也相應(yīng)加快，已由培育期進入成長期。但仍需加大投入、加快技術(shù)創(chuàng)新，堅持不懈努力，推進燃油車的替代。燃料電池車的研發(fā)研制也取得了進展，具有功率大、續(xù)航長、加注快、低溫性能好等優(yōu)點，適宜用于客車、貨車等商用車，有特定的應(yīng)用場景更顯其優(yōu)勢，可以成為新能源汽車大家族中的重要成員，有良好的發(fā)展前景，相應(yīng)要更長時間。因此需全盤考慮、縝密規(guī)劃、攻堅克難、梯次發(fā)展。

鏈 接

中國

2016年10月，發(fā)布《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍皮書（2016）》；

2019年兩會，《政府工作報告》提出“推動充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”；

2019年5月24日，發(fā)布氫能產(chǎn)業(yè)示范區(qū)《長三角氫走廊建設(shè)發(fā)展規(guī)劃》。

日本

1984年，日本川崎重工首次成功制造出世界最大的儲氫容器；

1985年，儲氫合金容器應(yīng)用于豐田汽車的四沖程發(fā)動機上；

2014年，發(fā)布《氫能與燃料電池戰(zhàn)略路線圖》，指明發(fā)展氫社會的努力方向；

2016年，豐田正式推出第一代氫能源汽車Mirai。

韓國

2018年6月，韓國頒布《氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)戰(zhàn)略路線圖》：

提出盡快布局包括氫能燃料電池汽車、加氫站、氫能源在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)；

到2022年，韓國政府與企業(yè)計劃合作投資2.6萬億韓元、推廣1.6萬輛氫能燃料電池汽車、建設(shè)310座加氫站，并投入1250億韓元支持相關(guān)核心部件和原材料研發(fā)；

把氫能經(jīng)濟法和氫能納入國家基本能源計劃中。

歐盟

積極推進氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展；

在科研方面給予氫能產(chǎn)業(yè)大力支持。

德國

2006年，啟動氫能和燃料電池技術(shù)國家創(chuàng)新計劃，到2016年前該計劃共投入14億歐元；

2009年，啟動氫能供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施研究；2011年年底，發(fā)布實施路線圖。

美國

1970年，美國通用汽車公司技術(shù)研究中心提出“氫經(jīng)濟”概念；

1976年，美國斯坦福研究院進行氫經(jīng)濟可行性研究；

小布什執(zhí)政期間，制定了美國向氫能經(jīng)濟過渡的路線圖；

2019年11月6日，燃料電池和氫能源協(xié)會發(fā)布美國氫經(jīng)濟路線圖執(zhí)行概要報告。