化工行業(yè)在氫能源市場中的機遇

方鯤 周偉民 方錚 李玫 王春生 水谷昌弘 喬治

1 背景

有機化學(xué)方法將氫氣嵌入芳香族化合物載體甲苯（氫氣化）后轉(zhuǎn)換成另一種化合物——甲基環(huán)乙烷（MCH）來儲存和運輸，運輸?shù)侥康牡睾笸ㄟ^脫氫反應(yīng)萃取出氫氣。甲苯作為儲氫的載體，其使用后再運回制氫基地，以此反復(fù)使用。MCH的體積是氫的1/500，甲苯和MCH在常溫常壓條件下可以被傳統(tǒng)儲罐車等工具直接儲存或運輸。

氫化反應(yīng)是發(fā)熱反應(yīng)，脫氫是吸熱反應(yīng)，在這個發(fā)熱/吸熱反應(yīng)過程中要損耗30%的氫，所以如何在氫化和脫氫環(huán)節(jié)降低能耗是個值得探討的課題。因此，如果能利用發(fā)電廠和工廠的排熱來進(jìn)行脫氫，將大大降低使用成本。

未來，氨（NH3）將是冉冉升起的制氫新星，其分子中含有大量的氫，NH3的質(zhì)量氫密度17.8%，而MCH質(zhì)量密度是6%，NH3是它的3倍。NH3的體積密度是液化氫1.5～1.7倍，是有機液態(tài)氫的2.4～2.7倍。NH3的液化溫度是-33℃，略加10個標(biāo)準(zhǔn)氣壓就可以在溫室內(nèi)以液態(tài)狀態(tài)保存。NH3是基礎(chǔ)化學(xué)品，作為肥料的原料被大量生產(chǎn)，其已經(jīng)具有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈。因此，NH3作為儲氫運氫的新載體被迅速重視起來。但是，從NH3中分離萃取氫的技術(shù)較難，需要用釕作為催化劑并加熱至670℃高溫。

另外，從NH3中萃取的氫雜質(zhì)較多，無法直接用于FCV氫燃料電池車上，需要精制提純后才可使用。

為此，NH3基氫一般不進(jìn)行精制，直接用于使用NH3燃料電池（SOFC）車上，NH3不含碳，所以用于燃燒也不會有二氧化碳排放。日本有大規(guī)模運用的NH3基氫直接用于固體氧化物電池上的成熟技術(shù)和業(yè)績，同時也有直接燃燒發(fā)電的成功案例?；?種載體各有千秋，所以根據(jù)使用場景各取所需是目前業(yè)內(nèi)基本看法。

根據(jù)2014年日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省能源廳計劃成本目標(biāo)每制造1m3氨基氫（0℃溫度狀態(tài)下1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氣體體積）按30日元推算，用于發(fā)電的成本17日元/kWh，相當(dāng)于液化天然氣發(fā)電的1.5倍。因此能滿足當(dāng)初成本推算的只有鋼廠和化工企業(yè)制氫（見表1）。

由此可見，基于制氫成本最經(jīng)濟的是化工行業(yè)制氫，專業(yè)化和技術(shù)成熟度高，無需重新投入。

2 化學(xué)工業(yè)供應(yīng)高純度氫氣

化工行業(yè)氫氣產(chǎn)生量最多的一項是制氨，氨是將空氣中的氮固定到氫氣中。為此，在制氨工廠都有氫氣制造裝置，主要是用石油系原料制氫。

日本昭和電工株式會社（以下簡稱“昭和電工”）將使用過的廢塑料萃取氫，從而不僅抑制石油系原材料的消耗，同時使用干冰將制造過程中產(chǎn)生的二氧化碳回收，作為副產(chǎn)品有效利用。因此，這種方法制氫比傳統(tǒng)生產(chǎn)氨的方法更有效降低環(huán)境負(fù)荷。同時，將廢舊塑料萃取出來的氫氣銷售給使用客戶。這項措施已于2015年在日本川崎市成功實施。

化工行業(yè)另外一個產(chǎn)氫大戶是燒堿生產(chǎn)，燒堿在生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品是氫，這種氫純度高，可直接進(jìn)入市場流通，同時也可給氫燃料電池汽車供氫。

3 液態(tài)氫VS有機液態(tài)氫

從2020年開始，日本液態(tài)氫和有機液態(tài)氫展就開了激烈競爭，最有代表的是川崎重工業(yè)株式會社（以下簡稱“川崎重工”）的液態(tài)氫和千代田化工建設(shè)株式會社（以下簡稱“千代田化工”）的有機液態(tài)氫。

3.1 液態(tài)氫

推動液態(tài)氫發(fā)展的是川崎重工和巖谷產(chǎn)業(yè)株式會社（以下簡稱“巖谷產(chǎn)業(yè)”）。川崎重工利用其液化天然氣（LNG）船舶制造技術(shù)升級開發(fā)運送液態(tài)氫，目前已在日本與澳大利亞之間LNG運輸船項目進(jìn)行了大規(guī)模驗證，巖谷產(chǎn)業(yè)負(fù)責(zé)裝卸設(shè)備制造和管理系統(tǒng)研發(fā)。

3.2 有機液態(tài)氫

另一極是千代田化工為代表的有機液態(tài)氫的大規(guī)模驗證。該驗證在2013年完成，目前其商標(biāo)注冊為SPERA 氫，正積極推進(jìn)低成本和提高效率，已從海外遠(yuǎn)距離運輸中取得了成功。此外，日立造船株式會社和深綠能源公司也是擁有有機液態(tài)氫技術(shù)的公司。深綠能源公司是最早推出該技術(shù)并獲得項多專利的公司。深綠能源公司主要制造中小型儲氫/供氫裝置，市場應(yīng)用以燃料電池汽車、鐵路、船舶用小型化為主。

4 被給予厚望儲能載體的發(fā)展趨勢

氫能源主要有2大特征：一是沒有二氧化碳排放；二是可以將其他一次能源與眾多再生能源轉(zhuǎn)換為氫能源，并且便于儲存運輸。

再生能源如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等，因其發(fā)電的不穩(wěn)定特征，通過電轉(zhuǎn)氫（P2G），將不穩(wěn)定能源變成可儲存運輸狀態(tài)的穩(wěn)定能源的，提高了再生能源的利用率。2016年開始，日本推廣P2G項目：在荷蘭村建立光伏發(fā)電轉(zhuǎn)氫自立發(fā)電系統(tǒng)，山梨縣NEDO（日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)）驗證項目規(guī)模已達(dá)到45萬m3/a，福島縣震災(zāi)復(fù)興光伏氫能已經(jīng)運行數(shù)十座再生能源P2G項目。

除日本外，德國在2015年也開始大規(guī)模推廣P2G技術(shù)，德國再生能源占其全國發(fā)電量的30%多，用大規(guī)模再生能源解決其不穩(wěn)定和余生電力的儲存是該國重要能源戰(zhàn)略之一。目前，德國正在同時建設(shè)30余個不穩(wěn)定電源轉(zhuǎn)氫項目，2050年其再生能源比例將由現(xiàn)在的30%提高到80%。

在眾多能源轉(zhuǎn)電儲能項目中，有機液態(tài)氫的技術(shù)運用最多，成本低且安全。日本目前由點技術(shù)到面推廣已經(jīng)進(jìn)入實質(zhì)化階段：如北九州氫能源小鎮(zhèn)、福島縣浪江町光伏氫能小鎮(zhèn)、關(guān)西國際氫能機場、東京奧運會運動員氫能村等等。

至2050年，日本減排二氧化碳80%的目標(biāo)主要從以下3個路徑實現(xiàn)：

一是徹底實施節(jié)能，降低最終總能源消耗的絕對量。2005—2015年，日本每人平均降低了13%能源消耗，到2050年降低至35%，具體手段為交通工具部門的燃料電池汽車和汽車新能源化、照明LED化、零排放房屋/零排放樓宇。

二是大幅提高最終能源消費的電力比例。目前，日本現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)中主要以電力、汽油、柴油為主，將電能提高到整體能源結(jié)構(gòu)份額的80%是其最終目標(biāo)。屆時，核電將消亡，承載主力發(fā)電的將是再生能源。

三是大幅提高再生電力比例。未來，日本現(xiàn)有的集中發(fā)電遠(yuǎn)距離送電方式將被分布式電源逐漸取代，自發(fā)電、獨立發(fā)電將迅速興起，即：將供電單行道改成雙向復(fù)合—聯(lián)產(chǎn)—獨立—分布等模式取代 。

5 結(jié)語

儲能市場將是未來的藍(lán)海市場，據(jù)日本有關(guān)機構(gòu)估算，全球未來10年氫能市場規(guī)模將達(dá)到160兆日元，而將電能轉(zhuǎn)換液態(tài)存儲是各國實現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰的重要技術(shù)手段之一。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.03.014