碳達(dá)峰、碳中和愿景目標(biāo)，正在加速驅(qū)動我國能源轉(zhuǎn)型和能源消費結(jié)構(gòu)調(diào)整。在能源加速轉(zhuǎn)型和全球新舊能源交替的過程中，煤炭產(chǎn)業(yè)正積極尋找轉(zhuǎn)型發(fā)展新路子。煤制氫，作為近年來煤炭行業(yè)在能源轉(zhuǎn)型發(fā)展過程中的重要探索，同樣面臨新的問題與挑戰(zhàn)。

面對變革 “既不悲觀也不無視”

碳達(dá)峰、碳中和愿景目標(biāo)的提出，將助力風(fēng)能、太陽能等清潔能源迅猛發(fā)展，也讓煤炭行業(yè)前所未有地站在風(fēng)口浪尖，直面新變革、新挑戰(zhàn)。中國煤炭工業(yè)協(xié)會副會長、中國煤炭學(xué)會理事長劉峰表示，對此我們“既不悲觀也不無視”。

“不悲觀”來自雄厚的底氣。煤炭一直是我國的基礎(chǔ)能源和主要能源。2020年，我國煤炭產(chǎn)量仍達(dá)到39億噸，占全社會能源消費總量的56.8%。煤炭保證了我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的長期能源需求，在未來一定時期內(nèi)，它仍然是保證國家能源安全和消費需求的“壓艙石”和“穩(wěn)定器”。

有研究預(yù)計，到“十四五”末期，國內(nèi)煤炭年消費需求仍將達(dá)到42億噸左右，煤炭產(chǎn)量需要達(dá)到41億噸左右。消費總量仍然有所增長、消費占比仍然超過50%。屆時，全國煤礦數(shù)量將進(jìn)一步壓縮到4000處左右，建成千萬噸級礦井(露天)65處、產(chǎn)能近10億噸/年，培育3家至5家具有全球競爭力的世界一流煤炭企業(yè)。到“十四五”末期，我國煤炭供給質(zhì)量和生產(chǎn)集中度將進(jìn)一步提高，技術(shù)和裝備水平將進(jìn)一步提升，煤炭工業(yè)全面進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展新時代。

據(jù)介紹，在煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化層面，經(jīng)過10多年的不斷推進(jìn)，我國現(xiàn)代煤化工技術(shù)和產(chǎn)業(yè)空前發(fā)展。

中國煤炭工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，目前我國大型現(xiàn)代煤化工企業(yè)發(fā)展到70多家，建成投運各種大型氣化爐320多臺(套)，形成煤制油產(chǎn)能931萬噸、煤制氣產(chǎn)能51億立方米、煤制烯烴產(chǎn)能1582萬噸、煤制乙二醇489萬噸、煤制合成氨產(chǎn)能6000多萬噸、低階長焰煤生產(chǎn)蘭炭產(chǎn)能1億噸以上，百萬噸級煤制芳烴、百萬噸級煤制乙醇、千萬噸級低階末煤干餾熱解提質(zhì)分級轉(zhuǎn)化升級示范工程和一批現(xiàn)代煤化工新項目正在加快建設(shè)，整體煤炭轉(zhuǎn)化能力已經(jīng)超過3億噸。

“不無視”來自日漸緊迫的新形勢、新要求。當(dāng)前，正值我國國民經(jīng)濟進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展新時代，大氣污染防控和全球氣候變化治理更加緊迫。劉峰表示，作為生產(chǎn)單一高碳化石能源的煤炭行業(yè)、煤炭企業(yè)，要深刻認(rèn)識時代的變化，深刻認(rèn)識人類發(fā)展長河中各種能源發(fā)展的階段性、替代性，深刻認(rèn)識新能源、可再生能源的巨大潛力，“煤炭行業(yè)需未雨綢繆，抓住轉(zhuǎn)型發(fā)展的新機遇，滿腔熱忱地迎接低碳、無碳能源時代，積極參與和投身到新能源發(fā)展的潮流中”。

而在新能源發(fā)展的潮流中，有一股浪潮勢頭強勁，不容忽視——氫能。

從煤到氫 氫源有了可靠保障

氫(H)，在元素周期表中位于第一位，廣泛存在于自然界。在全球清潔能源轉(zhuǎn)型的大背景下，氫能的無碳屬性尤其突出，被視為是21世紀(jì)的“終極能源”。據(jù)世界氫能協(xié)會預(yù)計，到2050年全球環(huán)境20%的二氧化碳的減排要靠氫氣來完成。

隨著氫能應(yīng)用技術(shù)發(fā)展逐漸成熟，以及全球應(yīng)對氣候變化壓力的持續(xù)增大，氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在世界各國備受關(guān)注，日本、美國等發(fā)達(dá)國家相繼將發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)提升到國家能源戰(zhàn)略高度。

在我國，氫能產(chǎn)業(yè)近年來得到高度重視，一系列有利于氫能發(fā)展的相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策相繼出臺。

“當(dāng)前，中國氫能產(chǎn)業(yè)處于前期開發(fā)階段。受新冠肺炎疫情影響，進(jìn)入2020年以來，中國氫能產(chǎn)業(yè)的建設(shè)和發(fā)展進(jìn)入了一個相對短暫的停滯時期。但是，隨著國內(nèi)疫情防控形勢逐漸好轉(zhuǎn)，氫能產(chǎn)業(yè)也將隨著社會秩序逐漸恢復(fù)正常而重新啟動。”清華東莞創(chuàng)新中心可持續(xù)發(fā)展與低碳政策研究室副主任孟翔宇表示。

氫能發(fā)展如火如荼，煤炭在其中發(fā)揮怎樣的作用?

氫能是二次能源，和電一樣，需要二次轉(zhuǎn)換才能產(chǎn)生。自然界沒有單質(zhì)的氫氣礦產(chǎn)，必須依靠大量其他能源去分解、還原才能獲得單質(zhì)的氫氣，不會憑空產(chǎn)生。

煤炭是化石能源，其經(jīng)過氣化、一氧化碳耐硫變換、酸性氣體脫除、氫氣提純等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以得到不同純度的氫氣。

當(dāng)然，氫的來源是多元的。中國工程院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員衣寶廉介紹，制氫主要包括以煤炭為主的化石燃料制氫，石油化工、焦化、甲醇等工業(yè)副產(chǎn)氣制氫，可再生能源制氫3條路徑。

不過，我國當(dāng)前的氫源結(jié)構(gòu)仍以煤為主。公開數(shù)據(jù)顯示，在我國現(xiàn)有2500萬噸氫氣中，煤制氫所產(chǎn)氫氣占62%、天然氣制氫占19%，工業(yè)副產(chǎn)氣制氫占18%，電解水制氫占1%左右。

究其原因，劉峰表示，煤炭是我國唯一的優(yōu)勢礦產(chǎn)，資源儲量大、開采能力強，大型煤氣化制氫技術(shù)成熟，從資源和生產(chǎn)技術(shù)方面對制氫有很好的保障。

近年來，隨著現(xiàn)代煤化工技術(shù)和裝備的發(fā)展，我國煤炭大型高溫氣化技術(shù)和裝備不斷成熟，各種類型并擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型煤氣化爐不斷示范應(yīng)用。

中國煤炭工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，我國大型干粉煤氣化爐已達(dá)到日氣化煤量3000噸級水平，水煤漿氣化爐已達(dá)到日氣化煤量4000噸級水平。以2000噸級多噴嘴水煤漿氣化爐為例，通過全部變換制氫，每天可以生產(chǎn)120多噸“4個9到5個9”(濃度99.99%至99.999%)的高品質(zhì)、高純度氫氣，按照現(xiàn)有氫能源汽車氫氣消耗指標(biāo)估算，足可以供13萬輛小轎車跑100公里。

當(dāng)前，我國氫能產(chǎn)業(yè)處于應(yīng)用初期階段，氫氣的需求量并不大，但氫氣的便捷、低成本、穩(wěn)定供應(yīng)非常重要，煤制氫低廉的成本價格優(yōu)勢尤其突顯。據(jù)悉，目前我國煤制氫每公斤氫氣的生產(chǎn)成本只有10元至15元，僅為電解水制氫成本的1/4，也是現(xiàn)有汽油車油耗成本的1/2。

相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策

●2016年4月，國家發(fā)展改革委、國家能源局等聯(lián)合發(fā)布《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃(2016—2030年)》，提出能源技術(shù)革命重點創(chuàng)新行動路線圖，部署了15項具體任務(wù)，標(biāo)志著氫能產(chǎn)業(yè)已被納入國家能源戰(zhàn)略。

●2016年6月，國家發(fā)展改革委、國家能源局、工信部聯(lián)合發(fā)布《中國制造2025—能源裝備實施方案》，將燃料電池和氫能開發(fā)利用作為專門章節(jié)，被《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要(2016)》列為引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術(shù)。

●2017年，國家能源局批準(zhǔn)多項棄風(fēng)棄光制氫儲能項目。

●2018年1月，國家科技部將“可再生能源與氫能技術(shù)”列入重點專項，積極加以支持研究。

●2018年2月11日，由國家能源集團牽頭、國家電網(wǎng)公司等多家央企參與的跨學(xué)科、跨行業(yè)、跨部門的國家級產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟——中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟宣告成立。

●2019年國務(wù)院政府工作報告中，明確提出“推進(jìn)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”，標(biāo)志氫能首次被寫入政府工作報告。

兩種聲音 用發(fā)展眼光看問題

不過，在碳達(dá)峰、碳中和愿景目標(biāo)下，煤制氫的成本價格優(yōu)勢正在受到挑戰(zhàn)。

目前，學(xué)界根據(jù)制氫過程的不同，將氫氣劃分為灰氫、藍(lán)氫、綠氫。

灰氫：由化石能源制取氫氣，制氫過程排放二氧化碳等溫室氣體。

藍(lán)氫：由化石能源制取氫氣，并利用碳捕獲與封存技術(shù)(CCS)，將排放的溫室氣體捕獲封存。

綠氫：由核能、可再生能源通過電解水等手段制取氫氣，制氫過程不排放溫室氣體。

國際氫能協(xié)會副主席、清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院教授毛宗強指出，煤炭是高碳礦產(chǎn)，通過煤氣化制氫要排放大量二氧化碳。現(xiàn)在，中國氫氣主要來自煤制氫或工業(yè)副產(chǎn)氫，包括丙烷乙烷脫氫、氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫、煤制甲醇等，屬于灰氫，煤制氫和CCS技術(shù)的結(jié)合是下一步技術(shù)方向。

而結(jié)合了CCS技術(shù)的藍(lán)氫，無疑將大大增加煤制氫的成本。

“灰氫如果不和CCS技術(shù)結(jié)合，其發(fā)展將受限。”孟翔宇表示，“未來綠氫才是最終的發(fā)展方向。”

“目前，氫能還是要以灰氫為主，藍(lán)氫成本太高。囿于CCS技術(shù)發(fā)展，某種程度上說，目前藍(lán)氫只停留在理論層面。”中國石油技術(shù)開發(fā)公司石化分公司銷售經(jīng)理張軒有不同的意見。

兩種不同聲音，反映了我國碳達(dá)峰、碳中和愿景目標(biāo)下的兩種觀點。

“一些人認(rèn)為，要盡快減少化石能源使用;另一些人認(rèn)為，非化石能源在保障能源安全中難堪大任。”中國宏觀經(jīng)濟研究院能源研究所副所長張有生表示。

對于兩種觀點的博弈，張有生指出，不能脫離發(fā)展階段看問題。縱觀全球自化石能源大規(guī)模利用以來，到未來其基本退出歷史舞臺的整個歷程，化石能源與非化石能源之間關(guān)系的演變可分為5個階段：化石能源占絕對主體、增量替代階段、存量替代階段、主體更替階段、碳中和階段。

第一階段：化石能源占絕對主體。化石能源是滿足經(jīng)濟社會發(fā)展所需能源的絕對主力，對保障能源安全起“基石”作用。

第二階段：增量替代階段。在新增能源需求中，非化石能源所占比重不斷增加，最終成為滿足增量需求的主體。化石能源占全部能源消費比重不斷下降，但仍超過四分之三，對保障能源安全起“壓艙石”作用。

第三階段：存量替代階段。非化石能源完全滿足新增能源需求，且對部分存量化石能源進(jìn)行替代。化石能源占全部能源消費比重快速下降，但仍超過一半，對保障能源安全起“兜底”作用。

第四階段：主體更替階段。非化石能源所占比重不斷提升，化石能源消費比重不斷下降，所占比率從50%左右降至10%左右，非化石能源成為能源供應(yīng)的主力，化石能源對保障能源安全起“輔助”作用。

第五階段：碳中和階段。非化石能源所占比率超過90%，成為能源供應(yīng)的絕對主體，化石能源對保障能源安全起“補充”作用。

“目前，我國正處于第二階段和第三階段之間，是二者矛盾最為集中、突出的時候。而碳中和愿景目標(biāo)的提出，將大大壓縮過渡時間。”張有生表示，“我們不能只看對立面，不看統(tǒng)一面。化石能源不會消失。下一步，如何采用更多手段實現(xiàn)清潔利用才是關(guān)鍵。”

化石能源與非化石能源之間關(guān)系演變的5個階段

♦第一階段：

化石能源占絕對主體。化石能源是滿足經(jīng)濟社會發(fā)展所需能源的絕對主力，對保障能源安全起“基石”作用。

♦第二階段：

增量替代階段。在新增能源需求中，非化石能源所占比重不斷增加，最終成為滿足增量需求的主體。化石能源占全部能源消費比重不斷下降，但仍超過四分之三，對保障能源安全起“壓艙石”作用。

♦第三階段：

存量替代階段。非化石能源完全滿足新增能源需求，且對部分存量化石能源進(jìn)行替代。化石能源占全部能源消費比重快速下降，但仍超過一半，對保障能源安全起“兜底”作用。

♦第四階段：

主體更替階段。非化石能源所占比重不斷提升，化石能源消費比重不斷下降，所占比率從50%左右降至10%左右，非化石能源成為能源供應(yīng)的主力，化石能源對保障能源安全起“輔助”作用。

♦第五階段：

碳中和階段。非化石能源所占比率超過90%，成為能源供應(yīng)的絕對主體，化石能源對保障能源安全起“補充”作用。

氫氣的分類

★灰氫：由化石能源制取氫氣，制氫過程排放二氧化碳等溫室氣體。

★藍(lán)氫：由化石能源制取氫氣，并利用碳捕獲與封存技術(shù)(CCS)，將排放的溫室氣體捕獲封存。

★綠氫：由核能、可再生能源通過電解水等手段制取氫氣，制氫過程不排放溫室氣體。

立足當(dāng)下 現(xiàn)階段做好煤炭的事

化石能源與非化石能源之間關(guān)系的演變存在發(fā)展階段，同樣，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展也存在發(fā)展階段。

目前，我國氫能發(fā)展處于初期階段，氫氣的需求量并不大，但氫氣的便捷、低成本、穩(wěn)定供應(yīng)非常重要。

劉峰表示，要認(rèn)識能源發(fā)展的階段性，把握氫能全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。在綠氫尚不能具備足量、低價、穩(wěn)定供氫的時期，煤制氫可作為氫源的一份子。

據(jù)介紹，煤氣化制氫所排放的是高濃度、較高純度的二氧化碳，而且是集中排放，有利于二氧化碳的無害化處置和碳循環(huán)利用，省去了碳捕捉環(huán)節(jié);煤制氫低廉的價格，也為開展碳埋藏和碳循環(huán)利用騰出來很大的成本空間。

劉峰認(rèn)為，當(dāng)前煤制氫及衍生的甲醇制氫、焦?fàn)t氣制氫等已廣泛應(yīng)用于石油化工、煤化工等生產(chǎn)領(lǐng)域，主要作為化工生產(chǎn)原料使用。氫燃料電池技術(shù)開辟了嶄新的氫能應(yīng)用路線，“煤制氫+氫能”有條件成為煤炭清潔高效利用的新方向。

“在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期階段，煤制氫與工業(yè)副產(chǎn)氣制氫等一起發(fā)揮氫源優(yōu)勢，構(gòu)建便捷、低成本的氫能供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，助力中國氫能產(chǎn)業(yè)起步成長，是煤制氫的光榮使命。”劉峰說，煤炭在未來氫氣生產(chǎn)中，具備很好的發(fā)展條件，能夠繼續(xù)承擔(dān)“兜底”和“保供”作用。

石油和化學(xué)工業(yè)規(guī)劃院能源化工處副處長劉思明同樣表示，工業(yè)副產(chǎn)氣制氫將成為在完成綠氫替代前培育氫能終端市場的過渡手段。從化工到氫能源，是一個聯(lián)動發(fā)展的過程，可助力解決氫能源產(chǎn)業(yè)在發(fā)展初期需要低成本的問題。

劉峰指出，面向未來，即使到了可再生能源發(fā)電制氫的成本更低、規(guī)模更大的階段，可再生能源制綠氫與煤炭相結(jié)合，作為原料生產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品，實現(xiàn)碳?xì)浠パa，也能夠更好地發(fā)揮二者的優(yōu)勢。

“無論是煤還是氫，只要以正確的、恰當(dāng)?shù)姆绞降玫嚼茫紝榻?jīng)濟發(fā)展、工業(yè)文明進(jìn)步作出自己的貢獻(xiàn)。做好煤炭的事，積極投身到氫能源的發(fā)展進(jìn)程中，加強煤制氫高濃度二氧化碳的封存埋藏和碳循環(huán)利用，將賦予煤炭新的使命，在新能源和低碳經(jīng)濟發(fā)展進(jìn)程中同樣能夠發(fā)揮更大的作用。”劉峰說。

如今，已有不少煤炭企業(yè)開始積極探索嘗試。

據(jù)悉，在我國每年4億多噸的焦炭生產(chǎn)和近1億噸蘭炭生產(chǎn)所附產(chǎn)的大量焦?fàn)t煤氣中，含有大量氫氣，粗略估算超過1000億立方米，大多沒有得到很好地利用。

在山西美錦能源公司，這部分“寶藏”已被發(fā)掘。該公司主要從事焦炭及其制品、煤炭、液化天然氣及煤層氣、氫燃料電池汽車等生產(chǎn)經(jīng)營，擁有“煤—焦—氣—化”比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

2016年，該公司啟動氫能發(fā)展。山西美錦能源公司氫能事業(yè)部部長吳浩表示，氫氣是焦化的副產(chǎn)品，制氫成本低、工藝簡單、成熟。美錦能源一年的氫氣約有6萬噸，可滿足約4萬輛轎車或1.5萬輛中型卡車一年的用量。通過氫能路徑，降排放、提高能源效率，是未來發(fā)展方向。

順鑫煤化工科技公司正在投入中低溫煤焦油制燃料氫氣項目，該項目為褐煤清潔綜合利用子項目，如今中試已完成，氫氣成本低于25元/公斤。

目前，該項目進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化示范建設(shè)洽談階段，預(yù)計今年底開建示范工程。“這個項目的產(chǎn)業(yè)鏈完善如今有關(guān)鍵突破，屆時制氫成本會進(jìn)一步下降。”順鑫煤化工科技公司總工程師李守富說。

國家能源集團北京低碳清潔能源研究院目前正在研究的煤基分布式制氫技術(shù)，提供了制氫的多樣化路徑。“我們利用‘煤+城市垃圾+生物質(zhì)’供氣制氫。城市垃圾和生物質(zhì)熱值波動、不穩(wěn)定，配煤可增加其穩(wěn)定性。”該院潔凈煤技術(shù)中心主任李文華說。目前，該技術(shù)已在北京開展示范項目，建立煤制氫工廠。

近日召開的第三屆中國制氫與氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會透露，2020年我國產(chǎn)氫量超過2500萬噸。這些氫氣并沒有多少閑置，從現(xiàn)有氫氣消費構(gòu)成看，基本全部用于工業(yè)過程領(lǐng)域。其中，合成氨用氫占37%、甲醇用氫占19%、煉油用氫占10%、其他工業(yè)領(lǐng)域占比為19%、真正直接燃燒占比不足15%。

“這意味著，未來如果大規(guī)模采用氫能路線，氫源必須有可靠的保障。而煤制氫正是氫氣的可靠來源。用好煤炭，選擇更加清潔、高效的轉(zhuǎn)化路徑，使其順暢抵達(dá)能源消費終端意義重大。”劉峰表示，“煤炭和氫氣二者起點不同，但作為能源應(yīng)用的目標(biāo)相同;二者發(fā)展階段不同，在能源體系中的地位和作用需要逐步協(xié)調(diào)。”