中國(guó)冶金報(bào) 中國(guó)鋼鐵新聞網(wǎng)
康斌
氫氣已經(jīng)成為世界各國(guó)鋼鐵企業(yè)減少碳排放的主要途徑。全球各大鋼鐵企業(yè)為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，正廣泛開展氫還原工藝研究和中試，探索氫冶金替代傳統(tǒng)高爐的碳還原工藝。圍繞氫冶金工藝應(yīng)用，離不開氫氣的制取、儲(chǔ)運(yùn)、應(yīng)用三大環(huán)節(jié)。
其中，氫氣的經(jīng)濟(jì)化、大規(guī)模生產(chǎn)是氫氣在氫冶金中實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，存儲(chǔ)運(yùn)輸則是連接氫氣生產(chǎn)端與需求端的關(guān)鍵橋梁。接下來，筆者從氫氣的制取和儲(chǔ)運(yùn)這兩個(gè)環(huán)節(jié)出發(fā)，介紹當(dāng)前國(guó)際上氫冶金技術(shù)的幾種核心工藝技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀。
氫氣制取工藝路徑及應(yīng)用現(xiàn)狀
氫冶金核心是氫直接還原鐵工藝，鋼鐵企業(yè)目前正在探索和應(yīng)用的制氫方式主要包括以下幾種。
●電解水制氫
在由電極、電解質(zhì)與隔膜組成的電解槽中，在電解質(zhì)水溶液中通入電流，水電解后，在陰極產(chǎn)生氫氣，在陽極產(chǎn)生氧氣。電解水制氫耗電量大，成本高。目前，堿性電解水制氫（ALK）、陰離子交換膜電解水制氫（AEM）、質(zhì)子交換膜電解水制氫（PEM）、固體氧化物電解水制氫（SOEC）是國(guó)際上主流的電解制氫工藝。其中，堿性電解水制氫技術(shù)最為成熟，已能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模制氫應(yīng)用。PEM制氫占地面積較小，與可再生能源的適配度更高。SOEC制氫的主要特點(diǎn)是工作溫度高、效率高、用蒸汽替代液態(tài)水，且可以反向運(yùn)作，充當(dāng)燃料電池。
●化石燃料重整制氫
化石燃料主要指天然氣、石油和煤，其他還有頁巖氣和可燃冰等，其主要成分是甲烷。甲烷水蒸氣重整制氫是目前采用最多的制氫技術(shù)。在高溫高壓下，甲烷和水蒸氣反應(yīng)，生成含有氫氣和一氧化碳的合成氣，再提純出氫氣。這種方法制取的氫氣量大，但會(huì)產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體。
●生物質(zhì)制氫
生物質(zhì)制氫是指通過氣化和微生物催化脫氫方法制氫，是在生理代謝過程中產(chǎn)生分子氫過程的統(tǒng)稱。這種方法利用可再生的生物資源，但技術(shù)還不成熟，產(chǎn)量低、成本高。
●新型制氫方法
新型制氫方法包括光化學(xué)制氫、熱化學(xué)制氫、太陽能光催化分解水制氫等技術(shù)。這些方法利用了太陽能等清潔能源，但目前還處于實(shí)驗(yàn)和開發(fā)階段，尚未達(dá)到工業(yè)規(guī)模制氫要求。
目前，我國(guó)制氫的主要方式是化石燃料制氫，這種方法成本低、產(chǎn)量大。為了實(shí)現(xiàn)低碳、清潔、高效的制氫目標(biāo)，鋼鐵企業(yè)都在探索采用可再生能源電解水制氫技術(shù)，這種技術(shù)利用風(fēng)能、太陽能等清潔能源通過電解將水分解為氫氣和氧氣，制氫過程沒有二氧化碳排放，也不消耗化石能源，因此是一種綠色氫氣生產(chǎn)方式，產(chǎn)生的氫氣也被稱為“綠氫”。
可再生能源電解水制氫技術(shù)也面臨著一些挑戰(zhàn)和難題，如電解效率、電解設(shè)備、電力供應(yīng)、氫氣儲(chǔ)運(yùn)等方面需要進(jìn)一步提高和完善。根據(jù)國(guó)際能源署研究，中東、非洲、中國(guó)、澳大利亞和南美洲等地最有希望成為綠氫集中生產(chǎn)基地。這些地方擁有豐富的可再生能源、便利的運(yùn)輸條件。
電解水制氫成本一般包括設(shè)備成本、原料成本（水）、能源成本（電力）及其他運(yùn)營(yíng)成本。其中，能源成本即電力成本所占比例最大，一般為40%～60%，電力成本主要受能源轉(zhuǎn)化效率（即電解制氫效率）因素影響。
據(jù)2020年國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)（IRENA）測(cè)算，當(dāng)電價(jià)下降到20美元/兆瓦時(shí)（0.13元/千瓦時(shí)）時(shí)，制氫成本大幅下降，且下降幅度明顯大于由于電解槽設(shè)備成本降低帶來的成本下降幅度，即設(shè)備成本的降低不能彌補(bǔ)高電價(jià)帶來的影響。在我國(guó)，只有當(dāng)制氫成本降至20元/千克以下時(shí)，相比于化石燃料制氫，電解水制氫才具有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，此時(shí)可再生能源電價(jià)需降低至0.3元/千瓦時(shí)以下。
歐盟的目標(biāo)是在2030年綠氫供應(yīng)量達(dá)到2000萬噸，其中1000萬噸在歐盟境內(nèi)生產(chǎn)，1000萬噸依靠進(jìn)口。為此，2030年，歐洲需要有100吉瓦的電解槽產(chǎn)能，才能滿足1000萬噸氫氣生產(chǎn)需求。
截至2022年7月底，卡塔爾的堿性電解水制氫成本為2.59美元/千克，沙特阿拉伯為3.20美元/千克，阿曼為3.55美元/千克，阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)為5.14美元/千克。質(zhì)子交換膜電解水制氫（PEM）成本通常比堿性電解水制氫成本高出約1美元/千克。由蒸汽甲烷重整（SMR）和碳捕獲與儲(chǔ)存（CCS）聯(lián)合生產(chǎn)的藍(lán)氫在中東地區(qū)的價(jià)格約為7美元/千克。根據(jù)中東和北非地區(qū)的可用產(chǎn)能，到2050年，生產(chǎn)成本低于1美元/千克的綠氫是可以實(shí)現(xiàn)的。
氫氣儲(chǔ)運(yùn)方式及成本對(duì)比
氫儲(chǔ)運(yùn)成本目前占終端氫氣價(jià)格的30%左右，經(jīng)濟(jì)、高效、安全的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)氫氣大規(guī)模應(yīng)用的制約因素之一。
根據(jù)氫氣的運(yùn)輸形態(tài)，可以分為氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)等形式運(yùn)輸。從運(yùn)輸工具來分，可以通過管道、輪船或卡車3種載體運(yùn)輸。長(zhǎng)距離運(yùn)輸主要通過新建或改造后的海底輸氫管道進(jìn)行大規(guī)模氫氣運(yùn)輸，比航運(yùn)更具經(jīng)濟(jì)性。在沒有管道的情況下，目前主要以液氫和氨等形式儲(chǔ)存，采用船舶進(jìn)行遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。2023年9月份，韓國(guó)浦項(xiàng)與美國(guó)制氨公司CF工業(yè)控股合作生產(chǎn)藍(lán)氨，也是采用氨將綠色氫氣運(yùn)往韓國(guó)。
從經(jīng)濟(jì)性方面來講，運(yùn)輸氫氣的成本與氫的需求量有關(guān)，運(yùn)量和運(yùn)距決定氫氣儲(chǔ)運(yùn)的方式。
采用哪種運(yùn)輸方式，與運(yùn)輸距離、運(yùn)輸規(guī)模、氫的應(yīng)用場(chǎng)景等有關(guān)，需要做全流程的設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性測(cè)算。單從運(yùn)距角度考慮，管道輸氫在各運(yùn)輸范圍內(nèi)的成本最低，在500千米以內(nèi)，長(zhǎng)管拖車輸氫成本低于低溫液氫運(yùn)輸成本；超過500千米，低溫液氫運(yùn)輸更具成本優(yōu)勢(shì)。目前，氫能產(chǎn)業(yè)仍處于初期發(fā)展階段，結(jié)合實(shí)際氫運(yùn)量及實(shí)現(xiàn)各儲(chǔ)運(yùn)方式所需的條件，長(zhǎng)管拖車輸氫是氫能發(fā)展初期階段氫儲(chǔ)運(yùn)高性價(jià)比之選。
●氣態(tài)氫的拖車運(yùn)輸
由于氫氣密度較小、液化溫度較低、穩(wěn)定性差等特性，儲(chǔ)運(yùn)氫的難度較大。目前國(guó)內(nèi)高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)相對(duì)成熟，在成本方面具備優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)階段主要的氫氣儲(chǔ)運(yùn)方式。受技術(shù)和成本端的制約，低溫液態(tài)、固態(tài)等其他儲(chǔ)氫技術(shù)僅有少量應(yīng)用，總占比不到0.1%。
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫為短距離運(yùn)輸?shù)闹髁鬟x擇。目前鋼鐵行業(yè)對(duì)儲(chǔ)氫技術(shù)的核心要求為安全、大容量、低成本。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫操作簡(jiǎn)單、成本較低、技術(shù)成熟，但由于壓力較大，存在一定的安全隱患，并且儲(chǔ)氫密度較小使得儲(chǔ)氫效率較低。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫在儲(chǔ)氫密度上具有優(yōu)勢(shì)，體積密度為80兆帕下高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫的2倍多，但制冷耗能大、儲(chǔ)存成本過高。
氫氣的短距離異地運(yùn)輸主要通過集裝管束運(yùn)輸車進(jìn)行。集裝管束運(yùn)輸車由大容積無縫鋼瓶組成容器主體，鋼瓶由瓶體兩端的支撐板固定在框架中構(gòu)成集裝管束。制氫廠制得的氫氣在通過壓縮機(jī)高壓壓縮后儲(chǔ)存在儲(chǔ)氫瓶中，然后由載有6個(gè)～10個(gè)大容積儲(chǔ)氫瓶的長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸。因?yàn)闅錃饷芏刃。鴥?chǔ)氫壓力容器自重大，所以最終拖車所運(yùn)氫氣的質(zhì)量只占總運(yùn)輸質(zhì)量的1%～2%，運(yùn)輸量為260千克/車～460千克/車。長(zhǎng)管拖車目前只適用于運(yùn)輸距離較近、輸送量較低的運(yùn)輸場(chǎng)景。
高壓氫氣必須經(jīng)過兩次壓縮。第一次壓縮是給槽車氫罐充裝氫氣，通常壓力不超過30兆帕。第二次壓縮是在加氫站，為了給車載氫罐充氫，需要進(jìn)一步壓縮至超過氫罐壓力。
●液態(tài)氫的車船運(yùn)輸
低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是將液化氫氣儲(chǔ)存到絕熱真空容器中，相比于高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫質(zhì)量密度更大，儲(chǔ)存氫氣的純度更高。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫需要使用具有良好絕熱性能的液氫儲(chǔ)罐，并配有嚴(yán)格的絕熱方案與冷卻設(shè)備。液化氫氣的能耗較大，使得低溫液態(tài)儲(chǔ)氫成本較高。低溫液化儲(chǔ)氫的單位成本為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫單位成本的2倍左右。
液氫運(yùn)輸是一種既能滿足較大輸氫量，又比較快速、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)氫方法。液態(tài)氫的體積是氣態(tài)氫的1/800。液化氫可大幅提高氫的儲(chǔ)運(yùn)效率，運(yùn)輸、儲(chǔ)存容器需使用特殊合金和碳纖維增強(qiáng)樹脂等。
●氫氣管網(wǎng)輸送
與氫的車船運(yùn)輸相比，管網(wǎng)輸送氫氣是最經(jīng)濟(jì)、最節(jié)能的大規(guī)模長(zhǎng)距離輸送氫氣的方式。氣態(tài)氫的管網(wǎng)輸送方法主要包括純氫氣的管網(wǎng)輸送和氫與天然氣混合氣的管網(wǎng)輸送兩種。
使用已有管網(wǎng)輸送氫氣是低成本、長(zhǎng)距離輸送大量氫氣的優(yōu)選方法之一。直接把天然氣管網(wǎng)變?yōu)闅渑c天然氣混合氣（含氫約15%），僅需對(duì)原有管網(wǎng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑旒纯?。輸送純氫，則需要對(duì)原天然氣管網(wǎng)進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的改造，包括材料和重要部件的更換、安全性措施升級(jí)等。
隨著未來氫氣需求的不斷增加，管道運(yùn)氫是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長(zhǎng)距離輸氫的主要方式。管道儲(chǔ)氫相較于長(zhǎng)管拖車具有運(yùn)輸體量大、距離遠(yuǎn)、能耗損失少、經(jīng)濟(jì)高效等多重優(yōu)勢(shì)。但其鋪設(shè)難度大、投資成本較高。
為了滿足大規(guī)模綠氫應(yīng)用需求，德國(guó)薩爾茨吉特、蒂森克虜伯及安賽樂米塔爾德國(guó)公司開始規(guī)劃建設(shè)從港口到鋼鐵工業(yè)區(qū)的管網(wǎng)，將海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)電解制取的氫氣或進(jìn)口的氫氣采用管網(wǎng)穩(wěn)定快速輸送到鋼鐵生產(chǎn)廠。
此外，新建的氫冶金項(xiàng)目，例如HYBRIT和H2 Green Steel項(xiàng)目都在項(xiàng)目場(chǎng)地附近建設(shè)綠色制氫設(shè)施。為了保障氫氣供應(yīng)的穩(wěn)定性，HYBRIT項(xiàng)目還利用合作方的礦洞建設(shè)儲(chǔ)氫點(diǎn)。
資源稀缺的鋼鐵企業(yè)，則選擇在可再生能源豐富的地區(qū)投資建設(shè)綠色電解制氫廠，例如浦項(xiàng)在澳大利亞、中東等地區(qū)開發(fā)綠氫資源，后期采用氨運(yùn)輸氫氣，以滿足國(guó)內(nèi)生產(chǎn)需要。
