康斌
氫氣已經(jīng)成為世界各國鋼鐵企業(yè)減少碳排放的主要途徑。全球各大鋼鐵企業(yè)為實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標，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、儲運、應(yīng)用三大環(huán)節(jié)。
其中，氫氣的經(jīng)濟化、大規(guī)模生產(chǎn)是氫氣在氫冶金中實現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，存儲運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運這兩個環(huán)節(jié)出發(fā)，介紹當(dāng)前國際上氫冶金技術(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制氫的主要特點是工作溫度高、效率高、用蒸汽替代液態(tài)水，且可以反向運作，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，但目前還處于實驗和開發(fā)階段，尚未達到工業(yè)規(guī)模制氫要求。
目前，我國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。為了實現(xiàn)低碳、清潔、高效的制氫目標，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)、氫氣儲運等方面需要進一步提高和完善。根據(jù)國際能源署研究，中東、非洲、中國、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）及其他運營成本。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年國際可再生能源機構(gòu)（IRENA）測算，當(dāng)電價下降到20美元/兆瓦時（0.13元/千瓦時）時，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高電價帶來的影響。在我國，只有當(dāng)制氫成本降至20元/千克以下時，相比于化石燃料制氫，電解水制氫才具有一定的競爭優(yōu)勢，此時可再生能源電價需降低至0.3元/千瓦時以下。
歐盟的目標是在2030年綠氫供應(yīng)量達到2000萬噸，其中1000萬噸在歐盟境內(nèi)生產(chǎn)，1000萬噸依靠進口。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)合酋長國為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）和碳捕獲與儲存（CCS）聯(lián)合生產(chǎn)的藍氫在中東地區(qū)的價格約為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現(xiàn)的。
氫氣儲運方式及成本對比
氫儲運成本目前占終端氫氣價格的30%左右，經(jīng)濟、高效、安全的儲運技術(shù)氫氣大規(guī)模應(yīng)用的制約因素之一。
根據(jù)氫氣的運輸形態(tài)，可以分為氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)等形式運輸。從運輸工具來分，可以通過管道、輪船或卡車3種載體運輸。長距離運輸主要通過新建或改造后的海底輸氫管道進行大規(guī)模氫氣運輸，比航運更具經(jīng)濟性。在沒有管道的情況下，目前主要以液氫和氨等形式儲存，采用船舶進行遠距離運輸。2023年9月份，韓國浦項與美國制氨公司CF工業(yè)控股合作生產(chǎn)藍氨，也是采用氨將綠色氫氣運往韓國。
從經(jīng)濟性方面來講，運輸氫氣的成本與氫的需求量有關(guān)，運量和運距決定氫氣儲運的方式。
采用哪種運輸方式，與運輸距離、運輸規(guī)模、氫的應(yīng)用場景等有關(guān)，需要做全流程的設(shè)計和經(jīng)濟性測算。單從運距角度考慮，管道輸氫在各運輸范圍內(nèi)的成本最低，在500千米以內(nèi)，長管拖車輸氫成本低于低溫液氫運輸成本；超過500千米，低溫液氫運輸更具成本優(yōu)勢。目前，氫能產(chǎn)業(yè)仍處于初期發(fā)展階段，結(jié)合實際氫運量及實現(xiàn)各儲運方式所需的條件，長管拖車輸氫是氫能發(fā)展初期階段氫儲運高性價比之選。
●氣態(tài)氫的拖車運輸
由于氫氣密度較小、液化溫度較低、穩(wěn)定性差等特性，儲運氫的難度較大。目前國內(nèi)高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)相對成熟，在成本方面具備優(yōu)勢，是現(xiàn)階段主要的氫氣儲運方式。受技術(shù)和成本端的制約，低溫液態(tài)、固態(tài)等其他儲氫技術(shù)僅有少量應(yīng)用，總占比不到0.1%。
高壓氣態(tài)儲氫為短距離運輸?shù)闹髁鬟x擇。目前鋼鐵行業(yè)對儲氫技術(shù)的核心要求為安全、大容量、低成本。高壓氣態(tài)儲氫操作簡單、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，并且儲氫密度較小使得儲氫效率較低。低溫液態(tài)儲氫在儲氫密度上具有優(yōu)勢，體積密度為80兆帕下高壓氣態(tài)儲氫的2倍多，但制冷耗能大、儲存成本過高。
氫氣的短距離異地運輸主要通過集裝管束運輸車進行。集裝管束運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高壓壓縮后儲存在儲氫瓶中，然后由載有6個～10個大容積儲氫瓶的長管拖車運輸。因為氫氣密度小，而儲氫壓力容器自重大，所以最終拖車所運氫氣的質(zhì)量只占總運輸質(zhì)量的1%～2%，運輸量為260千克/車～460千克/車。長管拖車目前只適用于運輸距離較近、輸送量較低的運輸場景。
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，需要進一步壓縮至超過氫罐壓力。
●液態(tài)氫的車船運輸
低溫液態(tài)儲氫是將液化氫氣儲存到絕熱真空容器中，相比于高壓氣態(tài)儲氫，低溫液態(tài)儲氫質(zhì)量密度更大，儲存氫氣的純度更高。低溫液態(tài)儲氫需要使用具有良好絕熱性能的液氫儲罐，并配有嚴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)儲氫成本較高。低溫液化儲氫的單位成本為高壓氣態(tài)儲氫單位成本的2倍左右。
液氫運輸是一種既能滿足較大輸氫量，又比較快速、經(jīng)濟的運氫方法。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運效率，運輸、儲存容器需使用特殊合金和碳纖維增強樹脂等。
●氫氣管網(wǎng)輸送
與氫的車船運輸相比，管網(wǎng)輸送氫氣是最經(jīng)濟、最節(jié)能的大規(guī)模長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%），僅需對原有管網(wǎng)進行適當(dāng)?shù)母脑旒纯伞］斔图儦?，則需要對原天然氣管網(wǎng)進行實質(zhì)性的改造，包括材料和重要部件的更換、安全性措施升級等。
隨著未來氫氣需求的不斷增加，管道運氫是實現(xiàn)大規(guī)模、長距離輸氫的主要方式。管道儲氫相較于長管拖車具有運輸體量大、距離遠、能耗損失少、經(jīng)濟高效等多重優(yōu)勢。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，德國薩爾茨吉特、蒂森克虜伯及安賽樂米塔爾德國公司開始規(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)電場電解制取的氫氣或進口的氫氣采用管網(wǎng)穩(wěn)定快速輸送到鋼鐵生產(chǎn)廠。
此外，新建的氫冶金項目，例如HYBRIT和H2 Green Steel項目都在項目場地附近建設(shè)綠色制氫設(shè)施。為了保障氫氣供應(yīng)的穩(wěn)定性，HYBRIT項目還利用合作方的礦洞建設(shè)儲氫點。
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，例如浦項在澳大利亞、中東等地區(qū)開發(fā)綠氫資源，后期采用氨運輸氫氣，以滿足國內(nèi)生產(chǎn)需要。
《中國冶金報》（2023年10月27日 02版二版）
