中國冶金報 中國鋼鐵新聞網(wǎng)
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(shí)現碳達峰、碳中和目標，正廣泛開(kāi)展氫還原工藝研究和中試，探索氫冶金替代傳統高爐的碳還原工藝。圍繞氫冶金工藝應用，離不開(kāi)氫氣的制取、儲運、應用三大環(huán)節。
其中，氫氣的經(jīng)濟化、大規模生產(chǎn)是氫氣在氫冶金中實(shí)現規模應用的關(guān)鍵環(huán)節，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(lái)，筆者從氫氣的制取和儲運這兩個(gè)環(huán)節出發(fā)，介紹當前國際上氫冶金技術(shù)的幾種核心工藝技術(shù)及應用現狀。
氫氣制取工藝路徑及應用現狀
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(yáng)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，已能夠實(shí)現大規模制氫應用。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，且可以反向運作，充當燃料電池。
●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(yè)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，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(guò)氣化和微生物催化脫氫方法制氫，是在生理代謝過(guò)程中產(chǎn)生分子氫過(guò)程的統稱(chēng)。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(yáng)能光催化分解水制氫等技術(shù)。這些方法利用了太陽(yáng)能等清潔能源，但目前還處于實(shí)驗和開(kāi)發(fā)階段，尚未達到工業(yè)規模制氫要求。
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(shí)現低碳、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(yáng)能等清潔能源通過(guò)電解將水分解為氫氣和氧氣，制氫過(guò)程沒(méi)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(chēng)為“綠氫”。
可再生能源電解水制氫技術(shù)也面臨著(zhù)一些挑戰和難題，如電解效率、電解設備、電力供應、氫氣儲運等方面需要進(jìn)一步提高和完善。根據國際能源署研究，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備成本、原料成本（水）、能源成本（電力）及其他運營(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化效率（即電解制氫效率）因素影響。
據2020年國際可再生能源機構（IRENA）測算，當電價(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備成本降低帶來(lái)的成本下降幅度，即設備成本的降低不能彌補高電價(jià)帶來(lái)的影響。在我國，只有當制氫成本降至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爭優(yōu)勢，此時(shí)可再生能源電價(jià)需降低至0.3元/千瓦時(shí)以下。
歐盟的目標是在2030年綠氫供應量達到2000萬(wàn)噸，其中1000萬(wàn)噸在歐盟境內生產(chǎn)，1000萬(wàn)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(mǎn)足1000萬(wàn)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(cháng)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)的藍氫在中東地區的價(jià)格約為7美元/千克。根據中東和北非地區的可用產(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(jià)格的30%左右，經(jīng)濟、高效、安全的儲運技術(shù)氫氣大規模應用的制約因素之一。
根據氫氣的運輸形態(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(lái)分，可以通過(guò)管道、輪船或卡車(chē)3種載體運輸。長(cháng)距離運輸主要通過(guò)新建或改造后的海底輸氫管道進(jìn)行大規模氫氣運輸，比航運更具經(jīng)濟性。在沒(méi)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(jìn)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(lái)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、運輸規模、氫的應用場(chǎng)景等有關(guān)，需要做全流程的設計和經(jīng)濟性測算。單從運距角度考慮，管道輸氫在各運輸范圍內的成本最低，在500千米以?xún)?，長(cháng)管拖車(chē)輸氫成本低于低溫液氫運輸成本；超過(guò)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，結合實(shí)際氫運量及實(shí)現各儲運方式所需的條件，長(cháng)管拖車(chē)輸氫是氫能發(fā)展初期階段氫儲運高性?xún)r(jià)比之選。
●氣態(tài)氫的拖車(chē)運輸
由于氫氣密度較小、液化溫度較低、穩定性差等特性，儲運氫的難度較大。目前國內高壓氣態(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)僅有少量應用，總占比不到0.1%。
高壓氣態(tài)儲氫為短距離運輸的主流選擇。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(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(guò)高。
氫氣的短距離異地運輸主要通過(guò)集裝管束運輸車(chē)進(jìn)行。集裝管束運輸車(chē)由大容積無(wú)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成集裝管束。制氫廠(chǎng)制得的氫氣在通過(guò)壓縮機高壓壓縮后儲存在儲氫瓶中，然后由載有6個(gè)～10個(gè)大容積儲氫瓶的長(cháng)管拖車(chē)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(chē)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(chē)～460千克/車(chē)。長(cháng)管拖車(chē)目前只適用于運輸距離較近、輸送量較低的運輸場(chǎng)景。
高壓氫氣必須經(jīng)過(guò)兩次壓縮。第一次壓縮是給槽車(chē)氫罐充裝氫氣，通常壓力不超過(guò)30兆帕。第二次壓縮是在加氫站，為了給車(chē)載氫罐充氫，需要進(jìn)一步壓縮至超過(guò)氫罐壓力。
●液態(tài)氫的車(chē)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(mǎn)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(shù)脂等。
●氫氣管網(wǎng)輸送
與氫的車(chē)船運輸相比，管網(wǎng)輸送氫氣是最經(jīng)濟、最節能的大規模長(cháng)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(cháng)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(jìn)行適當的改造即可。輸送純氫，則需要對原天然氣管網(wǎng)進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的改造，包括材料和重要部件的更換、安全性措施升級等。
隨著(zhù)未來(lái)氫氣需求的不斷增加，管道運氫是實(shí)現大規模、長(cháng)距離輸氫的主要方式。管道儲氫相較于長(cháng)管拖車(chē)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。但其鋪設難度大、投資成本較高。
為了滿(mǎn)足大規模綠氫應用需求，德國薩爾茨吉特、蒂森克虜伯及安賽樂(lè )米塔爾德國公司開(kāi)始規劃建設從港口到鋼鐵工業(yè)區的管網(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)穩定快速輸送到鋼鐵生產(chǎn)廠(chǎng)。
此外，新建的氫冶金項目，例如HYBRIT和H2 Green Steel項目都在項目場(chǎng)地附近建設綠色制氫設施。為了保障氫氣供應的穩定性，HYBRIT項目還利用合作方的礦洞建設儲氫點(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投資建設綠色電解制氫廠(chǎng)，例如浦項在澳大利亞、中東等地區開(kāi)發(fā)綠氫資源，后期采用氨運輸氫氣，以滿(mǎn)足國內生產(chǎn)需要。
