碳中和目標是今年9月22日在75屆聯(lián)合國大會(huì )期間提出的，中國提出要提高自主貢獻的力度，采取更有效的政策和措施，力爭2030年之前二氧化碳排放達到峰值，2060年之前實(shí)現碳中和。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，碳達峰和碳中和對我國的壓力不容小覷。據國網(wǎng)能源研究院數據顯示，2019年全球能源相關(guān)的碳排放達到333億噸，中國、美國、歐盟的碳排放合計占全球的一半以上，其中，中國為97.4億噸，美國為47.7億噸，歐盟為39.8億噸。中國碳排放占全球的29.2%，是全球最大的碳排放國。2019年中國的碳排放強度為8.4萬(wàn)噸/萬(wàn)美元，分別是法國、英國、日本、美國的8.3、7.4、5.1、3.2倍。我國不僅需要加強整體的減碳水平，還要調整產(chǎn)業(yè)結構。但調整產(chǎn)業(yè)結構是一個(gè)緩慢的過(guò)程，在高耗能行業(yè)做好減排和提高能效是當務(wù)之急。工業(yè)領(lǐng)域也就成了“眾矢之的”。
在碳中和的目標下，我國工業(yè)領(lǐng)域的減碳面臨著(zhù)巨大壓力。但這同時(shí)也孕育著(zhù)新一輪機遇。在“十四五”乃至更長(cháng)一段時(shí)間內，氫能將會(huì )在我國工業(yè)領(lǐng)域減碳進(jìn)程中扮演重要角色。
碳中和情景下工業(yè)領(lǐng)域的氫能發(fā)展機遇
當前，氫能主要應用于工業(yè)領(lǐng)域，如煉油、氨生產(chǎn)、甲醇生產(chǎn)、煉鋼等，絕大部分氫能來(lái)源于化石燃料。這里面煉油和氨生產(chǎn)對氫氣的使用量最大，大約能達到33%和27%。鋼鐵行業(yè)目前用氫量較少，僅為3%左右。
在工業(yè)領(lǐng)域，鋼鐵、冶金、水泥等高耗能產(chǎn)業(yè)既是碳排放的大戶(hù)，又是深度減碳的難點(diǎn)。
全球工業(yè)碳排放的45%來(lái)自鋼鐵、水泥等高耗能產(chǎn)業(yè)，其中高耗能產(chǎn)業(yè)碳排放的45%來(lái)自于工業(yè)原料的使用，35%是為生產(chǎn)高位熱能而排放，20%來(lái)自于生產(chǎn)低位熱能環(huán)節。
人們常說(shuō)的電能替代并不能解決高耗能產(chǎn)業(yè)的減碳問(wèn)題。為什么這么說(shuō)呢？因為即使使用可再生能源電氣化手段，也只能降低高耗能產(chǎn)業(yè)中低位熱能那部分碳排放，而這部分只占20%左右。對于工業(yè)領(lǐng)域因原料和高位熱能而產(chǎn)生的80%的碳排放，目前還是無(wú)能為力。（數據來(lái)源于麥肯錫《工業(yè)部門(mén)脫碳方案》
鋼鐵、冶金、石化、水泥的生產(chǎn)過(guò)程中需要大量的高位熱能，所謂高位熱能是指需要高于400℃的熱能，這部分熱能很難用電氣化的方式來(lái)解決。
以鋼鐵行業(yè)為例，鋼鐵是工業(yè)的碳排放大戶(hù)，當前全球鋼鐵的75%采用高爐進(jìn)行生產(chǎn)，在高爐所采用的“長(cháng)流程”生產(chǎn)方式中，都是添加焦炭作為鐵礦石還原劑。在這種情況下，每生產(chǎn)一噸生鐵需要消耗1.6噸的鐵礦石、0.3噸的焦炭和0.2噸的煤粉。也就是說(shuō)，生產(chǎn)每噸鋼鐵的碳排放強度達到2.1噸。
高爐的還原過(guò)程所產(chǎn)生的碳排放占到鋼鐵生產(chǎn)全部碳排放的90%。因為碳排放過(guò)多，人們已經(jīng)開(kāi)始使用天然氣代替焦炭作為還原劑，然后通過(guò)電弧爐將海綿鐵轉化為鋼，這是人們?yōu)榱藴p少煉鋼過(guò)程中碳排放的一種嘗試，可惜仍然無(wú)法達到深度脫碳。
為了進(jìn)一步解決鋼鐵行業(yè)的碳排放壓力，很多歐美國家開(kāi)始探索氫冶金技術(shù)，而且取得了巨大的進(jìn)展。
（1）在最新的氫能煉鋼工藝中，在低于礦石的軟化溫度下，用氫氣直接作為還原劑可以將鐵礦石直接還原成海綿鐵，海綿鐵中碳和硅的含量較低，成分已經(jīng)類(lèi)似于鋼，可以替代廢鋼直接用于煉鋼。
（2）用氫代替焦炭和天然氣作為還原劑，可以基本消除煉鐵和煉鋼過(guò)程中的絕大部分碳排放。如果隨著(zhù)可再生能源成本下降，以及制氫工藝的成熟，能夠實(shí)現可再生能源電解水制氫，在軋鑄環(huán)節使用可再生能源發(fā)電，最后基本可以實(shí)現鋼鐵生產(chǎn)的近零排放。
我國在利用氫能實(shí)現冶金工業(yè)深度脫碳方面也有很多嘗試。以中核集團、中國寶武集團為代表，這些企業(yè)正在探索利用氫氣取代碳作為還原劑的氫冶金技術(shù)，推動(dòng)鋼鐵冶金基本實(shí)現二氧化碳的零排放。2019年1月，中核集團與中國寶武、清華大學(xué)簽訂了《核能—制氫—冶金耦合技術(shù)戰略合作框架協(xié)議》，就核能制氫——冶金耦合技術(shù)展開(kāi)合作。
氫能利用的挑戰
1、氫能利用經(jīng)濟性存在挑戰
工業(yè)領(lǐng)域的氫能替代在技術(shù)上可行只是硬幣的一面，在經(jīng)濟上可行才是氫能大規模利用的先決條件。
在制氫路徑中，灰氫目前成本優(yōu)勢明顯，但未來(lái)可再生能源發(fā)電電解水制氫是實(shí)現綠氫的最好途徑。但制取綠氫主要面臨成本過(guò)高的問(wèn)題。一方面，可再生能源發(fā)電成本還較高，另一方面，電解槽的能耗和投資也占成本的很大部分。未來(lái)解決這兩方面問(wèn)題可以不斷提高生產(chǎn)綠氫的經(jīng)濟性。
根據國網(wǎng)能源研究院數據，電解水制氫成本受電價(jià)影響較大，電價(jià)占制氫成本的70%以上，以國內市場(chǎng)為例，目前電制氫成本為30-40元/kg，遠遠高于煤制氫成本（煤制氫成本約為15.85元/kg）。
除綠氫制取成本有待下降之外，碳價(jià)的高低也決定了氫能利用的經(jīng)濟性。根據彭博新能源《氫能經(jīng)濟展望》報告數據，到2050年，若碳價(jià)達到50美元/噸二氧化碳時(shí)，足以讓鋼鐵企業(yè)放棄煤炭，轉用清潔氫氣；碳價(jià)達到60美元/噸二氧化碳時(shí)，水泥行業(yè)將轉用氫能供熱；碳價(jià)達到78美元/噸二氧化碳時(shí)，制氨的化工企業(yè)也會(huì )轉用氫氣供能；碳價(jià)達到145美元/噸二氧化碳且氫氣成本降至1美元/千克，則船只也可通過(guò)清潔氫氣提供動(dòng)力。到2031年，以氫氣為燃料的重型卡車(chē)成本可能比柴油更低。但對于乘用車(chē)、公共汽車(chē)和輕型卡車(chē)而言，純電驅動(dòng)的成本更低。
2、儲運難題——大規模運輸難、儲存難
和油氣等傳統燃料易運輸、可規模儲存不同，國內氫的儲運技術(shù)的能效、安全問(wèn)題還沒(méi)有完全解決。現階段，國內主要采用氣態(tài)高壓氫儲存和運輸方式，此外也有少量液氫儲運、吸附儲氫等方式。
綜合來(lái)看，壓縮氣態(tài)儲氫技術(shù)成熟，優(yōu)點(diǎn)是充放氫速度可調，但存在儲氫密度低，容器耐壓要求高等缺點(diǎn)。目前，雖然技術(shù)發(fā)展成熟廣泛應用于車(chē)用氫能領(lǐng)域，但在國內關(guān)鍵零部件仍然要依賴(lài)進(jìn)口，儲氫密度也比國外低。
低溫液態(tài)儲氫具有體基礎性密度高、液態(tài)氫純度高等優(yōu)點(diǎn)。但氫氣液化過(guò)程中需要消耗很高的能量，對儲氫容器的絕熱性要求很高，導致設備材料成本高昂。
此外，液氨甲醇儲氫存在操作技術(shù)復雜，氣體充放效率相對較低。有機材料、金屬合金等固態(tài)儲氫，雖然有安全性能高，儲存壓力低，運輸方便等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著(zhù)儲存物價(jià)格高昂，儲存釋放條件苛刻的問(wèn)題。這種儲氫方式大多還處于研發(fā)階段，而且國內與國際先進(jìn)水平存在著(zhù)較大差距，距商業(yè)化大規模使用尚有很大差距。
結語(yǔ)
工業(yè)化讓化石燃料成為全世界應用最廣的能源，也給世界帶來(lái)了污染問(wèn)題和氣候問(wèn)題。因為使用化石能源地球氣候溫度已經(jīng)上升1℃左右，世界上很多國家已經(jīng)感受到了氣候變暖的影響，如果繼續放任氣候問(wèn)題發(fā)展，全球將會(huì )有更多人口面臨炎熱和洪水等極端氣候災害的危害。
解鈴還須系鈴人，工業(yè)化造成的溫升還需要工業(yè)領(lǐng)域的低碳化來(lái)解決。目前，日本、韓國、歐美等國高度重視氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，不同程度地將氫能作為能源創(chuàng )新的重要方向。在我國實(shí)現碳中和過(guò)程中，尤其是工業(yè)領(lǐng)域，氫能更是深度減排的“攻堅利器”。工業(yè)領(lǐng)域減排是減排的硬骨頭，工業(yè)領(lǐng)域應用氫能減排短期內更是面臨著(zhù)經(jīng)濟性的挑戰，但是隨著(zhù)技術(shù)的成熟、升級和規模化帶來(lái)的成本下降，未來(lái)依然可期。