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分析| 煤制氢+CCUS技术应用的现状、成本和发展空间

时间:  2021-11-19 18:06   来源:  氢云链    作者:  网络转载

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在“双碳”背景下,2021年氢能产业进入快速发展阶段。根据中国氢能联盟数据,2019年我国氢气产量超过3300万t,是全球最大的氢气生产国,也是主要的氢气消费国。现阶段我国99%以上为化石能源制氢,包括煤制氢、天然气制氢及工业副产气制氢,零碳排放的电解水制氢技术不足1%,还无法从根源上解决使用化石燃料所带来的碳排放问题。2021年开始,如何发展低碳制氢技术的问题逐渐受到产业关注。

碳捕集利用与封存(CCUS)技术能够与化石能源制氢技术集成耦合,将“灰氢”变“蓝氢”,实现化石能源的低碳清洁应用。考虑到我国多煤少油(气)的能源结构特征,大力发展煤制氢与CCUS技术集成应用迫在眉睫。

从全球看,煤制氢与CCUS技术耦合是一项新兴集成技术,在全球范围内还处于技术验证阶段,缺少产业化示范、也缺少产业规划支持。

2021年之前,我国的氢能产业政策更多集中在燃料电池应用端,2021年政策关注点开始向氢气制造、储运等上游产业链转移。目前为数不多的几个提及CCUS的政策,仍以鼓励相关企业开展研发示范工作为主,部署的示范项目主要集中在电力、煤化工(不含煤制氢)及甲醇生产等领域,尚未涉及煤制氢领域。

2021年9月,中共中央、国务院印发了《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》,提出从基础理论到应用示范,大力发展CCUS等低碳技术;10月26日,国务院印发了《2030年前碳达峰行动方案》,也提出利用氢能助力实现工业领域碳达峰,探索开展氢冶金、二氧化碳捕集利用一体化等试点示范。同时,国家要求在CCUS等低碳技术领域加强于国外的合作交流。

这两个政策,可以看做未来我国煤制氢与CCUS技术集成应用的顶层设计,为煤炭产业大力发展CCUS技术、将“灰氢”变“蓝氢”提供了“验身正名”机会和发展方向。

接下来,讨论下国内煤制氢与CCUS技术集成现状、成本和发展空间情况。

根据国内中国矿业大学许毛等作者在《我国煤制氢与CCUS技术集成应用的现状、机遇与挑战》:CCUS技术主要包括二氧化碳捕集、运输、利用及封存四个技术环节。(1)在二氧化碳捕集方面,我国目前仅有基于化学吸收法的燃烧前捕集技术进入商业化应用阶段;(2)在二氧化碳运输方面,我国目前仅有二氧化碳车运技术能够商业化应用,可大规模输送二氧化碳的陆地管道运输技术仍处在工业示范阶段;(3)在二氧化碳利用方面,我国目前仅有二氧化碳转化为食品和饲料技术已实现商业化应用;(4)在二氧化碳封存方面,尚未有相关技术达到商业化应用阶段。截至2019年,我国已建成投产20余个示范工程,横跨电力、煤制油、天然气处理等多个领域,整体来看CCUS技术在我国已具备大规模示范基础。

制氢成本是技术选择的最重要影响因素。从图1可见,不考虑CCUS技术成本,现阶段,煤制氢的成本相较于其他制氢技术具有十分明显的成本优势。当煤制氢与CCUS技术集成应用时,成本增加情况如何?根据IEA针对我国煤制氢的评估结果显示:在煤制氢生产中加入CCUS技术预计将导致项目资本支出和燃料成本增加5%,运营成本增加130%。

分析| 煤制氢+CCUS技术应用的现状、成本和发展空间
图1:现阶段国内制氢成本情况(单位:元/Nm3) 

图2可见,在考虑CCUS技术成本时,2030年,风光电装机成本可达0.2元/度,可再生能源制氢成本将低至15元/千克,可与煤制氢(蓝氢,15-18元/千克)竞争。

分析| 煤制氢+CCUS技术应用的现状、成本和发展空间
图2:电解水制氢成本变化趋势

蓝氢的“过渡”定位十分明显。对于现阶段缺乏副产氢的地区,如佛山,可通过低成本化石能源制氢解决短期氢源不足问题。随着国内碳排放交易政策推广,也将推动蓝氢的发展。需要注意的是,根据图2,长期来看,2030年以后,蓝氢成本可能难以与可再生能源制氢竞争。

从成本角度看,由于CCUS技术成本增量有限且考虑到中国多煤少气的现实情况,2030年以前,配备CCUS技术的煤制氢还是具有相对成本优势。在该阶段,可能蓝氢是清洁氢气生产中最经济的选择,这为当下煤制氢与CCUS技术的集成应用项目提供了良好的发展机遇。

从产业基础看,我国新疆、陕西、山西及内蒙古等省份拥有丰富的煤炭资源、油气资源及二氧化碳封存潜力,可作为未来发展煤制氢与CCUS技术集成应用的示范基地。此外,利用CCUS技术从空气中捕集二氧化碳并通过可再生能源电解水制备氢气,二氧化碳与氢气反应可制成甲醇,将波动的可再生能源转化为化学能储存。如国内李灿院士推广的二氧化碳液体阳光燃料项目已经在兰州落地。

总体看,我国煤制氢技术成熟度高、成本低、满足大规模稳定制备条件。在“双碳”目标的初期和中期阶段,受制于绿氢成本约束,推广煤制氢与CCUS技术耦合技术应用、将“灰氢”转化为“蓝氢”,既能够满足经济性和低碳化的双重要求,也能为那些需要深度脱碳的行业,如钢铁、水泥等行业,提供规模化、低价用氢脱碳方案。

据中国氢能联盟预测,到2050年我国氢气消费量将达到9000万t,在我国终端能源体系中的占比达到10%。至少在2030年之前,煤制氢+CCUS技术必将在低碳绿色经济中发挥重要“过渡”作用,市场发展机遇不容小觑。
 

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