碳中和情景下工業(yè)領(lǐng)域的氫能發(fā)展機遇
當(dāng)前，氫能主要應(yīng)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(dá)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，又是深度減碳的難點。
全球工業(yè)碳排放的45%來自鋼鐵、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%來自于生產(chǎn)低位熱能環(huán)節(jié)。
人們常說的電能替代并不能解決高耗能產(chǎn)業(yè)的減碳問題。為什么這么說呢？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，目前還是無能為力。（數(shù)據(jù)來源于麥肯錫《工業(yè)部門脫碳方案》）
鋼鐵、冶金、石化、水泥的生產(chǎn)過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解決。
以鋼鐵行業(yè)為例，鋼鐵是工業(yè)的碳排放大戶，當(dāng)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，生產(chǎn)每噸鋼鐵的碳排放強度達(dá)到2.1噸。
高爐的還原過程所產(chǎn)生的碳排放占到鋼鐵生產(chǎn)全部碳排放的90%。因為碳排放過多，人們已經(jīng)開始使用天然氣代替焦炭作為還原劑，然后通過電弧爐將海綿鐵轉(zhuǎn)化為鋼，這是人們?yōu)榱藴p少煉鋼過程中碳排放的一種嘗試，可惜仍然無法達(dá)到深度脫碳。
為了進(jìn)一步解決鋼鐵行業(yè)的碳排放壓力，很多歐美國家開始探索氫冶金技術(shù)，而且取得了巨大的進(jìn)展。
?。?）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)類似于鋼，可以替代廢鋼直接用于煉鋼。
?。?）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程中的絕大部分碳排放。如果隨著可再生能源成本下降，以及制氫工藝的成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)可再生能源電解水制氫，在軋鑄環(huán)節(jié)使用可再生能源發(fā)電，最后基本可以實現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)的近零排放。
我國在利用氫能實現(xiàn)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)，推動鋼鐵冶金基本實現(xiàn)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(zhàn)略合作框架協(xié)議》，就核能制氫——冶金耦合技術(shù)展開合作。
氫能利用的挑戰(zhàn)
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