化工行業在氫能源市場中的機遇

方鯤 周偉民 方錚 李玫 王春生 水谷昌弘 喬治

1 背景

有機化學方法將氫氣嵌入芳香族化合物載體甲苯（氫氣化）后轉換成另一種化合物——甲基環乙烷（MCH）來儲存和運輸，運輸到目的地后通過脫氫反應萃取出氫氣。甲苯作為儲氫的載體，其使用后再運回制氫基地，以此反復使用。MCH的體積是氫的1/500，甲苯和MCH在常溫常壓條件下可以被傳統儲罐車等工具直接儲存或運輸。

氫化反應是發熱反應，脫氫是吸熱反應，在這個發熱/吸熱反應過程中要損耗30%的氫，所以如何在氫化和脫氫環節降低能耗是個值得探討的課題。因此，如果能利用發電廠和工廠的排熱來進行脫氫，將大大降低使用成本。

未來，氨（NH3）將是冉冉升起的制氫新星，其分子中含有大量的氫，NH3的質量氫密度17.8%，而MCH質量密度是6%，NH3是它的3倍。NH3的體積密度是液化氫1.5～1.7倍，是有機液態氫的2.4～2.7倍。NH3的液化溫度是-33℃，略加10個標準氣壓就可以在溫室內以液態狀態保存。NH3是基礎化學品，作為肥料的原料被大量生產，其已經具有成熟的產業鏈。因此，NH3作為儲氫運氫的新載體被迅速重視起來。但是，從NH3中分離萃取氫的技術較難，需要用釕作為催化劑并加熱至670℃高溫。

另外，從NH3中萃取的氫雜質較多，無法直接用于FCV氫燃料電池車上，需要精制提純后才可使用。

為此，NH3基氫一般不進行精制，直接用于使用NH3燃料電池（SOFC）車上，NH3不含碳，所以用于燃燒也不會有二氧化碳排放。日本有大規模運用的NH3基氫直接用于固體氧化物電池上的成熟技術和業績，同時也有直接燃燒發電的成功案例?；?種載體各有千秋，所以根據使用場景各取所需是目前業內基本看法。

根據2014年日本經濟產業省能源廳計劃成本目標每制造1m3氨基氫（0℃溫度狀態下1個標準大氣壓下的氣體體積）按30日元推算，用于發電的成本17日元/kWh，相當于液化天然氣發電的1.5倍。因此能滿足當初成本推算的只有鋼廠和化工企業制氫（見表1）。

由此可見，基于制氫成本最經濟的是化工行業制氫，專業化和技術成熟度高，無需重新投入。

2 化學工業供應高純度氫氣

化工行業氫氣產生量最多的一項是制氨，氨是將空氣中的氮固定到氫氣中。為此，在制氨工廠都有氫氣制造裝置，主要是用石油系原料制氫。

日本昭和電工株式會社（以下簡稱“昭和電工”）將使用過的廢塑料萃取氫，從而不僅抑制石油系原材料的消耗，同時使用干冰將制造過程中產生的二氧化碳回收，作為副產品有效利用。因此，這種方法制氫比傳統生產氨的方法更有效降低環境負荷。同時，將廢舊塑料萃取出來的氫氣銷售給使用客戶。這項措施已于2015年在日本川崎市成功實施。

化工行業另外一個產氫大戶是燒堿生產，燒堿在生產過程中的副產品是氫，這種氫純度高，可直接進入市場流通，同時也可給氫燃料電池汽車供氫。

3 液態氫VS有機液態氫

從2020年開始，日本液態氫和有機液態氫展就開了激烈競爭，最有代表的是川崎重工業株式會社（以下簡稱“川崎重工”）的液態氫和千代田化工建設株式會社（以下簡稱“千代田化工”）的有機液態氫。

3.1 液態氫

推動液態氫發展的是川崎重工和巖谷產業株式會社（以下簡稱“巖谷產業”）。川崎重工利用其液化天然氣（LNG）船舶制造技術升級開發運送液態氫，目前已在日本與澳大利亞之間LNG運輸船項目進行了大規模驗證，巖谷產業負責裝卸設備制造和管理系統研發。

3.2 有機液態氫

另一極是千代田化工為代表的有機液態氫的大規模驗證。該驗證在2013年完成，目前其商標注冊為SPERA 氫，正積極推進低成本和提高效率，已從海外遠距離運輸中取得了成功。此外，日立造船株式會社和深綠能源公司也是擁有有機液態氫技術的公司。深綠能源公司是最早推出該技術并獲得項多專利的公司。深綠能源公司主要制造中小型儲氫/供氫裝置，市場應用以燃料電池汽車、鐵路、船舶用小型化為主。

4 被給予厚望儲能載體的發展趨勢

氫能源主要有2大特征：一是沒有二氧化碳排放；二是可以將其他一次能源與眾多再生能源轉換為氫能源，并且便于儲存運輸。

再生能源如光伏發電、風力發電等，因其發電的不穩定特征，通過電轉氫（P2G），將不穩定能源變成可儲存運輸狀態的穩定能源的，提高了再生能源的利用率。2016年開始，日本推廣P2G項目：在荷蘭村建立光伏發電轉氫自立發電系統，山梨縣NEDO（日本新能源產業技術綜合開發機構）驗證項目規模已達到45萬m3/a，福島縣震災復興光伏氫能已經運行數十座再生能源P2G項目。

除日本外，德國在2015年也開始大規模推廣P2G技術，德國再生能源占其全國發電量的30%多，用大規模再生能源解決其不穩定和余生電力的儲存是該國重要能源戰略之一。目前，德國正在同時建設30余個不穩定電源轉氫項目，2050年其再生能源比例將由現在的30%提高到80%。

在眾多能源轉電儲能項目中，有機液態氫的技術運用最多，成本低且安全。日本目前由點技術到面推廣已經進入實質化階段：如北九州氫能源小鎮、福島縣浪江町光伏氫能小鎮、關西國際氫能機場、東京奧運會運動員氫能村等等。

至2050年，日本減排二氧化碳80%的目標主要從以下3個路徑實現：

一是徹底實施節能，降低最終總能源消耗的絕對量。2005—2015年，日本每人平均降低了13%能源消耗，到2050年降低至35%，具體手段為交通工具部門的燃料電池汽車和汽車新能源化、照明LED化、零排放房屋/零排放樓宇。

二是大幅提高最終能源消費的電力比例。目前，日本現有能源結構中主要以電力、汽油、柴油為主，將電能提高到整體能源結構份額的80%是其最終目標。屆時，核電將消亡，承載主力發電的將是再生能源。

三是大幅提高再生電力比例。未來，日本現有的集中發電遠距離送電方式將被分布式電源逐漸取代，自發電、獨立發電將迅速興起，即：將供電單行道改成雙向復合—聯產—獨立—分布等模式取代 。

5 結語

儲能市場將是未來的藍海市場，據日本有關機構估算，全球未來10年氫能市場規模將達到160兆日元，而將電能轉換液態存儲是各國實現碳中和、碳達峰的重要技術手段之一。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.03.014