陳? 馨

（中國石化集團(tuán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京 100029）

摘? 要：氫能大規(guī)模發(fā)展需要解決“以何種方式制取氫氣”的問題，在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的背景下，需要全面考察氫能產(chǎn)業(yè)鏈的碳排放情況。在相同的研究尺度下，建立統(tǒng)一的核算邊界，采用統(tǒng)一的參數(shù)數(shù)據(jù)，定量測算典型制氫工藝的生命周期碳排放情況。結(jié)果顯示，全生命周期視角下的CO2排放量從大到小依次為甲醇制氫（煤炭為原料）、以火電為主的電解水制氫、煤制氫、甲醇制氫（天然氣為原料）、天然氣制氫、光伏發(fā)電電解水制氫、風(fēng)電電解水制氫。煤制氫、天然氣制氫的碳排放主要在氫氣生產(chǎn)過程，甲醇制氫的碳排放主要在甲醇生產(chǎn)過程，電解水制氫過程雖清潔，但電力隱含的碳排放不容忽視。

關(guān)鍵詞：CO2排放 生命周期 煤制氫 天然氣制氫 甲醇制氫 電解水制氫

     作為一種清潔高效的二次能源，氫能在全球能源轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)中發(fā)揮著重要作用。 2022年3月，中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展首個(gè)頂層設(shè)計(jì)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021–2035年）》出臺，明確了氫的能源屬性和戰(zhàn)略地位。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟的測算，2030年中國氫氣需求量將達(dá)到3715萬t，2060年將增至1.3億t左右，氫能需求將大幅增長。

     氫氣在使用階段的唯一產(chǎn)物是水，但是氫氣及制氫原料的生產(chǎn)過程將消耗燃料和電能，產(chǎn)生碳排放。在碳中和的背景下，氫能產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展必須以全生命周期低碳為目標(biāo)，“以何種方式制取氫氣”成為氫能大規(guī)模發(fā)展需要解決的關(guān)鍵問題。

     當(dāng)前雖已有研究給出不同制氫方式的CO2排放數(shù)據(jù)，但主要側(cè)重于制氫過程。對于全生命周期碳排放，不同研究的核算邊界不同，測算時(shí)使用的碳排放因子等參數(shù)取值不同，致使研究結(jié)果不具有可比性?；诖耍疚脑谙嗤难芯砍叨认?，建立統(tǒng)一的核算邊界，基于生命周期評價(jià)方法，采用統(tǒng)一的參數(shù)數(shù)據(jù)，定量測算典型制氫工藝的生命周期碳排放情況。

    中國制氫規(guī)模已居世界首位，從生產(chǎn)原料來看，煤制氫約占63.5%，工業(yè)副產(chǎn)氫約占21.2%，天然氣制氫約占13.8%，電解水制氫約占1.5%。當(dāng)前主流的制氫方式如表1所示，本文選取煤制氫、天然氣制氫、甲醇制氫、電解水制氫4種典型制氫方式開展全生命周期碳排放測算分析。

1?核算邊界與模型構(gòu)建

1.1?核算邊界

     考慮到氫氣本身是一種環(huán)境友好型能源，且沒有后續(xù)的報(bào)廢或處置階段，本研究核算邊界確定為原材料的開采及加工階段、原料運(yùn)輸階段及氫氣生產(chǎn)階段3個(gè)部分，不考慮制氫設(shè)備生產(chǎn)帶來的碳排放（見圖 1）。在沒有特殊說明的情況下，本研究測算的碳排放僅考慮CO2排放，不包含CH4、N2O、CF4、SF6等溫室氣體。

1.2?模型構(gòu)建

     本研究對氫氣全生命周期中兩大主要的碳排放源進(jìn)行了測算。

1.2.1?工業(yè)生產(chǎn)過程中的直接排放

     工業(yè)生產(chǎn)過程中的直接排放分為兩類，一是燃料，如煤炭、油品、天然氣燃燒帶來的CO2排放量；二是采用碳質(zhì)量平衡法核算出的工藝過程CO2排放量。

燃料燃燒CO2排放量基于分品種化石燃料燃燒量、燃料含碳量和碳氧化率計(jì)算，如式（1）所示：

     式中，E 燃料燃燒表示燃料燃燒 C O2 排放量，t；i表示化石燃料的種類，ADi表示第i種化石燃料的燃燒量，t或m3 ；NCVi表示第i種化石燃料的平均低位熱值，GJ/t或GJ/Nm3 ；CCi表示第i種化石燃料的單位熱值含碳量，t/GJ；Oi表示第i種化石燃料的碳氧化率，取值范圍為0~1。 工藝過程CO2排放量基于碳元素的質(zhì)量守恒計(jì)算，假定所有損失的碳元素都轉(zhuǎn)換為CO2排出，計(jì)算原料與產(chǎn)物的碳含量差值，如式（2）所示：

E工藝排放＝（∑rADr×CCr – ∑pQp×CCp）× 44/12  （2）

     式中，E工藝排放表示工藝過程CO2排放量，t；r、p分別表示原料、產(chǎn)物的種類；ADr表示第r種原料的投入量，t；CCr表示第r種原料的平均含碳量， t/t；Qp表示第p種產(chǎn)物的產(chǎn)出量，t或Nm3 ；CCp 表示第p種產(chǎn)物的平均含碳量，t/t或t/Nm3 。

1.2.2?能源供應(yīng)對應(yīng)的間接排放

     原材料的開采及加工階段、原料運(yùn)輸階段及氫氣生產(chǎn)階段都需要消耗電力、熱力（蒸汽、熱水）等，電力、熱力的產(chǎn)生依賴于化石燃料燃燒，將帶來隱含的碳排放。

能源供應(yīng)隱含CO2排放量基于電力、熱力的消耗量和對應(yīng)的碳排放因子計(jì)算，如式（3）所示：

     式中，E 能源隱含表示能源供應(yīng)隱含CO2排放量，t；AD 電力、AD 熱力分別表示電力、熱力的凈投入量，MWh、GJ；EF電力、EF熱力分別表示電力、熱力的碳排放因子，tCO2/MWh、tCO2/GJ。

     當(dāng)熱力的投入量為各類能耗工質(zhì)的投入量時(shí)，可以先將能耗工質(zhì)的凈投入量折算為標(biāo)準(zhǔn)煤，再 計(jì)算CO2排放量，如式（4）所示：

     式中，E熱力表示熱力供應(yīng)隱含CO2排放量，t；s表示能耗工質(zhì)的種類；ADs表示第s種能耗工質(zhì)的凈投入量，t；CEs表示第s種能耗工質(zhì)的折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)；EF標(biāo)煤表示標(biāo)準(zhǔn)煤的碳排放因子，tCO2/t標(biāo)煤。

1.3?參數(shù)設(shè)置

     本研究使用統(tǒng)一的參數(shù)因子，如表2 ~表4所示。

2?不同制氫方式的生命周期碳排放計(jì)算

2.1?煤制氫

2.1.1?核算邊界

     煤氣化制氫一般包括煤的氣化、煤氣凈化、CO變換及氫氣提純等生產(chǎn)環(huán)節(jié)。核算邊界確定為煤炭開采及洗選、煤炭運(yùn)輸和煤制氫氣3個(gè)階段。

2.1.2???數(shù)據(jù)與計(jì)算

1）煤炭開采及洗選

     煤炭開采及洗選主要消耗化石燃料及電力、熱力等。根據(jù)《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒 2020》，2019年我國原煤生產(chǎn)量為384 633萬t，開采及洗選過程中的能源消費(fèi)量如表5所示。由式（1）、式（3），得到煤炭開采及洗選階段的CO2排放量為0.033 t CO2/t煤炭

2）煤炭運(yùn)輸

     煤炭運(yùn)輸方式包括鐵路運(yùn)輸、水路運(yùn)輸、公路運(yùn)輸，占比為7∶2∶1，鐵路運(yùn)輸分為內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車，分別消耗柴油和電力，水路運(yùn)輸和公路運(yùn)輸均消耗柴油。煤炭運(yùn)輸階段的碳排放取決于不同運(yùn)輸方式的碳排放和平均運(yùn)輸距離。根據(jù)式（5）、式（6）分別計(jì)算運(yùn)輸過程消耗的柴油總量和電力總量，相關(guān)參數(shù)如表6所示。

     式中，AD柴油、AD電力分別為運(yùn)輸過程消耗的柴油量和電力量，kg/萬t煤炭、kWh/萬t煤炭；ω代表不同運(yùn)輸方式在中國煤炭運(yùn)輸中的占比；T 代表不同運(yùn)輸方式的平均距離，km；EE為不同運(yùn)輸工具的單位油耗或能耗，kg/（萬t·km）或kWh/（萬t·km）；α內(nèi)燃機(jī)車、α電力機(jī)車分別表示鐵路運(yùn)輸方式中內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車的占比。由式（1）、式（3），得到煤炭運(yùn)輸階段的CO2排放量為0.015 t CO2/t煤炭。

3）煤制氫氣

     煤氣化制氫階段CO2排放量基于典型裝置計(jì)算。某 20 萬Nm3 /h 煤制氫裝置處理原料煤 126.7萬t/a，原料碳含量為74.32%，能耗情況如表7所示。由式（2）~ 式（4），得到煤制氫氣階段的CO2排放量為18.45 t CO2/t H2。

2.1.3?結(jié)果分析

     僅考慮CO2排放時(shí)，煤氣化制氫的生命周期碳排放為18.79t CO2/t H2，制氫過程為主要的碳排放環(huán)節(jié)。2015年中國原煤生產(chǎn)量為94 410萬t，人為及自然排放的CH4總量為6 150萬t，煤炭行業(yè)占比約33%，估算出CH4的排放量為0.61t CO2e/t煤炭。考慮煤炭開采泄漏的CH4后，煤氣化制氫的生命周期碳排放增長至23.05 t CO2/t H2，如圖2所示。

2.2?天然氣制氫

2.2.1?核算邊界

     天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫是當(dāng)前大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的天然氣制氫工藝，主要包括天然氣預(yù)處理、CH4等烷烴和水蒸氣重整、CO變換及氫氣提純等生產(chǎn)環(huán)節(jié)。核算邊界確定為天然氣開采、天然氣運(yùn)輸和天然氣制氫3個(gè)階段。

2.2.2?數(shù)據(jù)與計(jì)算

1）天然氣開采

     根據(jù)文獻(xiàn)資料，開采1 MJ 天然氣，消耗0.044 9 MJ電力、0.027 1 MJ天然氣、0.024 5 MJ渣油、0.008 9 MJ柴油、0.002 3 MJ汽油和0.008 9MJ煤炭，開采過程中的CH4泄漏量占CH4總提取量的1.3%?；谑剑?），考慮CH4泄漏，天然氣開采階段CO2排放量為7.35 t CO2/萬m³天然氣。

2）天然氣運(yùn)輸

     天然氣主要通過管道運(yùn)輸，碳排放主要來自燃料消耗和CH4泄漏。根據(jù)文獻(xiàn)資料，1 000 m³天然氣通過管道運(yùn)輸1 km消耗0.024 5 m3 天然氣，每千米損耗0.000 06%，其中甲烷含量按95%計(jì)，天然氣的平均運(yùn)輸距離為625 km?；谑剑?），考慮 CH4 泄漏，天然氣運(yùn)輸階段CO2 排放量為0.40 t CO2/萬m³天然氣。

3）天然氣制氫

     天然氣制氫階段CO2排放量基于典型裝置計(jì)算。依據(jù)某天然氣制氫裝置的投入產(chǎn)出和能耗情況，由式（1）~式（4），得到天然氣制氫階段的 CO2排放量為9.88 t CO2/t H2。

2.2.3?結(jié)果分析

     考慮到天然氣開采及運(yùn)輸過程中的CH4泄漏，天然氣制氫的生命周期碳排放為13.13 t CO2/t H2，制氫過程為主要的碳排放環(huán)節(jié)。

2.3?甲醇制氫

2.3.1?核算邊界

      甲醇制氫以來源豐富的甲醇和脫鹽水為原料，在一定的溫度、壓力下，通過催化劑作用，同時(shí)發(fā)生甲醇裂解反應(yīng)和 CO變換反應(yīng)，產(chǎn)出的轉(zhuǎn)化氣經(jīng)冷凝、水洗后，塔頂氣進(jìn)入PSA裝置提純。

     煤制甲醇是我國甲醇生產(chǎn)最主要的方式，產(chǎn)能占比達(dá)76%，天然氣制甲醇產(chǎn)能占比約11% 。本研究選取煤制甲醇和天然氣制甲醇 2 種生產(chǎn)方式，核算邊界分別為煤炭開采及洗選、煤炭運(yùn)輸、煤制甲醇、甲醇制氫 4 個(gè)階段和天然氣開采、天然氣運(yùn)輸、天然氣制甲醇、甲醇制氫4個(gè)階段。受限于數(shù)據(jù)可得性，且運(yùn)輸過程的碳排放量相對較小，不考慮甲醇運(yùn)輸?shù)奶寂欧拧?/span>

2.3.2?數(shù)據(jù)與計(jì)算

1）煤制甲醇

     煤制甲醇階段CO2排放量基于典型項(xiàng)目計(jì)算。某20萬t/a煤制甲醇項(xiàng)目年投入原料煤26萬t，原料碳含量為76.61%，消耗電力6 089萬kWh、新鮮水164萬t、脫鹽水79萬t、中壓蒸汽63萬t。由 式（2）~式（4），得到煤制甲醇階段的CO2排放量為4.26 t CO2/t 甲醇。

2）天然氣制甲醇

     天然氣制甲醇階段CO2排放量基于典型項(xiàng)目計(jì)算。某10萬t/a天然氣制甲醇項(xiàng)目年投入天然氣8 600萬Nm³ ，消耗電力1 800萬kWh、新鮮水90萬t、循環(huán)水1 800萬t、脫鹽水31萬t、3.85MPa蒸汽17萬t。由式（2）~式（4），得到天然氣制甲醇階段的CO2排放量為1.15 t CO2/t甲醇。

3）甲醇制氫

     甲醇制氫階段 CO2 排放量基于典型項(xiàng)目計(jì)算。某2 000 Nm³ /h甲醇制氫項(xiàng)目年投入工業(yè)甲醇4 879 t，消耗電力 195 萬 kWh、新鮮水 1.61 萬 t。由式（2）~式（4），得到甲醇制氫階段的CO2排放量為6.95 t CO2/t H2。

2.3.3?結(jié)果分析

     在考慮煤炭、天然氣開采過程CH4泄漏的情況下，以煤為原料的甲醇制氫生命周期碳排放為45.40 t CO2/t H2，以天然氣為原料的甲醇制氫生命周期碳排放為20.66 t CO2/t H2，如圖3所示。甲醇生產(chǎn)階段為主要的碳排放環(huán)節(jié)。

     甲醇制氫具有原料豐富、現(xiàn)制現(xiàn)用、無需H2大量運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢。僅對比制氫過程，甲醇制氫相較于化石能源制氫具有更小的CO2排放量。但當(dāng)前甲醇的生產(chǎn)仍依賴化石能源，在綠色甲醇大規(guī)模合成技術(shù)未取得突破前，全生命周期視角下，甲醇制氫并不具備更低碳排放的優(yōu)勢。

2.4?電解水制氫

2.4.1?核算邊界

     電解水制氫整個(gè)過程只有電力消耗帶來隱含的碳排放。生產(chǎn)1 t氫氣，電解水消耗約9 t純水和6萬kWh電，純水生產(chǎn)消耗的電力與之相比可忽略不計(jì)。因此，電解水制氫生命周期碳排放核算邊界僅為制氫階段?？紤]到電力的不同來源，本研究計(jì)算當(dāng)前電網(wǎng)供電、光伏發(fā)電、風(fēng)電對應(yīng)的結(jié)果

2.4.2?數(shù)據(jù)與計(jì)算

     電解水制氫CO2排放量基于典型項(xiàng)目計(jì)算。某8 760萬Nm3 /a電解水制氫項(xiàng)目年消耗電力53 000萬 kWh。由式（3）得到當(dāng)前電網(wǎng)供電、光伏發(fā)電和風(fēng)電對應(yīng)的電解水制氫的CO2排放量分別為39.74、2.04和0.68 t CO2/t H2。

2.4.3?結(jié)果分析

     電解水制氫過程清潔，但電力隱含的碳排放不容忽視。2021年，中國電網(wǎng)71.13%發(fā)電量源自化石能源，若將當(dāng)前電網(wǎng)電力用于制氫，生命周期碳排放是光伏電力的19.5倍，是風(fēng)電的58.4倍，高消耗、高污染、高排放的問題更為嚴(yán)重。

3?對比分析

     當(dāng)前測算條件下，考慮到煤炭、天然氣開采過程中的甲烷泄漏，典型制氫工藝的生命周期CO2排放量從大到小依次為甲醇制氫（煤炭為原料）、以火電為主的電解水制氫、煤制氫、甲醇制氫（天然氣為原料）、天然氣制氫、光伏發(fā)電電解水制氫、風(fēng)電電解水制氫，如圖 4 所示。以火電為主的電解水制氫生命周期CO2排放量是煤制氫的1.72倍，電解水制氫碳減排和大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵在于風(fēng)、光等可再生能源的發(fā)展。以煤為原料的甲醇制氫生命周期CO2排放量是煤制氫的1.97倍，以天然氣為原料的甲醇制氫生命周期CO2排放量是天然氣制氫的1.57倍，考慮到甲醇制氫過程本身的碳排放較小，發(fā)展關(guān)鍵在于綠色甲醇的獲取。

4?結(jié)論

     1）基于全生命周期視角的碳排放測算結(jié)果顯示，除可再生能源制氫外，當(dāng)前主流制氫產(chǎn)業(yè)鏈在生產(chǎn)端均有大量的碳排放。

     2）全生命周期視角下，煤制氫、天然氣制氫的碳排放主要在氫氣生產(chǎn)過程，甲醇制氫的碳排放主要在甲醇生產(chǎn)過程。在當(dāng)前生產(chǎn)條件下，相較于煤制氫、天然氣制氫，以煤炭/天然氣為原料的甲醇制氫并不具備碳減排的優(yōu)勢。

     3）風(fēng)電制氫是最為清潔的制氫方式。電解水制氫中電力來源對碳排放具有很大影響，以火電 為主的電解水制氫碳排放甚至遠(yuǎn)高于煤制氫。

      4）煤制氫工藝具有技術(shù)路線成熟、產(chǎn)量大、成本低的優(yōu)勢，在未來一段時(shí)間內(nèi)仍是我國制氫的主流路徑，碳捕集、利用與封存（CCUS）成為碳減排的關(guān)鍵技術(shù)?？紤]到CCUS項(xiàng)目的投入會帶來額外的物耗、能耗，開發(fā)CCUS相關(guān)的碳排放核算方法將為碳減排量提供重要的數(shù)據(jù)支持。

     5）我國氫能產(chǎn)業(yè)正步入快車道，應(yīng)完善修訂相關(guān)行業(yè)統(tǒng)一規(guī)范的碳排放統(tǒng)計(jì)核算體系及參數(shù)數(shù)據(jù)，項(xiàng)目審批時(shí)考察碳排放，避免發(fā)生“生產(chǎn)階段多排放、消費(fèi)階段零排放”的現(xiàn)象。

【上一篇：15萬噸/年合成氨PSA變壓吸附技術(shù)優(yōu)化研究】

【下一篇：Co-Cu 復(fù)合氧化物催化劑催化低濃度瓦斯燃燒性能研究】