典型制氫工藝生命周期碳排放對比研究

陳? 馨

（中國石化集團經(jīng)濟技術(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)展首個頂層設(shè)計《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?，本文在相同的研究尺度下，建立統(tǒng)一的核算邊界，基于生命周期評價方法，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、原料運輸階段及氫氣生產(chǎn)階段3個部分，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)量守恒計算，假定所有損失的碳元素都轉(zhuǎn)換為CO2排出，計算原料與產(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，可以先將能耗工質(zhì)的凈投入量折算為標(biāo)準(zhǔn)煤，再 計算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、煤炭運輸和煤制氫氣3個階段。

2.1.2???數(shù)據(jù)與計算

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）煤炭運輸

     煤炭運輸方式包括鐵路運輸、水路運輸、公路運輸，占比為7∶2∶1，鐵路運輸分為內(nèi)燃機車和電力機車，分別消耗柴油和電力，水路運輸和公路運輸均消耗柴油。煤炭運輸階段的碳排放取決于不同運輸方式的碳排放和平均運輸距離。根據(jù)式（5）、式（6）分別計算運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代表不同運輸方式在中國煤炭運輸中的占比；T 代表不同運輸方式的平均距離，km；EE為不同運輸工具的單位油耗或能耗，kg/（萬t·km）或kWh/（萬t·km）；α內(nèi)燃機車、α電力機車分別表示鐵路運輸方式中內(nèi)燃機車、電力機車的占比。由式（1）、式（3），得到煤炭運輸階段的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，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?？紤]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、天然氣運輸和天然氣制氫3個階段。

2.2.2?數(shù)據(jù)與計算

1）天然氣開采

     根據(jù)文獻資料，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%。基于式（1），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）天然氣運輸

     天然氣主要通過管道運輸，碳排放主要來自燃料消耗和CH4泄漏。根據(jù)文獻資料，1 000 m³天然氣通過管道運輸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，天然氣的平均運輸距離為625 km?；谑剑?），考慮 CH4 泄漏，天然氣運輸階段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、煤炭運輸、煤制甲醇、甲醇制氫 4 個階段和天然氣開采、天然氣運輸、天然氣制甲醇、甲醇制氫4個階段。受限于數(shù)據(jù)可得性，且運輸過程的碳排放量相對較小，不考慮甲醇運輸?shù)奶寂欧拧?/span>

2.3.2?數(shù)據(jù)與計算

1）煤制甲醇

     煤制甲醇階段CO2排放量基于典型項目計算。某20萬t/a煤制甲醇項目年投入原料煤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排放量基于典型項目計算。某10萬t/a天然氣制甲醇項目年投入天然氣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 排放量基于典型項目計算。某2 000 Nm³ /h甲醇制氫項目年投入工業(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。因此，電解水制氫生命周期碳排放核算邊界僅為制氫階段。考慮到電力的不同來源，本研究計算當(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)與計算

     電解水制氫CO2排放量基于典型項目計算。某8 760萬Nm3 /a電解水制氫項目年消耗電力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)計核算體系及參數(shù)數(shù)據(jù)，項目審批時考察碳排放，避免發(fā)生“生產(chǎn)階段多排放、消費階段零排放”的現(xiàn)象。

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