康斌

　　氫氣已經成為世界各國鋼鐵企業減少碳排放的主要途徑。全球各大鋼鐵企業為實現碳達峰
、碳中和目標，正廣泛開展氫還原工藝研究和中試，探索氫冶金替代傳統高爐的碳還原工藝。圍繞氫冶金工藝應用，離不開氫氣的製取、儲運
、應用三大環節。

　　其中，氫氣的經濟化
、daguimoshengchanshiqingqizaiqingyejinzhongshixianguimoyingyongdeguanjianhuanjie
，cunchuyunshuzeshilianjieqingqishengchanduanyuxuqiuduandeguanjianqiaoliang。jiexialai，bizhecongqingqidezhiquhechuyunzhelianggehuanjiechufa，jieshaodangqianguojishangqingyejinjishudejizhonghexingongyijishujiyingyongxianzhuang。

　　氫氣製取工藝路徑及應用現狀

　　氫冶金核心是氫直接還原鐵工藝
，鋼鐵企業目前正在探索和應用的製氫方式主要包括以下幾種。

　　●電解水製氫

　　在由電極
、電(dian)解(jie)質(zhi)與(yu)隔(ge)膜(mo)組(zu)成(cheng)的(de)電(dian)解(jie)槽(cao)中(zhong)，在(zai)電(dian)解(jie)質(zhi)水(shui)溶(rong)液(ye)中(zhong)通(tong)入(ru)電(dian)流(liu)，水(shui)電(dian)解(jie)後(hou)，在(zai)陰(yin)極(ji)產(chan)生(sheng)氫(qing)氣(qi)
，在(zai)陽(yang)極(ji)產(chan)生(sheng)氧(yang)氣(qi)。電(dian)解(jie)水(shui)製(zhi)氫(qing)耗(hao)電(dian)量(liang)大(da)，成(cheng)本(ben)高(gao)。目(mu)前(qian)
，堿(jian)性(xing)電(dian)解(jie)水(shui)製(zhi)氫(qing)（ALK）、陰離子交換膜電解水製氫（AEM）、質子交換膜電解水製氫（PEM）、固體氧化物電解水製氫（SOEC）是國際上主流的電解製氫工藝。其中，堿性電解水製氫技術最為成熟
，已能夠實現大規模製氫應用。PEM製氫占地麵積較小，與可再生能源的適配度更高。SOEC製氫的主要特點是工作溫度高
、效率高、用蒸汽替代液態水，且可以反向運作
，充當燃料電池。

　　●化石燃料重整製氫

　　化石燃料主要指天然氣、石(shi)油(you)和(he)煤(mei)，其(qi)他(ta)還(hai)有(you)頁(ye)岩(yan)氣(qi)和(he)可(ke)燃(ran)冰(bing)等(deng)，其(qi)主(zhu)要(yao)成(cheng)分(fen)是(shi)甲(jia)烷(wan)。甲(jia)烷(wan)水(shui)蒸(zheng)氣(qi)重(zhong)整(zheng)製(zhi)氫(qing)是(shi)目(mu)前(qian)采(cai)用(yong)最(zui)多(duo)的(de)製(zhi)氫(qing)技(ji)術(shu)。在(zai)高(gao)溫(wen)高(gao)壓(ya)下(xia)，甲(jia)烷(wan)和(he)水(shui)蒸(zheng)氣(qi)反(fan)應(ying)，生(sheng)成(cheng)含(han)有(you)氫(qing)氣(qi)和(he)一(yi)氧(yang)化(hua)碳(tan)的(de)合(he)成(cheng)氣(qi)，再(zai)提(ti)純(chun)出(chu)氫(qing)氣(qi)。這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)製(zhi)取(qu)的(de)氫(qing)氣(qi)量(liang)大(da)，但(dan)會(hui)產(chan)生(sheng)二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)等(deng)溫(wen)室(shi)氣(qi)體(ti)。

　　●生物質製氫

　　生(sheng)物(wu)質(zhi)製(zhi)氫(qing)是(shi)指(zhi)通(tong)過(guo)氣(qi)化(hua)和(he)微(wei)生(sheng)物(wu)催(cui)化(hua)脫(tuo)氫(qing)方(fang)法(fa)製(zhi)氫(qing)
，是(shi)在(zai)生(sheng)理(li)代(dai)謝(xie)過(guo)程(cheng)中(zhong)產(chan)生(sheng)分(fen)子(zi)氫(qing)過(guo)程(cheng)的(de)統(tong)稱(cheng)。這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)利(li)用(yong)可(ke)再(zai)生(sheng)的(de)生(sheng)物(wu)資(zi)源(yuan)，但(dan)技(ji)術(shu)還(hai)不(bu)成(cheng)熟(shu)，產(chan)量(liang)低(di)、成本高。

　　●新型製氫方法

　　新型製氫方法包括光化學製氫、熱化學製氫
、太陽能光催化分解水製氫等技術。這些方法利用了太陽能等清潔能源
，但目前還處於實驗和開發階段，尚未達到工業規模製氫要求。

　　目前，我國製氫的主要方式是化石燃料製氫，這種方法成本低、產量大。為了實現低碳

、清潔、高效的製氫目標，鋼鐵企業都在探索采用可再生能源電解水製氫技術，這種技術利用風能、太tai陽yang能neng等deng清qing潔jie能neng源yuan通tong過guo電dian解jie將jiang水shui分fen解jie為wei氫qing氣qi和he氧yang氣qi，製zhi氫qing過guo程cheng沒mei有you二er氧yang化hua碳tan排pai放fang
，也ye不bu消xiao耗hao化hua石shi能neng源yuan，因yin此ci是shi一yi種zhong綠lv色se氫qing氣qi生sheng產chan方fang式shi
，產chan生sheng的de氫qing氣qi也ye被bei稱cheng為wei“綠氫”。

　　可再生能源電解水製氫技術也麵臨著一些挑戰和難題，如電解效率、電解設備、電力供應
、氫氣儲運等方麵需要進一步提高和完善。根據國際能源署研究，中東、非洲

、中國、澳大利亞和南美洲等地最有希望成為綠氫集中生產基地。這些地方擁有豐富的可再生能源、便利的運輸條件。

　　電解水製氫成本一般包括設備成本、原料成本（水）、能源成本（電力）及其他運營成本。其中，能源成本即電力成本所占比例最大，一般為40%～60%，電力成本主要受能源轉化效率（即電解製氫效率）因素影響。

　　據2020年國際可再生能源機構（IRENA）測算，當電價下降到20美元/兆瓦時（0.13元/千瓦時）時(shi)，製(zhi)氫(qing)成(cheng)本(ben)大(da)幅(fu)下(xia)降(jiang)，且(qie)下(xia)降(jiang)幅(fu)度(du)明(ming)顯(xian)大(da)於(yu)由(you)於(yu)電(dian)解(jie)槽(cao)設(she)備(bei)成(cheng)本(ben)降(jiang)低(di)帶(dai)來(lai)的(de)成(cheng)本(ben)下(xia)降(jiang)幅(fu)度(du)，即(ji)設(she)備(bei)成(cheng)本(ben)的(de)降(jiang)低(di)不(bu)能(neng)彌(mi)補(bu)高(gao)電(dian)價(jia)帶(dai)來(lai)的(de)影(ying)響(xiang)。在(zai)我(wo)國(guo)，隻(zhi)有(you)當(dang)製(zhi)氫(qing)成(cheng)本(ben)降(jiang)至(zhi)20元/千克以下時
，相比於化石燃料製氫，電解水製氫才具有一定的競爭優勢
，此時可再生能源電價需降低至0.3元/千瓦時以下。

　　歐盟的目標是在2030年綠氫供應量達到2000萬噸，其中1000萬噸在歐盟境內生產，1000萬噸依靠進口。為此，2030年
，歐洲需要有100吉瓦的電解槽產能
，才能滿足1000萬噸氫氣生產需求。

　　截至2022年7月底
，卡塔爾的堿性電解水製氫成本為2.59美元/千克
，沙特阿拉伯為3.20美元/千克，阿曼為3.55美元/千克

，阿拉伯聯合酋長國為5.14美元/千克。質子交換膜電解水製氫（PEM）成本通常比堿性電解水製氫成本高出約1美元/千克。由蒸汽甲烷重整（SMR）和碳捕獲與儲存（CCS）聯合生產的藍氫在中東地區的價格約為7美元/千克。根據中東和北非地區的可用產能，到2050年，生產成本低於1美元/千克的綠氫是可以實現的。

　　氫氣儲運方式及成本對比

　　氫儲運成本目前占終端氫氣價格的30%左右，經濟、高效、安全的儲運技術氫氣大規模應用的製約因素之一。

　　根據氫氣的運輸形態
，可以分為氣態
、液態和固態等形式運輸。從運輸工具來分
，可以通過管道、輪船或卡車3種zhong載zai體ti運yun輸shu。長chang距ju離li運yun輸shu主zhu要yao通tong過guo新xin建jian或huo改gai造zao後hou的de海hai底di輸shu氫qing管guan道dao進jin行xing大da規gui模mo氫qing氣qi運yun輸shu

，比bi航hang運yun更geng具ju經jing濟ji性xing。在zai沒mei有you管guan道dao的de情qing況kuang下xia，目mu前qian主zhu要yao以yi液ye氫qing和he氨an等deng形xing式shi儲chu存cun
，采cai用yong船chuan舶bo進jin行xing遠yuan距ju離li運yun輸shu。2023年9月份，韓國浦項與美國製氨公司CF工業控股合作生產藍氨，也是采用氨將綠色氫氣運往韓國。

　　從經濟性方麵來講，運輸氫氣的成本與氫的需求量有關，運量和運距決定氫氣儲運的方式。

　　采用哪種運輸方式，與運輸距離、運輸規模、氫的應用場景等有關，需要做全流程的設計和經濟性測算。單從運距角度考慮，管道輸氫在各運輸範圍內的成本最低，在500千米以內，長管拖車輸氫成本低於低溫液氫運輸成本；超過500千(qian)米(mi)，低(di)溫(wen)液(ye)氫(qing)運(yun)輸(shu)更(geng)具(ju)成(cheng)本(ben)優(you)勢(shi)。目(mu)前(qian)
，氫(qing)能(neng)產(chan)業(ye)仍(reng)處(chu)於(yu)初(chu)期(qi)發(fa)展(zhan)階(jie)段(duan)
，結(jie)合(he)實(shi)際(ji)氫(qing)運(yun)量(liang)及(ji)實(shi)現(xian)各(ge)儲(chu)運(yun)方(fang)式(shi)所(suo)需(xu)的(de)條(tiao)件(jian)

，長(chang)管(guan)拖(tuo)車(che)輸(shu)氫(qing)是(shi)氫(qing)能(neng)發(fa)展(zhan)初(chu)期(qi)階(jie)段(duan)氫(qing)儲(chu)運(yun)高(gao)性(xing)價(jia)比(bi)之(zhi)選(xuan)。

　　●氣態氫的拖車運輸

　　由於氫氣密度較小
、液化溫度較低、穩wen定ding性xing差cha等deng特te性xing，儲chu運yun氫qing的de難nan度du較jiao大da。目mu前qian國guo內nei高gao壓ya氣qi態tai儲chu氫qing技ji術shu相xiang對dui成cheng熟shu，在zai成cheng本ben方fang麵mian具ju備bei優you勢shi，是shi現xian階jie段duan主zhu要yao的de氫qing氣qi儲chu運yun方fang式shi。受shou技ji術shu和he成cheng本ben端duan的de製zhi約yue，低di溫wen液ye態tai
、固態等其他儲氫技術僅有少量應用，總占比不到0.1%。

　　高壓氣態儲氫為短距離運輸的主流選擇。目前鋼鐵行業對儲氫技術的核心要求為安全、大容量、低成本。高壓氣態儲氫操作簡單
、成本較低
、技ji術shu成cheng熟shu，但dan由you於yu壓ya力li較jiao大da，存cun在zai一yi定ding的de安an全quan隱yin患huan
，並bing且qie儲chu氫qing密mi度du較jiao小xiao使shi得de儲chu氫qing效xiao率lv較jiao低di。低di溫wen液ye態tai儲chu氫qing在zai儲chu氫qing密mi度du上shang具ju有you優you勢shi，體ti積ji密mi度du為wei80兆帕下高壓氣態儲氫的2倍多，但製冷耗能大

、儲存成本過高。

　　氫qing氣qi的de短duan距ju離li異yi地di運yun輸shu主zhu要yao通tong過guo集ji裝zhuang管guan束shu運yun輸shu車che進jin行xing。集ji裝zhuang管guan束shu運yun輸shu車che由you大da容rong積ji無wu縫feng鋼gang瓶ping組zu成cheng容rong器qi主zhu體ti
，鋼gang瓶ping由you瓶ping體ti兩liang端duan的de支zhi撐cheng板ban固gu定ding在zai框kuang架jia中zhong構gou成cheng集ji裝zhuang管guan束shu。製zhi氫qing廠chang製zhi得de的de氫qing氣qi在zai通tong過guo壓ya縮suo機ji高gao壓ya壓ya縮suo後hou儲chu存cun在zai儲chu氫qing瓶ping中zhong，然ran後hou由you載zai有you6個～10個大容積儲氫瓶的長管拖車運輸。因為氫氣密度小，而儲氫壓力容器自重大，所以最終拖車所運氫氣的質量隻占總運輸質量的1%～2%，運輸量為260千克/車～460千克/車。長管拖車目前隻適用於運輸距離較近、輸送量較低的運輸場景。

　　高壓氫氣必須經過兩次壓縮。第一次壓縮是給槽車氫罐充裝氫氣，通常壓力不超過30兆帕。第二次壓縮是在加氫站，為了給車載氫罐充氫，需要進一步壓縮至超過氫罐壓力。

　　●液態氫的車船運輸

　　diwenyetaichuqingshijiangyehuaqingqichucundaojuerezhenkongrongqizhong，xiangbiyugaoyaqitaichuqing
，diwenyetaichuqingzhiliangmidugengda
，chucunqingqidechundugenggao。diwenyetaichuqingxuyaoshiyongjuyoulianghaojuerexingnengdeyeqingchuguan
，bingpeiyouyangedejuerefanganyulengqueshebei。yehuaqingqidenenghaojiaoda，shidediwenyetaichuqingchengbenjiaogao。diwenyehuachuqingdedanweichengbenweigaoyaqitaichuqingdanweichengbende2倍左右。

　　液氫運輸是一種既能滿足較大輸氫量，又比較快速、經濟的運氫方法。液態氫的體積是氣態氫的1/800。液化氫可大幅提高氫的儲運效率
，運輸
、儲存容器需使用特殊合金和碳纖維增強樹脂等。

　　●氫氣管網輸送

　　與氫的車船運輸相比，管網輸送氫氣是最經濟
、最節能的大規模長距離輸送氫氣的方式。氣態氫的管網輸送方法主要包括純氫氣的管網輸送和氫與天然氣混合氣的管網輸送兩種。

　　使用已有管網輸送氫氣是低成本、長距離輸送大量氫氣的優選方法之一。直接把天然氣管網變為氫與天然氣混合氣（含氫約15%），僅需對原有管網進行適當的改造即可。輸送純氫，則需要對原天然氣管網進行實質性的改造，包括材料和重要部件的更換、安全性措施升級等。

　　隨著未來氫氣需求的不斷增加，管道運氫是實現大規模、長距離輸氫的主要方式。管道儲氫相較於長管拖車具有運輸體量大、距離遠、能耗損失少
、經濟高效等多重優勢。但其鋪設難度大
、投資成本較高。

　　為了滿足大規模綠氫應用需求，德國薩爾茨吉特、蒂di森sen克ke虜lu伯bo及ji安an賽sai樂le米mi塔ta爾er德de國guo公gong司si開kai始shi規gui劃hua建jian設she從cong港gang口kou到dao鋼gang鐵tie工gong業ye區qu的de管guan網wang，將jiang海hai上shang風feng力li發fa電dian場chang電dian解jie製zhi取qu的de氫qing氣qi或huo進jin口kou的de氫qing氣qi采cai用yong管guan網wang穩wen定ding快kuai速su輸shu送song到dao鋼gang鐵tie生sheng產chan廠chang。

　　此外
，新建的氫冶金項目，例如HYBRIT和H2 Green Steel項目都在項目場地附近建設綠色製氫設施。為了保障氫氣供應的穩定性，HYBRIT項目還利用合作方的礦洞建設儲氫點。

　　資源稀缺的鋼鐵企業，則選擇在可再生能源豐富的地區投資建設綠色電解製氫廠，例如浦項在澳大利亞、中東等地區開發綠氫資源，後期采用氨運輸氫氣，以滿足國內生產需要。

　　《中國冶金報》（2023年10月27日 02版二版）