化工行业在氢能源市场中的机遇

方鲲 周伟民 方铮 李玫 王春生 水谷昌弘 乔治

1 背景

有机化学方法将氢气嵌入芳香族化合物载体甲苯（氢气化）后转换成另一种化合物——甲基环乙烷（MCH）来储存和运输，运输到目的地后通过脱氢反应萃取出氢气。甲苯作为储氢的载体，其使用后再运回制氢基地，以此反复使用。MCH的体积是氢的1/500，甲苯和MCH在常温常压条件下可以被传统储罐车等工具直接储存或运输。

氢化反应是发热反应，脱氢是吸热反应，在这个发热/吸热反应过程中要损耗30%的氢，所以如何在氢化和脫氢环节降低能耗是个值得探讨的课题。因此，如果能利用发电厂和工厂的排热来进行脱氢，将大大降低使用成本。

未来，氨（NH3）将是冉冉升起的制氢新星，其分子中含有大量的氢，NH3的质量氢密度17.8%，而MCH质量密度是6%，NH3是它的3倍。NH3的体积密度是液化氢1.5～1.7倍，是有机液态氢的2.4～2.7倍。NH3的液化温度是-33℃，略加10个标准气压就可以在温室内以液态状态保存。NH3是基础化学品，作为肥料的原料被大量生产，其已经具有成熟的产业链。因此，NH3作为储氢运氢的新载体被迅速重视起来。但是，从NH3中分离萃取氢的技术较难，需要用钌作为催化剂并加热至670℃高温。

另外，从NH3中萃取的氢杂质较多，无法直接用于FCV氢燃料电池车上，需要精制提纯后才可使用。

为此，NH3基氢一般不进行精制，直接用于使用NH3燃料电池（SOFC）车上，NH3不含碳，所以用于燃烧也不会有二氧化碳排放。日本有大规模运用的NH3基氢直接用于固体氧化物电池上的成熟技术和业绩，同时也有直接燃烧发电的成功案例。基于2种载体各有千秋，所以根据使用场景各取所需是目前业内基本看法。

根据2014年日本经济产业省能源厅计划成本目标每制造1m3氨基氢（0℃温度状态下1个标准大气压下的气体体积）按30日元推算，用于发电的成本17日元/kWh，相当于液化天然气发电的1.5倍。因此能满足当初成本推算的只有钢厂和化工企业制氢（见表1）。

由此可见，基于制氢成本最经济的是化工行业制氢，专业化和技术成熟度高，无需重新投入。

2 化学工业供应高纯度氢气

化工行业氢气产生量最多的一项是制氨，氨是将空气中的氮固定到氢气中。为此，在制氨工厂都有氢气制造装置，主要是用石油系原料制氢。

日本昭和电工株式会社（以下简称“昭和电工”）将使用过的废塑料萃取氢，从而不仅抑制石油系原材料的消耗，同时使用干冰将制造过程中产生的二氧化碳回收，作为副产品有效利用。因此，这种方法制氢比传统生产氨的方法更有效降低环境负荷。同时，将废旧塑料萃取出来的氢气销售给使用客户。这项措施已于2015年在日本川崎市成功实施。

化工行业另外一个产氢大户是烧碱生产，烧碱在生产过程中的副产品是氢，这种氢纯度高，可直接进入市场流通，同时也可给氢燃料电池汽车供氢。

3 液态氢VS有机液态氢

从2020年开始，日本液态氢和有机液态氢展就开了激烈竞争，最有代表的是川崎重工业株式会社（以下简称“川崎重工”）的液态氢和千代田化工建设株式会社（以下简称“千代田化工”）的有机液态氢。

3.1 液态氢

推动液态氢发展的是川崎重工和岩谷产业株式会社（以下简称“岩谷产业”）。川崎重工利用其液化天然气（LNG）船舶制造技术升级开发运送液态氢，目前已在日本与澳大利亚之间LNG运输船项目进行了大规模验证，岩谷产业负责装卸设备制造和管理系统研发。

3.2 有机液态氢

另一极是千代田化工为代表的有机液态氢的大规模验证。该验证在2013年完成，目前其商标注册为SPERA 氢，正积极推进低成本和提高效率，已从海外远距离运输中取得了成功。此外，日立造船株式会社和深绿能源公司也是拥有有机液态氢技术的公司。深绿能源公司是最早推出该技术并获得项多专利的公司。深绿能源公司主要制造中小型储氢/供氢装置，市场应用以燃料电池汽车、铁路、船舶用小型化为主。

4 被给予厚望储能载体的发展趋势

氢能源主要有2大特征：一是没有二氧化碳排放；二是可以将其他一次能源与众多再生能源转换为氢能源，并且便于储存运输。

再生能源如光伏发电、风力发电等，因其发电的不稳定特征，通过电转氢（P2G），将不稳定能源变成可储存运输状态的稳定能源的，提高了再生能源的利用率。2016年开始，日本推广P2G项目：在荷兰村建立光伏发电转氢自立发电系统，山梨县NEDO（日本新能源产业技术综合开发机构）验证项目规模已达到45万m3/a，福岛县震灾复兴光伏氢能已经运行数十座再生能源P2G项目。

除日本外，德国在2015年也开始大规模推广P2G技术，德国再生能源占其全国发电量的30%多，用大规模再生能源解决其不稳定和余生电力的储存是该国重要能源战略之一。目前，德国正在同时建设30余个不稳定电源转氢项目，2050年其再生能源比例将由现在的30%提高到80%。

在众多能源转电储能项目中，有机液态氢的技术运用最多，成本低且安全。日本目前由点技术到面推广已经进入实质化阶段：如北九州氢能源小镇、福岛县浪江町光伏氢能小镇、关西国际氢能机场、东京奥运会运动员氢能村等等。

至2050年，日本减排二氧化碳80%的目标主要从以下3个路径实现：

一是彻底实施节能，降低最终总能源消耗的绝对量。2005—2015年，日本每人平均降低了13%能源消耗，到2050年降低至35%，具体手段为交通工具部门的燃料电池汽车和汽车新能源化、照明LED化、零排放房屋/零排放楼宇。

二是大幅提高最终能源消费的电力比例。目前，日本现有能源结构中主要以电力、汽油、柴油为主，将电能提高到整体能源结构份额的80%是其最终目标。届时，核电将消亡，承载主力发电的将是再生能源。

三是大幅提高再生电力比例。未来，日本现有的集中发电远距离送电方式将被分布式电源逐渐取代，自发电、独立发电将迅速兴起，即：将供电单行道改成双向复合—联产—独立—分布等模式取代 。

5 结语

储能市场将是未来的蓝海市场，据日本有关机构估算，全球未来10年氢能市场规模将达到160兆日元，而将电能转换液态存储是各国实现碳中和、碳达峰的重要技术手段之一。

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