天然气制氢：低碳能源向零碳的转变

随着氢能产业的逐渐规模化，氢能的制取和利用也在加速提升。从今年开始，制氢产业链加速融合，各企业纷纷入局氢能，开发制氢方式。理想的制氢方式是利用化石能源制氢或者可再生能源制氢，如核电制氢或光伏制氢、风电制氢、电解水制氢。在工业生产上，我国目前占据主要地位的仍然是化石原料制氢。但造成的碳排放污染也是不可小觑的，我国目前面临着“碳达峰、碳中和”的减排目标，减碳任务十分艰巨，加速减碳需从源头做起。

理想的制氢方式：天然气制氢

根据我国煤田地质调查结果，全国煤炭资源累计探明储量为2.01万亿吨，资源保有量为1.95万亿吨，我国煤制氢潜力约为24.38亿吨。总体来看，我国煤炭、天然气（包括非常规天然气）资源丰富，发展潜力巨大。

全球范围内氢气产量有50%左右来自于天然气制氢，从我国未来10年内制氢的发展趋势来看，伴随氢能产业的加速发展，产业上下游同步发力，天然气制氢将进入大规模发展阶段，尤其是在我国逐步建成天然气管网后，天然气制氢将更加迅猛发展。

与煤制氢装置相比，天然气制氢投资低、CO2排放量、耗水量小、氢气产率高，是化石原料制氢路线中绝佳的制氢方式。然而，我国化石资源禀赋特点是“富煤缺油少气”，我国原油对外依存度已经超过 70.5%，天然气对外依存度已经超过40%，在此能源供给现状的大背景下，采用基于石油资源的重油制氢已经不具经济性，实际生产中也很少采用；采用天然气制氢更存在气源供应无法保障、天然气价格高的现实问题。从长远来看，由于我国非常规天然气资源（页岩气、煤层气、可燃冰等）十分丰富，随着未来非常规天然气开采技术进步、开采成本降低，必将迎来天然气大发展的时期，届时采用天然气制氢预计要比煤制氢更具优势。

随着化石能源消费在部分发达国家已达峰值及发展中国家非化石能源消费推广力度加大，技术进步将进一步助力油气勘探开发及储运效率提升，继而使得低价油气供应成为可能。全球油气资源丰富，非常规油气及深层、深海油气勘探开发正在成为未来石油公司上游主要发展方向。一旦在这些领域取得突破，对氢气供应的最直接影响就是以石油天然气为原料的制氢成本下降。从目前各咨询机构及石油公司的判断看，预计2030年前后全球天然气制氢技术有可能商业化，成本大幅下降。


亟待解决的难题：天然气制氢成本与技术突破
天然气的主要加工过程包括常减压蒸馏、催化裂化、催化重整和芳烃生产。同时，包括天然气开采、集输和净化。在一定的压力和一定的高温及催化剂作用下，天然气中烷烃和水蒸气发生化学反应。转化气经过费锅换热、进入变换炉使CO变换成H2和CO2。再经过换热、冷凝、汽水分离，通过程序控制将气体依序通过装有三种特定吸附剂的吸附塔，由变压吸附(PSA)升压吸附N2、CO、CH4、CO2提取产品氢气。降压解析放出杂质并使吸附剂得到再生。

天然气水蒸汽重整制氢需吸收大量的热，制氢过程能耗高，燃料成本占生产成本的50-70%。辽河油田在该领域进行了大量有成效的研究工作，在油气集输企业建有大批工业生产装置，考虑到氢在炼厂和未来能源领域的应用，天然气水蒸气转化工艺技术不能满足未能满足大规模制氢的要求。因此研究和开发更为先进的天然气制氢新工艺技术是解决廉价氢源的重要保证，新工艺技术应在降低生产装置投资和减少生产成本方面尽力突破。

天然气制氢成本主要由天然气、燃料气和制造成本构成，其中天然气价格是最主要因素，占73.4%。燃料气是成本的第二因素，占比达13.7%。未来我国在生产成本上若能大幅下降，天然气制氢或将成为制氢工艺主流。


图片来源：《石油炼制与化工》


有利的结合：天然气与氢气的“不谋而合”

天然气是现阶段及未来一个时期的重要低碳能源，是支撑我国实现碳达峰的重要能源选择，而氢能是我国推进能源结构转型、持续实现能源高级化的重要发展目标。作为十分清洁的二次能源，越来越多的可再生能源将氢能作为一个储能媒介。在发电领域，天然气发电和氢储能发电是支撑新型电力系统稳定的两种调峰电力形式。可再生能源的不确定性催生了氢储能，同时也加快了氢能的产业塑造。弃风、弃水、弃光上利用天然气和氢气将会大大增加能源的储存和利用。

如今，能源领域越来越多的投资者、管理决策者将目光转向依靠天然气管道输氢。随着氢能项目的逐步落地和技术研发的逐步突破，国内企业与外企合作的项目也持续增多，国内市场开发、外资入局，逐渐从零散化走向规模化。整个氢能产业链条的发展将更加有序，减碳目标也将早日达成。

值得注意的现实问题是，我国国内目前天然气资源匮乏，大多依赖于进口。国内主流的工业制氢方式仍然是煤制氢，天然气制氢之路仍然需要契机。降本和技术突破也是天然气制氢的两大关卡，终点没有尽头，氢能发展将会走向商业化。我国的氢能市场拥有着巨大潜力，充分利用市场，借鉴先进经验，构建清洁低碳、清洁高效的现代能源体系，实现能源的可持续发展才能实现真正的环境可持续发展。