氫能助力寧東能源化工產業高質量發展技術路徑探索

安廣萍，唐衛龍，李瑞龍，趙 瑞，楊靖華，李 云

(1.國家能源集團寧夏煤業有限責任公司，寧夏回族自治區銀川市，750011；2.寧夏新能源產業研究院，寧夏回族自治區銀川市，750027 )

1 寧東氫能產業發展現狀及趨勢

寧夏自治區銀川市寧東能源化工基地(以下簡稱“寧東基地”)擁有豐富的煤炭等礦產資源，形成了以煤炭、煤化工為基礎的上下游一體化發展的現代產業集群。隨著“雙碳”目標的提出，以煤炭為基礎的產業集群高碳、少氫矛盾日益突出，還存在大量高濃度二氧化碳直接排放的問題，對寧東基地經濟的高質量發展形成了瓶頸制約。氫能作為世界公認的綠色、清潔能源，將在替代化石能源、解決能源危機和治理全球變暖等環境問題方面發揮重要作用。走綠色、創新、發展之路，大力發展氫能產業，積極探尋煤炭以外的“第二燃料”“第二原料”，可以有效降低能源消耗和產業過程中的二氧化碳排放，助推寧東基地高質量發展。

在寧東基地產業集群發展中，傳統及新興氫氣消費領域集聚，氫氣產能初具規模。根據現場調研統計，截至2022年底，寧東基地已有氫氣產能約257萬t/a，約占全國氫產量的8%，其中煤化工產、用氫總量約249萬t/a，主要為煤制氫，也叫“灰氫”。按現有產業規模初步測算，如用“綠氫”耦合煤化工部分的煤制氫，寧東基地每年可實現壓減煤炭消費 1 600萬t，減排二氧化碳高于3 000萬t，降低能耗1 100萬t標煤[1]。按照“1主線+N特色”的氫能產業發展思路，寧東基地管委會成立了氫能產業發展中心，專職負責、統籌推進設計規劃、政策扶持、技術創新、招商引資、項目建設、資源配置、協調服務等工作。同時，寧東基地發展改革委以及建設交通、自然資源、應急管理和環境保護等職能部門各司其職，確保項目審批、用地手續及安全監管及時有效。目前，已出臺《寧東基地促進氫能產業高質量發展的若干措施(試行》，鼓勵和支持能源化工企業使用“綠氫”逐步替代“灰氫”，積極布局和推進“制-儲-加-用”全產業鏈氫能項目。根據調研數據，寧東基地目前已經規劃或在建的氫能及配套產業項目達17項，這些項目中的絕大部分為“綠氫”、小部分為工業副產氫(“藍氫”)，按照項目現有進度，預計“十四五”期間能夠形成8萬t/a以上“綠氫”產能，并壓減90萬t標煤能耗、減排二氧化碳220萬t，“綠氫”正在成為寧東基地氫能產業未來發展的基本方向。寧東基地已規劃或在建氫能及配套產業項目見表1。

表1 寧東基地已規劃或在建氫能及配套產業項目

2 寧東基地氫能產業發展的優勢及挑戰分析

2.1 優勢分析

寧東基地完善的能源化工工業基礎及公輔配套設施，不僅為氫能產業發展提供了極為便利的條件，還能夠提供天然的多元化應用場景，具有諸多獨特優勢。

(1)作為產業轉型升級的“剛需”，在寧東基地發展氫能產業符合客觀規律和實踐需求。寧東基地產業發展的基礎支撐是煤炭，是所有化石能源中碳含量最高、氫含量最低的化石能源。無論是進行化學轉化，還是發展下游產業鏈進行深加工，產業運行過程本身大多都需要氫氣的參與，同時還存在大量高濃度二氧化碳直接排放的問題。以400萬t/a 煤制油項目為例，油品合成反應氣要求氫碳比平均達到約1.6，而項目采用干煤粉氣化技術生產的粗合成氣的有效氣中氫氣占比約26.6%、一氧化碳占比約73.4%，遠不能達到油品合成反應氣的氫碳比要求。為此，需要通過變換工藝讓粗合成氣中的一氧化碳與水蒸氣反應得到氫氣，這一過程將產生大量的二氧化碳排放并造成碳資源的浪費。如果對這部分氫氣進行“綠氫”替代，每替代1%將產生1.21萬t/a的“綠氫”需求，同時降低二氧化碳排放26.72萬t/a，可節約煤炭資源約20萬t/a。加之當前寧東基地現有煤炭產能已經逐漸不能滿足原料消耗，煤炭外購量正在逐漸增加。必須通過發展氫能產業，進一步完善寧東基地產業一體化體系，降低能源消耗和產業過程中二氧化碳的排放，促進現有煤基產業的轉型升級，方能實現寧東基地經濟量的持續合理增長和質的穩步提升。

(2)制氫資源豐富，前端供應充沛。寧東基地不僅擁有極為豐富的煤炭資源用于開展煤制氫，還可利用大量的工業馳放氣和尾氣制氫。在寧東基地，煤制油、煤制甲醇及煤制烯烴等多個項目都是采取煤氣化與變換組合的煤制氫為主、PSA變壓吸附回收工業馳放氣中制取的氫氣為輔。目前寧東基地257萬t/a氫氣產能的90%以上都來自于煤制氫及工業副產氫這2種方式。同時，寧東基地屬于我國接受太陽能輻射量較高的一類地區，光照資源極為豐富，光伏發電時間長達1 700 h，且擁有約134 km2不能布局工業項目的采煤沉陷區和煤礦備采區，這些地區恰好可以布局光伏發電。截至2022年底，寧東基地并網光伏電站66座，總裝機容量達4 425 MW；風電場23座，總裝機容量2 903 MW；火電裝機容量1 735萬kW、外送電能達1 200萬kW。電解水制氫資源豐富。目前，寧東基地某企業2萬Nm3電解水制氫一期項目產生的氫氣已經建成投產。總之，寧東基地集聚了煤制氫、工業副產制氫及電解水制氫3種主要工業制氫技術的前端資源優勢，氫能產業發展前端供應充沛且成本相對較低。

(3)工業基礎及設施完善，發展條件便利。寧東基地高起點、高標準規劃建設了工業園區配套的公用設施，建成鴛鴦湖等3大供水工程和29.9 km用于工業輸送的公用管廊及61 km的供熱管網，啟動并開建了首條入廊氫氣輸送管道，供水、供電、供汽和道路交通及污水、危廢處理等工業配套設施完善，工業土地達到了“七通一平”水平，具備優良的工業基礎，可以為氫能企業入駐和氫能產業發展提供極為便利的條件。同時，寧東基地初步規劃或在建的17項氫能及配套產業項目，基本涵蓋了氫能“制-儲-加-用”各環節，產業全鏈同步發展、齊頭并進的優勢突出。

(4)應用場景多元，發展前景光明。寧東基地的煤基化學品、煤制油及煤基化工新材料等生產過程有大量的直接用氫需求，例如寧東基地400萬t/a 煤制油、65萬t/a聚丙烯項目在生產過程中，反應氣的氫碳比要求區間都在1.60～2.05，其他煤制甲醇、精細化工項目，氫氣也都是重要的生產原料氣之一。同時，還有燃煤電廠與煤礦及物流園區的重卡車輛、煉化企業冶煉爐等，都有將氫作為清潔能源的使用需求。目前初步計劃購置60臺49 t 氫能重卡為寧東基地部分企業開展煤炭運輸；研發的首臺“寧東號”氫動力機車已于2023年6月舉行了下線儀式；氫能汽車零部件制造和維保中心正在建設；同時還將配套建設500 kg/d撬裝式加氫站。總之，寧東基地具備多元應用氫場景的天然優勢，氫氣作為原料和能源的雙重屬性可以在寧東基地得到完美體現，氫需求量大，發展前景光明。

2.2 面臨的挑戰分析

寧東基地氫能產業尚處于起步階段，支持產業發展的基礎性制度還不完善，政策措施、體制機制等還在健全和完善之中，一些示范項目在落地實施的過程中還存在一些障礙，必須直面問題和挑戰。

(1)“綠氫”成本高、產能規模不足。與“灰氫”“藍氫”相比，目前“綠氫”成本依然較高。根據趙元琪、姚強等人[2]分析，若對400萬t煤制油項目外購“綠氫”進行“灰氫”“藍氫”的替代，按照“綠氫”1.4元/m3進行計算，通過外購“綠氫”可減少1臺氣化爐運行，但與此同時利潤也將減少2.41億元/a。根據課題組搭建的模型計算，綜合考慮投資、稅費、折舊、原料等因素，當煤炭價格在200～1 000元/t時，煤制氫成本為7.40～14.21元/kg。而電解水制氫成本主要包括電力成本和設備成本兩部分，其中電力成占40%～80%，新能源電力價格直接決定電解水制氫中“綠氫”的經濟性。一方面受制于當前可再生能源電力成本依然較高，另一方面電解槽裝備產業尚未形成規模經濟效益，尤其是適合于波動性可再生能源制氫的PEM電解水制氫裝備價格高、規模小。搭建模型計算可知，假設其他條件不變，電價為0.1～0.6元/(kW·h)時，堿性電解槽電解水制氫成本為13.31～37.46元/kg。當電價為0.4元/(kW·h)時，堿性電解水制氫總成本中電耗成本將達到89%；當電價降為0.3元/(kW·h)時，堿性和PEM電解項目的平均制氫成本分別為17.71元/kg和23.3元/kg，電耗成本占總成本分別為80%和60%。根據測算，電價每下降0.1元/(kW·h)，電解水制氫成本約下降0.5元/Nm3，若電價達到0.2元/(kW·h)，電解水制氫成本方能同當前寧東基地煤制氫成本基本持平。

(2)“綠氫”生產的間歇性、波動性缺陷與工業應用的持續性之間存在矛盾。寧東基地氫氣用戶端主要為煤化工裝置，多為連續生產且消費量大，無論是光伏制氫還是風電制氫，都存在間歇性和波動性的問題，無法單純通過新能源制“綠氫”實現其持續、大量的用氫需求。以煤化工裝置為例，年生產運行小時數一般都在8 000 h，而寧東地區光伏發電小時數在1 700 h，對于連續運行的化工裝置而言，存在近6 000 h的運行缺口。在如此巨大的年運行小時數缺口下，預期通過風力發電可以進行一定的彌補，但是在季節、晝夜甚至小時區間上，依然需要克服波動性問題，從而需要進行相應的儲氫、儲能或者電網調峰規劃，不僅要充分考慮儲氫、儲能的經濟性，還可能對現有的電網負荷造成大的波動，對電網建設也將提出更高的要求。未來，還需要綜合上述因素，在風、光、儲等多能互補技術及火電調峰、綠電交易等方面進一步研究和優化。

(3)“綠氫”生產和消費空間存在錯配，儲氫和輸氫存在堵點。寧東基地聚集了寧夏地區規模最大的煤化工產業和氫能用戶端，但是寧夏光伏和風電等新能源裝機主要分布于寧夏南部地區。寧夏南部地區的光伏和風電上網后，通過電網輸送到寧東基地，那么將在制氫取電時因執行市售電價而失去經濟性。若通過寧東基地煤化工企業上光伏自發自用制備、使用“綠氫”，則在光伏規模上存在一定的限制，無法滿足大規模煤化工企業的用氫需求。而且當前儲氫項目多處在實驗探索階段[3-5]，無論是高壓氣態、低溫液態儲存，還是高表面積吸附儲存、金屬氫化物和有機液體儲存，同大型工業化應用實際需求相比，都有不足。管道輸送方面，寧東基地雖已開始首條入廊氫氣輸送管道建設，但是線路還比較單一，輸送距離、輸送量和抗波動能力有限，“綠氫”還無法做到像煤制氫一樣在廠區隨制隨用。因此，要在寧東基地大規模應用“綠氫”，不僅需要充分整合、優化寧夏區域風、光等自然資源，還取決于氫儲運技術及其裝備的進步以及局部輸氫管網的建設和完善。

(4)氫能政策體系還不完善，“綠氫”生產最后“一公里”沒有打通。雖然國家、地方都先后出臺了文件明確鼓勵光伏、風電用于新能源制氫，但是在實操層面的支持內容并不多，可操作性不強，且只有寧東基地配套了財政專項資金，導致企業“綠氫”生產推進進度未達預期，“綠氫”項目立項多、落地少。以寧東基地企業光伏制氫為例，若“綠氫”生產企業選擇分布式光伏自發電制“綠氫”，則分布式自發電規模必須在6 MW以下，折合制氫只能達到0.03萬t/a(按照2 700 h運行計算)，對于大型煤化工企業而言，“綠氫”產能完全不能滿足實際用氫需求；若選擇政府配套光伏項目直供綠電生產“綠氫”，則往往配給的直供光伏規模遠超企業制氫電耗需求，多余綠電按規定只能用于制“綠氫”、不得用于“綠氫”以外其他裝置生產，導致企業“綠氫”產能過剩、自身難以消納。這些問題成為“綠氫”項目落地最后“一公里”的梗阻，需要當地政府在政策體系上進一步優化完善。

(5)CCUS技術還不夠成熟、工業化應用不足，寧東基地用氫潛力尚未得到充分釋放。CCUS技術可以將CO2與氫進行耦合，起到消納氫能的作用。例如多個研究團隊提出以二氧化碳與氫氣反應制取甲醇、煤油或其他烴類[6-9]，典型的有李燦院士團隊提出的“液體陽光燃料項目”，已經在蘭州建設示范，如果未來能夠大規模工業化應用成功，將對氫的消納和CCUS技術進步產生極大的推動。寧東基地二氧化碳排放量大，而且濃度較高，但目前CCUS技術多處于理論研究和實驗開發階段，工業化應用案例少且規模較小，CCUS對于氫能的消納尚未激發。未來還需加快推進CCUS技術在工業化應用方面取得關鍵突破，進一步釋放寧東基地的用氫潛力。

(6)“綠氫”原材料成本波動，對“綠氫”產業高質量發展形成隱形制約。2021年以來光伏組件價格、大宗材料價格居高不下，增加了企業氫能項目建設成本，目前仍未回歸到市場期待的理性價格區間，影響了企業投資積極性，客觀上造成了企業對市場的等待和觀望。因此，需要引導“綠氫”原材料市場穩定及有序健康發展。

3 適宜寧東基地的制氫技術路徑及對策建議

目前廣泛應用的各種制氫技術均存在自身技術優勢和劣勢，尚不存在單一的最優技術路徑。在制氫工藝路線選擇上，主要依據不同地區資源稟賦和產業發展布局等因地制宜選取最合適的工藝路線。寧東基地“依煤而建、因煤而興”，在設計制氫技術路徑時必須立足產業發展現狀，與當地煤化工及其深加工產業鏈進行深度耦合；同時應著眼長遠，加快開辟和發展新能源制、用“綠氫”賽道，盤活利用當地風、光等新能源資源，盡早布局和發展“綠氫”技術，暢通“綠氫”制、儲、運、用全鏈條產業發展，方能在未來的全球能源、資源競爭中贏得主動，進而在我國實現“雙碳”目標進程中，更好地發揮示范引領作用。為此筆者提出設想，寧東基地未來可以通過“新能源發電+儲能、工廠余熱發電及電網谷電綜合調峰+電解水制‘綠氫’+煤化工耦合這樣一條“綠電”“綠氫”耦合煤化工的零碳發展路徑，或將助力實現“綠氫”對現有煤制氫的全面替代。寧東基地未來“綠電“綠氫”耦合煤化工零碳發展路徑設想如圖1所示。而該路徑要從設想轉變為現實，將受到新能源發電價格、電解水制氫裝備水平、儲能技術發展和政策等多重因素制約。對此，提出以下相關建議。

圖1 寧東基地未來“綠電“綠氫”耦合煤化工”零碳發展路徑設想

(1)加強組織領導。成立推動有關工作領導小組，圍繞寧東基地氫能產業發展面臨的“綠氫”資源與需求的匹配、成本與降耗減碳間的平衡、產業鏈的科學構建、產業政策體系的完善、氫能創新資源的引進等問題，明確工作機制及責任主體，統籌推進寧東基地氫能資源開發和產業高質量發展。

(2)加強頂層設計。結合寧東基地自身實際，從全產業鏈系統謀劃，健全氫能政策、法規，積極推動“雙碳”目標下“綠電”“綠氫”以及碳市場交易體系的互聯互通，緊盯“綠氫”耦合煤化工產業這條主線，做好“綠氫”應用經濟性和脫碳目標的協同，穩步推進“綠氫”應用和替代，促進氫能資源開發及碳氫產業協同、健康、有序發展。

(3)加強技術自主研發與應用示范。要從制氫端到應用端統籌考慮現有資源的開發和應用場景的融合，吸引氫能產業鏈相關優質企業入駐寧東基地，做強做大“綠氫”產業鏈。進一步完善平臺體系建設，加強跨專業聯合攻關，鼓勵和支持風光氫儲基礎研究、裝備制造和氫能交通等特色應用場景落地發展，加快突破電解槽規模、PEM膜以及電極壽命和燃料電池的電堆效率等關鍵技術和卡脖子技術[10]。對于技術成熟具備產業化條件的，積極提供技術轉化孵化平臺、政策優惠和金融扶持，加快推動典型示范工程建設和輸氫通道、區域性輸氫網絡搭建，持續降低產業發展成本，加速寧東基地氫能規模化利用和傳統能源清潔化利用進程。

(4)實施數智化發展。注重氫能基礎設施和數字經濟、智能技術的融合共建，推動寧東基地氫能產業和新一代智能技術、數字經濟的互融互通，加快相關氫能產業標準體系建設，進一步促進氫安全和氫能制備、儲運、加注以及應用全鏈條的數字化實時管控平臺建設。

(5)出臺操作性強、含金量高的扶持政策。出臺電解水制氫裝置多元供電的支持政策，加快整合區域風、光、煤電力資源，實施多能互補耦合發電的制氫方案[11]，建立健全寧東基地制氫光伏與主電網調峰機制，解決“綠氫”的連續穩定和安全生產。逐步放開對于企業利用煤化工裝置就地消納電解水制氫光伏余電的限制，推動煤化工裝置“綠電”“綠氫”同步消納，進一步激發“綠氫”生產企業的積極性。

4 結語

“綠氫”時代正在開啟世界能源競爭的新賽道。大力發展氫能產業，積極推動“綠電”“綠氫”與寧東基地產業的多元、深度耦合發展，將為寧東煤基產業轉型升級摸索出一條綠色、創新、發展的示范之路。未來的寧東基地，產業一體化體系將更加完善，在實現經濟量的合理增長和質的穩步提升上邁出更加堅實的步伐。