以生物质为原料的未来绿色氢能

岳国君，林海龙，彭元亭，闵剑，王梦，熊强

（1国投生物科技投资有限公司，北京 100034；2武汉船用电力推进装置研究所，湖北武汉 430070）

氢能是一种二次能源，通过燃烧或者燃料电池的方式利用，其产物只有水，没有传统能源利用所产生的污染物及高碳排放。氢气的热值（140.4MJ/kg）是同质量焦炭、汽油等化石燃料热值的3～4倍。氢燃料电池可实现综合转化效率90%以上，氢能的开发和利用技术已成为新一轮世界能源技术变革的重要方向[1-2]，氢能被认为是未来能源，发展氢能将有利于加快推进我国能源生产和消费革命，对新时代能源转型发展具有重大意义。现今，人们甚至能够描绘出氢能在社会生活中得到全面应用的蓝图，一个低碳、高效的氢经济呼之欲出[3-4]。然而全新的技术应用成功需要一套完善的技术组合来形成经济上的优势，即经济是技术的一种表达形式。目前氢燃料电池在进入现有的能源体系时还存在着巨大的经济性障碍，有待于优化出合理的技术组合来降低氢气制取和氢能运输的成本。

1 发展生物质绿色氢能的意义

氢能在能源、交通、工业等领域具有广阔的应用前景[5-6]，尤其以燃料电池车为代表的交通领域。根据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》显示，在中国能源体系中，预计2050年氢能将占比约10%，年经济产值将超过10万亿元，交通运输、工业等领域将实现氢能的普及应用[3]。以生物质为原料制氢，可以将生物质气化后，经变换工艺、脱碳分离获得纯氢，也可以将生物质通过预处理、酶解和发酵等生化转化过程获得甲烷、甲醇、乙醇等含氢化合物，再经催化反应重整获得高纯氢气，其路线如图1所示。目前，从技术发展的角度看，生物质制氢具备了产业化的基本条件。

图1 生物质制氢路线

1.1 生物质绿色氢能是解决氢能源发展问题的有效途径

氢能最好的利用方式之一是燃料电池[4]。氢燃料电池系统应用技术正趋于成熟，电堆功率密度、寿命、冷启动等关键技术与成本瓶颈已逐步取得突破。目前，国际先进水平的车用氢燃料电池系统发动机成本相比于21世纪初下降80%～95%，成本已经接近内燃机的水平。但氢气成本较高是影响氢能利用的主要原因之一。降低氢气成本就需要解决绿色清洁的氢气来源、储存和运输等问题。现阶段绿色氢气生产与储运这两个环节的系统成本占比高，是绿色氢能在能源体系中打开局面的主要障碍[7-8]。生物质制氢有望能够克服氢气来源绿色化与氢气储运成本两大问题，很可能是解决目前氢能源发展问题的有效途径，具备较大的商业前景。

1.2 生物质绿色氢能是实现碳中和目标的重要选项

我国作为煤炭、石油为主要燃料的世界第一碳排放大国，实现碳达峰、碳中和具有突出的紧迫性。客观来看，我国承诺实现从碳达峰到碳中和的时间远远短于发达国家所用时间，相应所要付出的努力也远远大于这些国家。2030年实现碳达峰，达成路径包括产业结构调整、工业节能、能源结构调整、建筑交通减排等。2060年实现碳中和，通过能源活动、工业生产过程、废弃物处理、农业、土地利用变化和林业等全口径零排放，以植树造林、节能减排等形式，抵消自身产生的二氧化碳排放量，实现温室气体“净零排放”[9]。

氢气的利用解决了能源消费端温室气体排放问题，但在生产端目前仍高度依赖化石能源。生物质制氢是通过生物体的作用，对太阳能吸收、转化后，人们采用热解、气化、光解以及生物质化学品间接转化等化学、生物方法获得绿色氢气。从本质上说是一种间接的太阳能利用过程。生物质中的碳来自于植物从大气中捕获的二氧化碳，而不是化石能源，生物质制氢伴生的二氧化碳是一个碳的中性排放过程（CO2-neutral emission），是对碳元素的循环利用。与传统的化石能源制氢路径相比，碳减排力度更大，有利于实现碳达峰和碳中和。因此，发展生物质绿色氢能有望成为低成本氢能制备过程减排的有力途径，是实现碳中和目标的可持续清洁能源重要选项。

1.3 生物质绿色氢是实现秸秆资源化利用、增加农民收入的有力手段

我国是农业生产大国，也是农业秸秆资源大国，每年各类农作物秸秆及农产品加工剩余物约9亿吨，其中玉米秸秆2.93亿吨、水稻秸秆2.26亿吨、小麦秸秆1.86亿吨。每年约有2亿吨秸秆被直接焚烧[10]。秸秆焚烧导致空气污染，引发严重环境、交通问题。在现有生物质制氢路线图下，展望以农业秸秆为原料制备生物质绿氢，将带动农业农民增收，有力促进经济欠发达地区的发展。以秸秆原料制氢，可以在避免粮食资源冲突的前提下促进二氧化碳减排。以1亿吨的秸秆利用量为例，资源化利用秸秆增加农民总收入200亿～250亿元，可拉动投资2000亿元以上，每年实现产值1400亿元以上；可减排二氧化碳当量7000万吨以上，是2005年我国温室气体排放总量的0.7%，二氧化碳排放总量的1.0%。

2 氢能源的制取和储运技术发展现状及存在的问题

根据2018—2021年国家氢能技术重点专项指南汇总分析[11]，2021年氢能技术专项系统布局了氢能的绿色制取、安全储输和高效利用技术。2018—2020年，氢能技术中的燃料电池技术类、制氢技术类和储氢技术类分布分别为52%、19%和22%，2021年分别变化为32%、32%和32%。未来，制氢和储氢技术的研发项目占比将大幅提升，氢能源的制取和储运愈发重要。

2.1 氢能源的制取

氢气的工业来源按原料来源主要分为化石能源产氢和可再生能源产氢[12-14]。

化石能源产氢方式有工业副产氢、化石燃料转化制氢和电解水制氢。可再生能源产氢方式主要是可再生电力电解水制氢和生物质转化制氢。其中，电解水制氢可以是化石能源转化，也可以是风、光、水等可再生能源转化。化石燃料制氢中的煤制氢是当前成本最低的制氢方式，但是煤炭是一种高碳能源，由此得来的氢气被称为“灰氢”，不能支撑未来低碳能源体系的发展。天然气制氢是通过蒸汽重整工艺得到合成气后，再变换与脱碳得到高纯氢气，是国外主流制氢方式。天然气的二氧化碳排放强度较煤炭低，可作为近期的过渡方式使用，但在碳中和远景中，仍不能满足人们对能源的低碳需求。有观点认为这些传统的制氢方式与碳捕捉与封存技术（CCS）的结合能够克服高碳排放的缺点[15-16]。由此而来的氢气也被称为“蓝氢”。但是，CCS的应用条件极为苛刻，需要有可封存二氧化碳的地质条件，二氧化碳的捕集与运输也需要花费较高的成本，将抵消化石能源制氢的低成本优势。除此之外，CCS本身也是较大的能源消耗过程，温室气体排放显著[17]。因此，CCS技术在国际上被认为是难以有效减少碳排放的重化工业为实现碳中和可采用的“最后”的手段。化石能源制氢在氢能发展的早期阶段能够发挥重要作用，作为支撑的工业基础条件打通整个商业应用链条，而在碳中和远景中将会逐渐淡出人们的视野。

可再生能源生产的氢气由于来源于不增加碳排放的风能、光能与生物质能，从全生命周期看可将温室气体排放降到最低，被称为“绿氢”，是未来氢能利用的最理想来源。电解水制氢能耗为1m3氢约4～5kW·h，制取成本受电价的影响很大，考虑到成本等因素，国内的水电解设备目前处于中小规模。中国是全球第一大可再生能源发电国，每年仅风电、光伏发电、水电等可再生能源弃电约1000亿千瓦时，可用于电解水制氢约200万吨；未来随着可再生能源规模的不断壮大，“绿氢”有望成为中国氢源供给的主要来源。生物质重整制氢能够克服氢气来源绿色化与氢气储运成本两大问题，具备较大的商业前景。

2.2 氢能源的储运

目前，氢的储存主要有气态储氢、液态储氢和固态储氢3种方式[18-20]。其中，高压气态储氢已得到广泛应用，不同压力等级的钢质氢瓶结合碳纤等材料缠绕技术能够实现氢气的安全存储。液态与固态存储氢气的技术距离商业应用仍有不少距离。由于氢气的大规模存储仍然是高压气态存储，氢气的运输也必须采用气态运输。高压气态输运可分为长管拖车和管道运输两种方式。长管拖车为近距离运输氢气的方式，管道运输需要大规模的基础设施投资。高压气态储氢的体积比容量低，压缩能耗高，所以经济性不高，是氢气存储与汽车运输不经济的根本原因[21]。而氢气管道对材质要求的特殊性，也导致现有的油气管网不能够作为氢气安全输送可依托的基础设施。

为了解决氢气储运难题，可以考虑用含氢化合物作为氢载体，降低储运成本。氢载体在运送到消费终端后，采用化学方法使氢载体释放出氢气加以利用。

3 生物质氢载体未来发展方向与成本分析

自身具备较高的能量密度，并可以依托现有基础设施低成本运输、转化与逆转化技术成熟等特点将使生物质氢载体成为未来氢载体的发展方向之一。从这个特点出发，生物质甲烷、生物质甲醇和生物质乙醇都是可以作为未来氢载体的理想物质。生物经济与氢经济结合的解决方案因此也值得学术界和产业界进行深入探讨。

3.1 生物质甲烷

生物质甲烷来源丰富，可由木质素、含有碳水化合物、蛋白质、脂肪、纤维素及半纤维素等生物质的底物通过厌氧发酵生产，并已实现了产业化[22]。厌氧发酵产生的沼气中甲烷占有50%～70%（体积分数），二氧化碳占有25%～45%，同时还含有少量水汽（20～40℃）、氮气、硫化氢及氢气等。沼气经加工、提纯后可得到以甲烷为主的生物质天然气（bio-natural gas，BNG）。几乎所有生物质资源均可用于厌氧产甲烷的底物。

我国自2015年开始工业化BNG，现已有采用畜禽粪便和农业秸秆废弃物为原料的项目建成运行。BNG的成分与现在的天然气基本相同，可以利用我国现有的天然气管网进行配送。用生物质甲烷作为氢能的载体，可以大幅度降低基础设施的固定资产投资。同时，生物质天然气也因为随天然气一起输送而实现规模效应，配送成本非常低廉。

表1为部分生物质厌氧发酵产生甲烷的潜力。由于纤维素被木质素包裹，发酵产气效率受到影响。在实际生产应用中，每吨秸秆的甲烷产气率约为250m3（250mL/g），已经初步具备了经济利用的条件[24]。我国生物沼气产业近年获得较快发展。2018年生物质天然气（折纯）产量达到5760万立方米。随着发酵菌种与工艺技术的进步，秸秆产气率还有较大的提升空间。生物质甲烷产业具有较好的前景。根据能源局《关于促进生物天然气产业化发展的指导意见》，到2030年，生物质天然气产量预计可以达到300亿立方米。

表1 不同生物质原料产气潜力[23]单位：mL·g-1

3.2 生物质甲醇

生物质甲醇的原料来源主要有林业和农业废弃物及副产品、制浆造纸业的黑液等。生产过程是将生物质原料通过气化过程产生合成气，经变换调整到合适的一氧化碳和氢气比例，再进行合成得到甲醇产品。国外已有多个采用生物质或废弃物为原料进行气化生产的项目投运，还有多个项目处于可行性研究、工程设计等前期阶段[25]。

甲醇作为常温常压下的液体燃料，可安全高效经济便捷储运，在我国管道、水运、铁路和汽运4种方式都有存在。其中，汽运与水运是最主要的方式，运营主体与设施成熟，铁路运输的方式也在逐年增加。因此，未来生物质甲醇作为氢能的载体是我国的一个特有的选项。

当前影响生物质甲醇产业化的主要原因是生产成本。以天然气（国外）和煤炭（中国）为原料生产甲醇作为化工原料具备竞争优势，目前占据甲醇生产的主流。但是在“双碳”目标下，生物质气化合成甲醇工艺成熟。与其他储氢方式相比，生物质甲醇成本具有一定优势，可在氢经济发展中扮演重要角色。

3.3 生物质乙醇

生物质乙醇是目前技术最成熟的生物质能源化学品。通用的工艺是以淀粉基作物为原料，通过水解与发酵获得乙醇。生物质乙醇目前主要用作燃料乙醇，作为乙醇汽油的调和组分广泛应用于交通能源，有近二十年推广应用基础，具备了较为完善的储运与分销网络，转而作为氢能源的载体也具有较高的可行性。

利用生物质生产的几种化学品与氢气相比，分子量较大，甲醇与乙醇常规条件下为液体，甲烷虽然也是气体，但沸点与氢气相比高很多，使氢能储存和运输的条件更为温和，对运输设备、容器与管道的要求相对较低，压缩与输送的能源消耗也较低，因而能够大幅度降低储运成本。虽然合成氨作为氢载体的研究已经成为热门，但因合成氨目前并没有大规模远距离的运输场景，因而其商业化应用会存在比生物质氢载体更大的障碍。

2020年我国生物燃料乙醇已投产能力达到517.5万吨，且有大量现代化食用酒精产能作为产业基础。我国30万吨/年的淀粉基乙醇工厂各项技术经济指标已经达到国际先进水平。以木质纤维素（如农业秸秆）为原料的二代乙醇的工业化项目也正在建设中，将于2022年完成万吨级示范装置的建设和运营。在解决和拓宽原料来源后，我国以生物质乙醇作为发展绿色氢能产业的条件最好。未来，在乙醇重整制氢技术放大和规模化应用方面，生物乙醇可能是最具前景的氢能载体，到2030年，第二代生物乙醇预计达到2000万吨产能，形成国内分布式化学储氢布局。

3.4 成本分析

氢能的使用成本在一定程度上决定了其能否实现商业化应用。煤炭是我国目前最大的消费能源，以煤炭制氢情景为基准，比较不同路线的氢气使用成本，能够从一个侧面反应不同制备路线的未来竞争力。

我国现阶段根据原料或电价不同，不同原料路线的氢气制备成本分别为：煤炭制氢6～12元/千克；天然气制氢7.5～24.3元/千克；工业副产氢14.6～26.9元/千克；电解水制氢9.2～40元/千克，见图2[26]。

图2 不同原料路线的制氢生产成本

因国家碳中和战略要求，化石能源制氢未来需要结合CCS技术进行。考虑添加CCS成本后，煤炭制氢的期望成本为29.0元/千克，天然气制氢的期望成本为25.9元/千克。工业副产氢为尾气回收，不采用CCS，其期望成本与现在持平，为20.8元/千克。与之对应的可再生能源发电制氢成本为33.0元/千克（电价为0.5元/千瓦时，2019年新建可再生能源发电可达到的先进水平）。根据IRENA的预测，未来可再生能源发电成本将会进一步下降，到2030年光伏平均发电成本可达到0.35元/千瓦时，平均风电成本也可降到0.45元/千瓦时。届时可再生能源电解制氢的期望成本将会降到21.8～29.7元/千克，具备了与化石能源制氢竞争的能力。以生物质氢载体制备氢气路线中，当甲醇价格为3000元/吨时，甲醇蒸汽重整的成本为21.3元/千克[27]。根据甲醇制氢的成本构成估算出，其中原料成本占80%左右[28]。当按照IRENA估算的生物质甲醇成本为5400元/吨时[25]，制氢成本为28.4元/千克。生物质乙醇的成本与生物质甲醇相近，约27.6元/千克。由于生物质甲烷的生产成本并不比工业用天然气价格高[29]，因此生物质甲烷的制氢成本约24.0元/千克。各种制氢路线的成本见图3。从成本比较可以看出，在考虑到温室气体排放时，采用生物质氢载体制氢的综合成本已经可以与化石能源制氢竞争。

图3 低碳制氢生产成本比较

此外，在低碳情景的基础上，对不同路线的氢气或氢载体运输成本进行了比较分析。当采用煤制氢或电解水制氢用20MPa长管拖车运输，运输距离200km时，运输成本为9.3元/千克。生物质甲烷采用天然气管网输送，在200km时按0.2元/立方米的费率计算，运输成本为0.28元/千克。生物质甲醇和生物质乙醇采用槽车运输，甲醇200km运费约0.42元/千克，乙醇为0.30元/千克。加运费后的不同氢气成本比较见图4。从比较中可以看出，由于氢气运输成本过于高昂，采用生物质氢载体使氢气在使用成本上具有明显的竞争优势。生物质氢载体可以解决储运成本高的难题。利用生物质氢载体，在应用终端（如加氢站、分布式能源站）通过安装逆转化设施获得氢气的综合成本比氢气的直接存储与运输更低。

图4 不同路线的氢气使用成本

4 结语与展望

从“碳中和”的现实要求看，被人们寄予重望的氢能源未来不应使用化石能源作为支撑，特别是能源结构演变中需要不断下调比例的煤炭。通过对不同路线制备氢气的综合成本分析比较，采用CCS技术可补救煤炭制氢先天不足，却又带来成本大幅度上升。而可再生能源中，光伏发电和风电即便把成本降到与煤电相当的水平，在降低氢气输送环节的成本也还有需要解决的问题。生物质在植物生长过程中固定了一部分氢元素，但生物质中含氢的大分子无法直接作为氢能利用，必须通过微生物和化学方法转化为可利用的小分子。以生物质为原料生产的甲烷、甲醇和乙醇与氢燃料电池的应用相结合，组成一套完整的清洁低碳能源转化、供应与使用的系统，在未来将成为实现氢燃料电池“绿色化”的一种经济可行的方式。