氫能的來源具有多樣性，其中可再生能源電解水制氫被認為是較為理想的制氫方式，從長期來看其將是氫能的主要來源。但受技術成熟度、制氫成本等諸多因素的影響，目前化石能源制氫仍是全球主流的制氫方式，約占全球氫能來源的95%以上。

中國是氫氣生產和消費大國，同時也是煤炭生產和消費大國，在氫能發展的初期和中期階段仍需依賴煤制氫技術滿足氫氣需求。現階段，相較于其他制氫技術，煤制氫技術具有明顯的成本優勢，但其缺點在于會產生大量CO₂排放。已有研究表明，煤制氫技術的碳足跡遠高于天然氣制氫、生物質制氫、光伏/風力發電制氫（電解水）及核能/熱化學制氫等主要制氫技術。為兼顧氫能供應和碳中和目標的實現，中國需發展低碳煤制氫技術，目前碳捕集利用與封存（CCUS）技術是實現低碳煤制氫的重要

手段。

然而，CCUS技術會引起額外能耗，增加 CO2排放，其凈減排效果無法根據 CO2捕集率直接衡量。因此，定量化評估 CCUS技術在降低煤制氫碳足跡方面的作用具有十分重要的現實意義。

本文所探討的煤制氫耦合CCUS技術主要涵蓋煤炭開采及洗選①、煤炭運輸、煤制氫氣、CO₂ 捕集、CO₂ 運輸、CO₂封存②等技術環節。需要說明的是，上述過程中產生的非CO₂溫室氣體以及由煤炭自燃所引起的碳排放在本文中均不予考慮。綜上，煤制氫耦合CCUS技術的碳足跡核算邊界如圖1所示。

圖1 煤制氫耦合CCUS技術全流程能源相關

碳足跡評價系統邊界

鑒于煤氣化可能成為我國煤制氫工藝的重要途徑，故本文假設制氫技術路線為煤氣化制氫。從技術原理來看，煤氣化制氫是煤粉、煤漿或煤焦與氣化劑在高溫下進行部分氧化反應，生成 H₂與一氧化碳（CO）的合成氣，再經過變換、低溫甲醇洗工藝、氫氣提純等工序，得到高純度產品氫氣的工藝過程，其工藝流程如圖2所示。

圖2 煤制氫耦合CCUS技術工藝流程示意圖

煤制氫耦合CCUS 技術碳足跡評估涉及的主要技術環節的數據處理過程包括：

（1）煤炭開采及洗選；（2）煤炭運輸；（3）煤制氫；（4）CO₂捕集、運輸與封存。

3.1 煤制氫（耦合 CCUS技術）全流程碳足跡

由于煤制氫耦合CCUS技術各環節的部分參數具有不確定性，故煤制氫耦合CCUS技術的碳足跡也具有不確定性。如圖3所示，從全流程來看，若不考慮CCUS技術，煤制氫技術的碳足跡為 17.47～29.78 kg CO₂/kg H2。若在煤制氫過程基礎上結合 CCUS技術，其全流程的碳足跡約為 2.17～8.91 kg CO₂/kg H2，具有較大的波動范圍。煤制氫能源轉換效率對于煤制氫碳足跡的影響較大，當應用CCUS技術時，CO₂運輸距離也會在一定程度上影響整體的碳足跡。

圖3 煤制氫及煤制氫耦合CCUS技術全流程碳足跡

為便于分析煤制氫（耦合CCUS 技術）各環節的碳足跡構成，本文對部分不確定性參數進行了處理。煤制氫能源轉化效率取均值，即59. 5%，這與當前主流煤制氫工藝（冷煤氣制氫）的產氫效率（不到60%）是基本吻合的。參考中國已建成投產的CCUS示范項目，CO₂運輸距離基本未超過100 km，故此處假定CO₂運輸距離為100 km。基于上述假設，煤制氫（耦合CCUS技術）的碳足跡構成如圖4所示。

圖4 煤制氫技術全流程碳足跡構成（圖（a）不考慮CCUS技術；圖（b）考慮CCUS技術）

從全流程來看，煤制氫與CCUS技術結合后整體碳足跡可由22. 02 kgCO₂/kg H₂降低至4.27 kg CO₂/kg H₂（圖 4(b)），減排幅度約為 80. 6%，低于制氫環節 90% 的CO₂捕集率。這主要是由于CCUS 技術僅能夠從煤制氫環節捕集 CO₂，降低煤制氫環節的碳足跡，但無法降低其他環節的碳足跡，且使用CCUS技術需消耗額外的能源并造成額外的碳足跡。

3.2 敏感性分析

煤制氫耦合CCUS技術過程涉及眾多技術環節，其全流程碳足跡亦會受到多重不確定因素的影響。根據上述計算結果，本文選取煤炭品質（主要考慮煤炭的平均低位熱值和含碳量）、煤制氫能源轉化效率及CO₂運輸距離等變量進行敏感性分析，以評估其取值變化對煤制氫碳足跡的影響。此外，需要說明的是，平均低位熱值較低的煤炭一般不宜用于制氫。參考已有研究，此處僅考慮平均低位熱值不低于 20 MJ/kg 的煤樣。按此標準，上述602組煤樣中共有353組煤樣符合要求。

能源轉化效率的提升對于煤制氫碳足跡的降低具有顯著的正向效益。然而，隨著能源轉化效率的提高，單位能源轉化效率提升所帶來的碳足跡降低收益呈現下降趨勢。當煤制氫能源轉化效率達到60%時，能源轉化效率每提高1個百分點，平均碳足跡可下降約 1. 3%～1. 5%。

隨著CO₂運輸距離的增加，煤制氫+CCUS的碳足跡將呈現上升趨勢。因此，為有效降低煤制氫+CCUS技術的碳足跡，需選擇適宜的CO₂封存場地，合理控制CO₂運輸距離。

鑒于我國“富煤、貪油、少氣”的資源稟賦，煤制氫在我國氫能發展的初期及中期將扮演重要角色。但發展氫能的初衷在于實現能源結構的低碳化轉型，因此降低碳足跡將是低碳發展趨勢下煤制氫前景的關鍵因素。從全流程碳足跡評估結果來看，煤制氫技術的碳足跡偏高，約為17.47～29.78 kg CO₂/kg H2。采用CCUS技術捕集制氫環節90%的CO2排放后，煤制氫+CCUS 的全流程碳足跡可降至 2.17～8.91 kg CO2/kg H₂。影響煤制氫碳足跡的主要因素包括煤制氫能源轉化效率以及采用 CCUS 技術時引起的額外能耗。

煤制氫碳足跡具有較高的不確定性，對各技術環節涉及的相關不確定性參數進行處理后可以發現，我國煤制氫平均碳足跡約為22.02kg CO₂/kg H₂（ 不考慮CCUS技術），高出 IEA 評估結果約10.1%。CCUS 技術能夠捕集制氫環節約90%的碳排放，但CCUS技術自身也會增加能耗及相應的碳足跡，CCUS 技術引起的額外碳足跡約為1.66 kg CO₂/kg H₂。因此，從全流程看，CCUS技術對于煤制氫碳足跡的減排幅度約為80.6%。從各技術環節的碳足跡貢獻來看，制氫環節是最主要的碳排放來源。此外，煤炭開采環節產生的CH₄排放也會導致煤制氫碳足跡的顯著增加，增量約為3.24 kg CO₂/kg H₂。

點擊“原文鏈接”閱讀原文。