摘要

氫能具有質(zhì)量能量密度大、來源多樣化、應用場景豐富、終端零排放等特點，在保障國家能源安全、應對氣候變化、推動產(chǎn)業(yè)升級、實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展等方面具有重要意義。本文重點介紹集中式制氫的主要類型，包括天然氣制氫、煤制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和電解水制氫，并分析其制氫成本。對于煤制氫和天然氣制氫，技 術 比 較 成熟，全球范圍內(nèi)應用廣泛，原料價格對成 本 影 響 較 大；對于工業(yè)副產(chǎn)氫，現(xiàn)階段最具市場競爭力；對 于 電 解 水 制氫，發(fā)展?jié)摿ψ畲螅襞c可再生能源結合，生產(chǎn)的氫氣屬于“綠氫”，更符合未來綠色能源需求。

關鍵詞

氫能 集中式制氫 制氫成本 加氫站

引言

氫能作為二次能源中最佳碳中和載體，受 到國際社會普遍關注。聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織已經(jīng)將氫能定義 為“在 高 效 的 能 源 儲 存 領 域 尤 其 是 在 工業(yè)規(guī)模可再 生 能 源 儲 存 領 域，一種真正的范式轉(zhuǎn)換”［１］。根據(jù)國際能源署（ＩＥＡ）數(shù)據(jù)，２０２０年全球氫氣總產(chǎn)量高達７０ Ｍｔ。目前 氫 氣 主 要 用 于 合 成氨、石油 煉 化 和 合 成 甲 醇［２－３］。在 政 府 大 力 支 持下，我國氫能產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展，中 國 氫 能 聯(lián) 盟預 計到２０３０年，我國氫氣需求將達到３７．１５Ｍｔ，占終端能源 需 求 的 約５％，其中交通能源需求約１．５６Ｍｔ；到２０６０年，氫氣需求約為１３０Ｍｔ，在終端能源需求中的比例提升至約２０％，其中 交 通 能源需求提升至約４０．５１ Ｍｔ［４］。

中國石化是我國最大的氫氣生產(chǎn)企業(yè)，年 產(chǎn)氫氣約４．４５Ｍｔ，近日全球最大的光伏綠氫生產(chǎn)項目在庫車啟動，２０２３年建成后將年產(chǎn)氫氣２０ｋｔ，開啟了綠氫煉化新發(fā)展示范模式。（關注氫電邦公眾號帶你了解更多干貨資訊）目前中國石化擁有加油站３萬余座，具備發(fā)展氫能交通的產(chǎn)業(yè)基礎和網(wǎng)絡優(yōu)勢，截至２０２１年底現(xiàn)已建成加氫站７４座，供氫中心８家，計劃“十四五”期間建成加氫站及油氫合建站１０００座，具備加氫能力２００ｋｔ/ａ。

中國石化銷售公司及石油化工科學研究院系統(tǒng)研究了氫 氣 的 制 備、儲 存、運 輸、加 注 等 氫 能 產(chǎn)業(yè)鏈上主流 技 術，以 下 主 要 介 紹 集 中 式 制 氫 方 式及其成本。當前氫氣的制備方式主要有化石能源制氫（煤制 氫、天 然 氣 制 氫 等）、甲醇 制 氫、氨 分 解制氫、電解水制氫、生物制氫、光解水制氫、核能制氫等，主流的集中式制氫技術主要包括天然氣制氫、煤制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源電解水制氫。

天然氣制氫

天然氣制氫是成熟的化石能源制氫技術，具有流程簡單、裝 置 可 靠、單 位 投 資 成 本 低 等 優(yōu) 勢，在全球氫氣 生 產(chǎn) 市 場 中 占 據(jù) 了 最 大 的 份 額，約 占總氫氣產(chǎn)量的５０％［５－６］。（需要資料的請?zhí)砑觪dbang11聯(lián)系小編）由于資源稟賦差異，國外天然氣資源豐富，價格低廉，因此天然氣制氫是歐美等西方國家的首選制氫方式。而我國以煤炭為主，天然氣供銷缺口大，價格較高，煤制氫占比高。天然氣制氫 主 要 有 水 蒸 氣 重 整 制 氫、部 分 氧 化 制氫和自熱重 整 制 氫 等 技 術，后 兩 種 技 術 仍 處 于 開發(fā)階段。天然氣水蒸氣重整工藝流程如圖１所示，主要包括脫硫、轉(zhuǎn)化、變換和變壓吸附（ＰＳＡ）等工藝單元，脫 硫 單 元 主 要 防 止 催 化 劑 中 毒。目 前 水蒸氣重整制 氫 技 術 完 全 實 現(xiàn) 國 產(chǎn) 化，包 括 工 藝 設計、關鍵設備、高溫催化劑等。一般工業(yè)規(guī)模的天然 氣 制 氫 （工 業(yè) 級 氫 氣）的 甲 烷 單 耗 在 ０．４２～０．４５ｍ３/ｍ３，產(chǎn)氫量大多在５０００～１０００００ｍ３/ｈ。

表１測算 的 是 一 套９００００ｍ３/ｈ天然 氣 制 氫裝置制氫成本［７］。由于天然氣同時作為原料和供熱燃料，占制氫成本的８７．１％，因此天然氣價格極大影 響 氫 氣 成 本。當 天 然 氣 價 格 為 １．８８ 元/ｍ３時，制 氫 成 本 為 １０．５３ 元/ｋｇ；當天然氣價格為２．５２元/ｍ３ 時，制氫 成 本 為１２．８８元/ｋｇ。考慮 到燃料電池汽車用 氫 氣 純 度 更 高，需 要 進 一 步 提 純天然氣 制 取 的 氫 氣。目 前 提 純 車 用 氫 氣 主 要 采用 ＰＳＡ 法，成 本 為 ３～７ 元/ｋｇ。因 此，當 天 然 氣價格為１．８８元/ｍ３ 時，制氫成本約為１５．５３元/ｋｇ；當天 然 氣 價 格 為 ２．５２ 元/ｍ３ 時，制 氫 成 本 約 為１７．８８元/ｋｇ。

天然氣制氫的碳排放按照制備１ｋｇ氫氣排放１０．１ｋｇＣＯ２ 計（各機構統(tǒng)計數(shù)據(jù)不同）［８］，碳排放交易對天然氣制氫的經(jīng)濟性影響見表２。當 天 然氣價格為１．８８ 元/ｍ３ 時，加上“碳 稅”后 的 制 氫 成本（燃 料 電 池 Ｈ２ ）為 １５．９３ 元/ｋｇ；當 天 然 氣 為２．５２元/ｍ３ 時，加上 “碳 稅”后 的 成 本 則 為 １８．２８元/ｋｇ。到２０２５年，假設 天 然 氣 原 料 價 格 為 １．８８元/ｍ３，由于技 術 已 經(jīng) 很 成 熟，生產(chǎn)成本下降空間有限，僅提純成本有部分下降，考慮到碳排放交易價格上漲，預計天然氣制氫價格（燃料電池 Ｈ２）約為１５．５３元/ｋｇ；２０３０年，預計 天 然 氣 制 氫 價 格 約為１９．６３元/ｋｇ。

煤制氫

煤制氫是化石能源制氫中另外一種成熟的制氫技術，在我國具有廣泛的應用，主要用于合成氨和甲醇。煤制 氫 工 藝 流 程 如 圖 ２ 所 示，包 括 煤 造氣、凈化、變 換、ＰＳＡ 等主 要 流 程，具 有 原 料 成 本低、裝置規(guī)模 大、技 術 成 熟 度 高 等 優(yōu) 點，但 是 裝 置占地面積大、配 套 設 施 多、單 位 裝 置 投 資 高、工 藝流程較長、操 作 相 對 復 雜，此 外 碳 排 放 量 高、氣 體分離成本 高。從 元 素 利 用 角 度，煤 中 的 主 要 元 素碳僅用于提 供 制 氫 熱 量，最 后 以 溫 室 氣 體 二 氧 化碳的形式排放大氣，并沒有得到充分利用，不符合目前提倡 的“原 子 經(jīng) 濟”。雖然 如 此，但 由 于 煤 制氫綜合成本 較 低，現(xiàn) 階 段 在 中 國 仍 具 有 較 大 的 應用規(guī)模［９］。

表３測算 的 是 一 套９００００ｍ３/ｈ采用 水 煤 漿激冷工藝煤 炭 制 氫 裝 置 制 氫 成 本，為 便 于 與 天 然氣制氫比 較，固 定 氫 氣 成 本 列 數(shù) 值。與 天 然 氣 制氫成本構成不同，煤制氫成本中煤炭價格、氧氣價格以及建設投資均占有重要比例。當煤炭（主要是煙煤）價格為４５０元/ｔ時，制氫成本 為９．７４元/ｋｇ。ＰＳＡ 提純成本３～７元/ｋｇ，因此當煤炭價格為４５０元/ｔ時，燃料電池 Ｈ２ 生產(chǎn)成本約為１４．７４元/ｋｇ。

由于 煤 炭 制 氫 的 碳 排 放 量 比 較 高，為 ２０．０ｋｇ/ｋｇ（各機構 統(tǒng) 計 數(shù) 據(jù) 不 同）［１０］，碳 排 放 交 易 對煤制氫的經(jīng) 濟 性 影 響 見 表４，因 此 當 煤 炭（煙 煤）價格為４５０ 元/ｔ時，加 上 碳 稅 后 的 燃 料 電 池 Ｈ２生產(chǎn)成本 為１５．５４元/ｋｇ。煤炭同樣作為大宗商品，價格波動較大。到２０２５年，考慮 到“碳 稅”價格上漲，預 計 煤 制 燃 料 電 池 Ｈ２ 價 格 約 為 １５．７４元/ｋｇ；到２０３０年，預計 煤 制 燃 料 電 池 Ｈ２ 價格約為２３．７４元/ｋｇ。

工業(yè)副產(chǎn)氫

工業(yè) 副 產(chǎn) 氫 主 要 有 ４ 類，分 別 是 鋼 鐵 行 業(yè)的 焦 爐 煤 氣 副 產(chǎn) 氫，氯堿行業(yè)的電解氯化鈉水溶 液 副 產(chǎn) 氫，丙 烷 脫 氫（ＰＤＨ）、乙烷脫氫等輕質(zhì)烷 烴 脫 氫 副 產(chǎn) 氫 以 及 石 油 煉 制 行 業(yè) 的 重 整、石腦 油 裂 解、乙 苯 脫 氫、催 化 裂 化 干 氣 等 副 產(chǎn) 氫。中 國 每 年 工 業(yè) 副 產(chǎn) 氫 規(guī) 模 在 ９．０～１０．０ Ｍｔ之間［１１］。雖然 工 業(yè) 副 產(chǎn) 氫 的 生 產(chǎn) 技 術 各 有 不 同，但 是 大 規(guī) 模 提 純 主 要 采 用 ＰＳＡ 技術。由 于 ＰＳＡ技術 比 較 成 熟，ＰＳＡ 提 純 成 本 取 決 于 副 產(chǎn) 氫 原料 氣 中 氣 體 組 分 和 氫 氣 含 量，原料氣中氣體組分 吸 附 能 力 差 異 越 大、氫 氣 含 量 越 高，提 純 成 本也 就 越 低。通 常 情 況 下，只 有 原 料 氣 中 氫 氣 含量 超 過５０％，提 純 才 有 經(jīng) 濟 性。所 有 副 產(chǎn) 氫 中ＰＤＨ、乙烷 脫 氫、氯 堿 副 產(chǎn) 氫 等 副 產(chǎn) 氫 氣 濃 度 較高，更 具 提 純 價 值。

中國 ＰＤＨ 項目主要分布在 東部區(qū)域，截 至２０２１年底，中國共有２２個 ＰＤＨ 項目投產(chǎn)，丙烯總產(chǎn)能達到１０．７５ Ｍｔ/ａ，副產(chǎn) 氫 產(chǎn) 能０．４０ Ｍｔ/ａ，預計可以滿足 超 過１０萬輛 氫 燃 料 電 池 汽 車 用 氫 需求；中國的乙烷裂解副產(chǎn)氫規(guī)模更大，預計２０２２年乙烷裂解項目副產(chǎn)氫總產(chǎn)能達到了０．９２ Ｍｔ/ａ，可以滿足超過２５萬輛氫燃料電池汽車用氫需求。

根據(jù)統(tǒng)計，副產(chǎn)氫提純到燃料電池 Ｈ２ 的成本在６～１５元/ｋｇ。在所有獲取 氫 氣 的 方 法 中，從 工業(yè)副產(chǎn)的富 氫 氣 體 提 取 氫 氣 的 成 本 最 低，最 具 市場競爭力。由 于 提 純 技 術 比 較 成 熟，同 時 副 產(chǎn) 氫屬于“藍氫”，“碳稅”不計入氫氣生產(chǎn)中，未來成本變化有限。

中國石化副產(chǎn)氫以煉化企業(yè)為主，首 批 布 局１４家煉化企 業(yè) 建 設 供 氫 中 心，目前北京燕山分公司、天津分公司、齊魯分公司、廣州分公司、海南煉油化工有限公司、上海高橋石油化工有限公司、鎮(zhèn)海煉化分公司和青島煉油化工有限責任公司的車用高純氫生產(chǎn)線已投用。

電解水制氫

電解水制氫是指水分子在直流電作用下被分解生成氧氣 和 氫 氣，并 分 別 從 電 解 槽 陽 極 和 陰 極析出的技 術。根 據(jù) 電 解 槽 隔 膜 材 料 的 不 同，通 常將電解水制 氫 分 為 堿 性（ＡＬＫ）水電 解、質(zhì) 子 交 換膜（ＰＥＭ）水電解、陰離子交換膜（ＡＥＭ）水電解以及高溫固 體 氧 化 物（ＳＯＥＣ）水電 解。目 前 已 經(jīng) 商業(yè)化運行的主要是堿性水電解和 ＰＥＭ 水電解，而ＡＥＭ 水電 解 和 ＳＯＥＣ 水電 解 分 別 處 于 商 業(yè) 化 前期和實 驗 室 研 發(fā) 階 段。堿 性 水 電 解 技 術 較 為 成熟，目前應用 較 為 廣 泛，優(yōu) 點 是 成 本 低、設 備 壽 命長，但制氫設備效率不高，同時具有需要使用腐蝕性堿液、難以快速響應、占地面積大等缺點。ＰＥＭ水電解近年 來 得 到 了 大 量 的 研 究 和 應 用，其 優(yōu) 點是體積小、操 作 彈 性 大、啟 動 快，最 大 的 缺 點 是 成本過高。各類電解水制氫的總結對比見表５。

目前全球范圍內(nèi)集中式電解水制氫的項目相對較少，由于電解水裝置可以與風電、光 電、水 電等可再生能 源 結 合，實 現(xiàn) 綠 氫 的 生 產(chǎn) 和 能 源 的 化學存儲，在“雙碳”背景下，大規(guī)模綠電集中式制氫項目會陸續(xù)出現(xiàn)。電解水制氫７０％～９０％的成本是用電費用，裝 置 規(guī) 模 越 大，設 備 利 用 率 越 高，用電費用比 重 越 高。根 據(jù) 資 料 匯 總，目 前 大 型 風 光互補可再生能源制氫項目的綜合制氫成本在１４～３０元/ｋｇ。

結論

天然氣制 氫，技 術 較 為 成 熟，工 藝 流 程 簡 單、裝置穩(wěn)定可靠，是全球最主要的制氫方式，天然氣價格極大的影響氫氣成本。煤制氫與天然氣制氫類似，工藝比 較 成 熟，裝 置 規(guī) 模 較 大，但 是 工 藝 流程長、裝置占 地 面 積 大、碳 排 放 高，受 資 源 稟 賦 影響，在我國 具 有 較 大 的 應 用 規(guī) 模。與 天 然 氣 制 氫不同的是，煤制氫成本中煤炭價格、氧氣價格以及建設投資 均 占 有 重 要 比 例。工 業(yè) 副 產(chǎn) 氫，雖 由 于是副產(chǎn)物，原 料 成 本 較 低，不 負 擔 碳 稅 成 本，因 此提純成本直 接 決 定 了 工 業(yè) 副 產(chǎn) 氫 的 成 本，當 前 階段作為“藍氫”的工業(yè)副產(chǎn)氫最具市場競爭力。電解水制氫，目 前 已 經(jīng) 商 業(yè) 化 運 行 的 主 要 是 堿 性 水電解 和 ＰＥＭ 水電 解 兩 類，隨著碳減排任務的推進，大規(guī)模光伏、風電集中式制氫項目將會陸續(xù)出現(xiàn)，電解水制 氫 的 成 本 與 電 價、裝 置 規(guī) 模、設 備 利用率等因素有關。在氫能作為交通能源的初期階段，廉價易 得 的 副 產(chǎn) 氫 和 化 石 能 源 制 氫 可 以 迅 速降低燃料電 池 汽 車 用 氫 成 本，有利于快速建立氫能產(chǎn)業(yè)鏈、提升氫能產(chǎn)業(yè)技術水平、培養(yǎng)消費者用氫習慣，在后期階段，綠電電解水制氫是未來氫氣的主要供應方式。