工业制氢(四种制氢方式和降低成本的途径)

在碳中和的背景下，氢能是与油气行业现有业务结合最紧密的新能源领域之一，也是帮助油气行业尽快实现二氧化碳排放峰值和碳中和的最佳途径之一。前段时间，中石化计划规划1000座加氢站或油氢联合建设站，成为行业关注的焦点:未来“十四五”期间，中石化计划规划1000座加氢站！附国内加氢站现状布局、标准及市场规格。今天，Process Jun与大家分享以下关于制氢技术的深度文章。欢迎阅读。

氢能市场前景广阔，电解水制氢是未来发展的重点。本期主要有四种制氢方式:化石燃料制氢、工业副产品制氢、电解水制氢、生物质制氢等。其中，化石燃料制氢和工业副产品制氢以低成本占据制氢结构的主导地位。但随着化石燃料产量的下降和可持续发展理念的深化，氢能俱乐部氢能市场长期(2050年左右)将形成以可再生能源为主体，煤制氢加+CCS(碳捕集)和生物质制氢为补充的多元供氢格局。为了计算氢气相对于汽油价格的竞争价格，将氢气的理想成本定义为2.6元/Nm3。

本文观点

电解水成本高，降本主要靠电价。

由于电成本约占水电解制氢总生产成本的80%，水电解制氢成本的关键在于能耗。降低成本有两种途径:一是降低电解过程中的能耗，可以通过开发PEM(质子交换膜电解)和SOEC(固体氧化物电解)技术来实现；二是用低成本的电作为制氢的原料，关键在于光伏和风电的发展。以平均工业电价0.61元/kW·h计算，目前电解水制氢成本为3.69元/Nm3。当电价低于0.50元/kw·h时，电解水制氢的成本可与汽油媲美。光伏发电成本为0.5930元/kWh，风力发电成本约为0.3656元/kWh，未来仍会有一定的下降空。

日本福岛县太阳能制氢项目(全球最大的光伏制氢项目)

天然气制氢是目前制氢的主要方式，降低成本应重视天然气价格。

天然气制氢中的甲烷蒸汽重整(SMR)是工业上最成熟的制氢技术，约占世界制氢量的70%(IEA数据)。我国天然气价格受天然气禀赋影响，天然气资源主要分布的中西部盆地也是价格最低的地区。特别是新疆、青海等地区，天然气基本门站价格低至1.2元/千立方米左右。据计算，当天然气价格为2元/Nm3时，制氢的估算成本为1.35元/Nm3，与电解水制氢相比具有明显的成本优势。

天津石化10万吨/小时天然气制氢装置

煤制氢成本最低，降本空小。

我国煤炭资源的主要格局是西部多东部少，北方富，南方穷。内蒙古、山西原煤产量领先，煤炭价格相对较低。当煤炭价格为600元时，大规模煤气化制氢成本为1.1元/Nm3。如果煤炭资源富集地区，当煤价降至200元/吨时，制氢成本可能降至0.34元/Nm3。但由于煤炭价格空降幅有限，且煤气化制氢企业规模较大，未来煤炭制氢成本降低幅度较小空。

茂名石化投资的国内单位产量最大的煤制氢装置。

丙烷脱氢和乙烷裂化的制氢副产物具有潜在的生产率。

化学副产品制氢的成本很难单独核算。目前，我国规划和在建的丙烷脱氢项目预计将产生86.8万吨氢气副产品，并销往国外。我国计划乙烷裂解能力达到1460万吨，可作为副产品销售的氢气达到90.4万吨。

中国化工第三建设有限公司承担了全球产能最大的单一丙烷脱氢项目。

氢:未来电力系统的替代能源

三大优势支撑氢能发展

与传统的化学燃料汽油和柴油相比，氢气有三个优点。

一是具有高能特性:除核燃料外，氢的燃烧热值居所有化学燃料之首，燃烧1kg氢可释放12MJ(28.6Mcal)的热量，约为汽油的3倍。

二是能量转换效率高:氢能可通过燃料电池直接转化为电能，过程中的余热可进一步利用，效率达83%。氢燃烧不仅热值高，而且火焰传播速度快，点火能量低，因此氢动力汽车的燃料总利用效率可以比汽油车提高20%。

碳三零排放:与化石能源的利用相比，氢燃料电池在发电过程中不会产生碳排放，可以实现良性循环。

氢的燃烧热值在所有化学燃料中排名第一。

资料来源:郑光恒生前瞻产业研究院

比较了汽油内燃机的综合热效率和CO2排放量。氢燃料电池综合热效率最高，CO2排放少，是替代石油供应汽车动力的最佳燃料。

氢燃料电池具有最高的综合热效率和较少的CO2排放。

来源:氢与氢能，郑光恒生

四种制氢方式各有利弊，天然气制氢是主要来源。

目前制氢方法有四种:化石燃料制氢、工业副产品制氢、电解水制氢、生物质制氢等制氢方法。虽然有各种各样的制氢方法，但每种方法都有其优缺点。

天然气制氢:虽然应用范围广，但原料利用率低，工艺复杂，操作难度大，产品中二氧化碳等温室气体使其不太环保。

工业尾气制氢:利用工业产品的副产品，成本低。但以焦炉煤气制氢为例，不仅受原料供应限制，施工现场还依赖焦化企业，原料存在污染。

电解水制氢:产品纯度高，无污染，但成本高限制了其推广。

生物质光解水制氢:技术尚未成熟，实现商业化还需要一段时间。

从制氢成本来看，煤和天然气制氢成本相对较低。目前，在四种制氢方法中，天然气制氢的经济性最为显著。

几种制氢方法的比较

数据来源:网络数据整理

目前，天然气制氢仍是我国最重要的制氢来源，占总制氢量的48%。酒精重整制氢和煤制氢也占有相当大的比重，电解水制氢最低，只有4%。

来源:中国氢能网、郑光恒生

未来主要的氢供体将是电解水制氢。

水电解制氢是一种可再生能源，未来将成为主要的氢气供应商。氢能市场发展初期(2020-2025年)，化石燃料制氢和工业副产品制氢在低成本制氢结构中占据主导地位，且随着化石燃料产量的下降，这两种方式所占比重逐渐降低；

到氢能市场发展中期(2030年左右)，煤制氢结合CCS(碳捕集)技术、工业副产品和可再生能源电解水制氢将成为有效的氢气供应商，同时发展生物质制氢等其他技术。在氢能市场的长期发展中(2050年左右)，我国将形成以可再生能源为主体，以煤+CCS和生物质制氢为补充的多元化供氢格局。

中国氢气供应结构预测

来源:2019中国氢能和燃料电池产业白皮书，郑光恒生

氢气和汽油的成本平衡分析

氢气成本占氢加气站氢气售价的70%。制约氢能推广的主要原因之一是氢气价格较汽油等传统能源更高。在加氢站销售的氢气价格中，包括制氢、储运在内的氢气成本占70%，其中氢气原料价格为50%，是最重要的部分。因此，能否降低制氢成本是降低氢气价格的关键因素。

氢气成本占氢气售价的70%。

来源:郑光恒生天然气化工

2L汽油车的油耗是每百公里6-8升。按照汽油在7.3元/升的价格计算，每百公里最高燃油成本为58.4元。以丰田Mirai未来组合氢燃料电池汽车为例，其每百公里平均氢消耗量为1kg，这意味着氢的价格需要降至58.4元/kg以下才能与汽油持平，说明氢的成本需要降至29.2元/kg。由于氢气接近理想气体，根据理想气体方程PV=nRT可以估算出1Kg氢气约为11.19Nm3。因此，氢气的理想成本约为2.6元/Nm3。

1.制氢电解水

水电解制氢是用电能给水供能，破坏水分子的氢氧键，从而产生氢气的一种方法。其工艺流程简单无污染，生产效率一般为75%-85%，每立方米氢气耗电量为4-5kw·h，由于电成本约占水电解制氢总生产成本的80%，竞争力不高。更多干货请关注微信微信官方账号:氢能俱乐部。因此，水电解制氢成本的关键在于能耗。这就引出了两种降低成本的途径:一是降低电解过程中的能耗；另一种是用低成本的电作为制氢的原料。

水电解制氢工艺

路径一:降低工艺能耗，提高电解效率。

目前电解水制氢技术主要有三种:碱性电解水、质子交换膜电解水(PEM)和固体氧化物电解水(SOEC)。其中，碱性电解水是最成熟、工业化的制氢技术，但其电解效率仅为60-75%。国外开发的PEM技术和SOEC技术可以有效提高电解效率，尤其是PEM技术已经引入国内市场。

三种电解槽的性能比较

来源:制氢与热化学利用，高拱锂电池，郑光恒生

路径二:以低成本电价为制氢原料。

1.我国大型工业电价低于世界平均水平，西北地区电价最低。

与其他国家相比，中国的工业电价处于较低水平。根据2016年的统计，我国工业平均电价为0.107美元/千瓦时，位居世界第八，仅为第一名的三分之一。相对较低的电价为我国电解水制氢的发展提供了有利条件。

各国工业电价

西北地区大工业电价低。省份方面，河北省、安徽省谷峰电价均居全国第一，青海省峰谷电价均最低，全国平均谷电价为0.33元/千瓦时，峰电价为0.90元/千瓦时。西南、西北地区大工业电价普遍低于全国平均水平，更有利于发展电解水制氢，节约能源消耗。

西北省份大工业电价低。

2.西北弃风弃电可以用来电解水制氢。

我国弃风弃电问题突出，有利于电解水制氢。近年来，新能源持续快速发展已远远超过电网承载能力，新能源消费矛盾十分突出。弃风弃水的电量在逐年增加。目前我国正在大力推广可再生能源，大量废弃空气和水产生的废弃电力是发展电解水制氢的有利条件。

每个地区废弃风力发电的比例

西北地区废弃风电排名第一。随着我国可再生能源装机容量逐年增加，每年废弃的可再生能源数量惊人。2018年全国弃风弃电277亿千瓦时，其中西北地区弃风弃电166.9亿千瓦时，占全国的60.25%，其次是华北地区(占全国的33.68%)和东北地区(占全国的5.45%)。按照每立方米氢气用电量5 kWh计算，全国废弃风电可生产高纯氢气55.4亿立方米。

2018年各省废弃风量(亿千瓦时)

2018年，新疆、内蒙古、甘肃三省弃风弃电排名前三，全国平均弃风弃电率为7%，均超过10%。由于可再生资源丰富，西北省份也是电价最低的地区。

3.长期来看，低成本电力主要来自光伏和风电。

虽然我国每年都会产生大量的废弃风电，但毕竟不是解决电解水制氢成本问题的最佳选择，因为废弃风电产生的电压不稳定，难以大规模推广。从长远来看，光伏和风电是电解水制氢企业低成本电力的主要来源。

电解水制氢的成本估算

计算电解水制氢成本，假设制氢规模为1000 Nm3/h，年制氢量为100万Nm3。计算过程和假设如下:

来源:天然气、甲醇和水电解制氢的经济比较，郑光恒生

据测算，水电解制氢的设备、安装、土建等方面总投资1410万元，年电费2700万元，年总费用2954万元，对应氢气成本3.69元/Nm3。现在计算不同制氢成本下对应的电价，如下表所示。

来源:郑光恒生

估计的氢成本与电价成正比。如果要求氢气成本低于2.6元/Nm3，电价应低于0.50元/kw·h。

2.天然气制氢

甲烷蒸汽重整是天然气制氢最成熟的方法。

天然气的主要成分是甲烷(体积含量大于85%)，所以天然气制氢是甲烷。甲烷制氢的主要方法包括蒸汽制氢(SMR)、甲烷部分氧化(POX)和甲烷自热重整(ATR)。其中，甲烷水蒸气重整(SMR)是目前工业上最成熟的制氢技术，约占世界制氢量的70%，因此本文重点介绍这种降低成本的方法。

来源:氢与氢能，郑光恒生

甲烷蒸汽重整是指在催化剂存在下，在高温下，甲烷与蒸汽反应生成合成气。为防止催化剂中毒，原料天然气需要脱硫预处理至硫的质量分数小于1×10-7，然后通过重整反应制备合成气，再通过水煤气变换反应将CO进一步转化为氢气和CO2，最后通过变压吸附(PSA)脱除CO2得到氢气。

甲烷蒸汽重整示意图

来源:从碳到氢能:昨天、今天和明天，郑光恒生

甲烷水蒸气重整制氢工艺流程

降低成本要从天然气价格入手，中西部地区有价格优势。

天然气制氢，天然气成本是最大的部分，约占生产成本的45~75%(IEA)。因此，其降本策略首先要关注天然气价格。

中国天然气资源主要分布在中国西部盆地。受地质条件影响，地下天然气通常分布在集气区，我国已探明天然气储量的80%以上分布在鄂尔多斯、四川、塔里木、柴达木和英琼乌大盆地。2017年天然气产量分布数据显示，陕西、四川、新疆天然气产量占全国的73%，天然气来源分布非常集中。

2017年各省天然气产量

2017年各省天然气产量分布图

沿海地区天然气价格偏高，西北地区最低。天然气价格受资源禀赋影响较大，天然气资源丰富的地区天然气价格相对较低。非居民天然气价格正在逐步市场化。2019年3月27日，国家发展改革委公布了各省基本天然气站价格调整情况。价格调整后，上海、广东、浙江等东南沿海地区天然气价格普遍高于1.68元/千立方米的均价，而新疆、青海等西北地区天然气价格低至1.2元/千立方米左右。

各省天然气基本门站价格表(元/m3)

来源:国家发展和改革委员会、郑光恒生

天然气重整制氢的成本估算

假设制氢规模为1000 Nm3/h，年制氢量为100万Nm3。计算过程和假设如下:

天然气制氢的成本估算

来源:天然气、甲醇和水电解制氢的经济比较，郑光恒生

制氢设备、安装、土建等项目总投资1528万元，天然气年成本672万元(占总成本的62.11%)，年总成本1082.4万元，对应氢气成本1.35元/Nm3。现在计算不同制氢成本下对应的天然气价格:

3.煤制氢

煤气化制氢是最常用的煤制氢方法。

2013年，中国超过美国成为全球最大的能源消费国，其中煤炭产量为38.74亿吨标准煤。随后几年，煤炭产量略有下降，2017年为35.2亿吨，但2018年煤炭产量反弹至36.8亿吨标准煤。

煤炭可用于制备多种工业产品，其中煤制气产能由2017年的51亿立方米/年增长0.1%至2018年的51.05亿立方米/年。更多干货请关注微信微信官方账号:氢能俱乐部。这里我们主要讨论煤制氢的方法和成本。煤炭是我国生产氢气的主要原料之一，氢气可以通过多种方式生产。然而，目前中国制氢仍以煤气化为主。

三种煤制氢方法的比较

来源:郑光恒生氢能及制氢技术

煤气化制氢工艺示意图

来源:制氢技术与工艺，郑光恒生。

降低成本要从煤炭价格入手，西北有区域优势。

煤气化制氢，煤的成本占比最大，占总成本的40%~45%。因此，在制氢设备价格相对固定，工艺所需条件难以发生较大变化的基础上，降低煤气化制氢成本应从降低煤炭价格入手。

中国煤炭资源丰富，分布广泛。全国有煤炭资源32个省市(上海除外)，但区域分布极不均衡。主要格局是西部多，东部少，北方富，南方穷。其中，山西、内蒙古、陕西、新疆、贵州等5省煤炭探明储量占全国总量的81%以上，这些地区煤炭质量总体较好。从2018年上半年各省原煤产量也可以看出，内蒙古、陕西、山西三省产量占全国总量的68%，说明西北地区煤炭产量优势明显。

资料来源:国家统计局，郑光恒生

由于不同类型煤炭的价格不同，这里我们主要考察各省动力煤的价格。我们可以发现，在煤炭储量和产量较大的地区，如内蒙古、山西等省份，同类型煤炭的价格低于其他省份。根据中国煤炭市场网发布的截至2019年1月的数据，我国部分省份动力煤价格如下，其中内蒙古动力煤价格仅为360元/吨，而混煤价格为170元/吨。

内蒙古和山西动力煤价格低

来源:中国煤炭市场网、郑光恒生

煤气化制氢的成本估算

煤气化制氢成本计算中，参考了中国石化经济技术研究院2015年煤气化制氢成本分析。中国石化经济研究院成本分析中，假设煤炭价格600元/吨，水煤浆制氢装置12.4亿元，制氢规模9× 104m3/h，我们假设:

直接工资成本正以每年9%的速度增长。

其他部分，如辅助材料和设备的投资，正以每年5%的速度增长。

煤炭价格仍为600元/吨，但由于技术进步，单位产量有所增加。

虽然副产品中的二氧化碳可以注入油田，减少其加工，但由于运输等问题，应用还没有得到广泛应用。同时，近年来国家对废气排放的标准越来越严格，所以假设副产品成本不会发生变化。

煤气化制氢的成本估算

来源:中国石化经济技术研究院、郑光恒生

通过以上计算可以发现，当煤价为600元时，大规模煤气化制氢的成本为1.1元/Nm3。如果制氢地点设在内蒙古，煤价降至200元，制氢成本可能降至0.34元/Nm3。

目前煤炭资源几乎全部掌握在国家手中，煤炭价格很难大幅下降。目前，煤气化制氢的规模已经很大。随着人工成本的增加，未来很难通过规模效应降低每立方米氢气的生产成本。因此，虽然目前煤气化制氢的估算成本较低，但未来煤气化制氢的成本将受到空的限制。

4.化学副产品制氢

氯碱制氢是主要的生产方式，降低成本可以从节能降耗入手。

化工副产品制氢可分为焦炉煤气制氢、氯碱副产品制氢、丙烷脱氢和乙烷裂解等几种方式。其中，氯碱副产氢气因其工艺成本最适中、所产氢气纯度高，已成为目前化工副产中较为合适的制氢方式。

氯碱制氢是以氯化钠为原料，利用离子膜或石棉隔膜电解槽生产烧碱(NaOH)和氯气，同时获得副产氢气的工艺。然后利用PSA等技术去除氢气中的杂质，得到纯度高于99%的氢气。

氯碱制氢工艺简化流程

来源:中国产业信息网、郑光恒生

根据国家统计局数据，2018年氯碱厂产量为2620.5万吨。根据氯碱平衡表，烧碱与氢气的产量比为40:1。理论上，2018年氯碱制氢副产品制氢65.5万吨，为73.8亿Nm3氢气。

目前氯碱行业最贵的部分是电费，离子膜法生产烧碱用电量为2150 ~ 2200 kwh/t，以上部分电解水已经介绍了我国电价的基本情况，在此不再赘述。

丙烷脱氢和乙烷裂解制氢副产物在未来具有潜在优势。

2013年，丙烷开始大规模用作化工原料。当年我国进口丙烷245吨，之后进口量逐年增加到1350万吨。同时，丙烷脱氢项目也在不断发展。截至2019年1月，我国已建成的丙烷脱氢项目总产能为467万吨/年，其中山东、江苏两省处于领先地位。行业内已公布和在建的丙烷脱氢项目共45个，涉及产能2605万吨/年。如果规划和在建的丙烷脱氢项目已经建成，预计可作为副产品销售86.8万吨氢能，未来发展巨大空。氢气作为丙烷脱氢的副产物，将成为未来燃料电池汽车潜在的优势氢源之一。

中国的丙烷进口正在快速增长。

来源:中国海关总署，郑光恒生

乙烯是我国需求量最大的烯烃之一，也是合成塑料、纤维和橡胶的基本原料。中国工业信息网信息显示，近十年来，我国乙烯表观消费量快速增长，从2008年的1096万吨增长到2017年的2143万吨，复合年增长率为8%。随着乙烷裂解技术的逐渐成熟，国内企业开始布局乙烷裂解的规模化生产。预计到2021年，乙烷裂解制乙烯的乙烯产量将占近41%，氢气作为乙烷裂解的副产物之一，也将随着乙烷裂解技术的不断进步而快速增加。目前，我国计划乙烷裂解能力达到1460万吨，可作为副产品销售的氢气达到90.4万吨。因此，乙烷裂解副产物制氢与丙烷脱氢制氢相同，是未来燃料电池汽车最有前景的氢源之一。

5.相关企业简介

苏州李静:最早进入电解水制氢设备行业。

苏州李静制氢设备有限公司成立于1993年，是一家集研发、生产、销售水电解制氢设备、气体净化回收设备及各类氢能专业设备的高新技术企业。在国内水电解制氢设备市场排名第一，参与多项国家项目和国家标准。

作为国内最早进入水电解制氢设备行业的企业之一，苏州李静成立20多年来始终坚持技术创新，已成为国内制氢设备顶尖技术的典型代表。公司研发的水电解制氢设备产量范围为0.3m3/h至1000m3/h，其主要产品大型制氢设备(1000m3/h)主要用于电改气的市场需求，可有效解决弃气弃光问题。

在可再生能源制氢领域，苏州李静正在承接可再生能源制氢项目，该项目是国际知名油气企业与国内企业的合作项目。苏州李静在原有设备的基础上进行了改进，使其能够承受20%~110%的正常电流变化，以满足可再生能源的波动需求。目前，该设备已经模拟了一段时间，然后将在风电场进行测试。

郑源股份:丙烷脱氢项目有发展潜力。

公司成立于1999年，是广东广武控股集团有限公司(广东省最大的省属国有企业之一)的控股企业，经营范围包括成品油及化工品贸易、燃料油及化工品储罐、燃料油海运、码头经营等。

东莞聚正源科技有限公司是深圳聚正源的全资子公司，是120万吨丙烷脱氢制高性能聚丙烯项目的主体。近日，项目在沙田镇丽莎岛精细化工园区完成产品分离塔吊安装仪式，标志着项目建设全面进入攻坚阶段。该项目投资105亿元，用地面积984亩，是广东省重点建设项目。根据计划，该项目分为两个阶段。项目一期年产氢2.8万吨，二期年产氢15万至20万吨，可保障广东省氢能汽车的能源供应。

联合氢能:华南最大的制氢企业之一

广东连岳氢能有限公司于2017年6月30日在广东省云浮市注册成立。公司是华南地区大型能源燃气公司，专注于氢产品的生产和销售。拥有行业先进的设备和技术，强大的技术优势，以及多年来在制氢、输氢领域积累的丰富经验。公司占地面积5000平方米，每小时生产能力1000立方米。是华南地区最大的专业化氢气生产经营企业之一。目前已分别在江门、赣州、郴州、云浮投资建设了4座氢能工厂。