摘要

氫能具有質量能量密度大、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、推動產業(yè)升級、實現高質量發(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，全球范圍內應用廣泛，原料價格對成 本 影 響 較 大；對于工業(yè)副產氫，現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。聯合國工業(yè)發(fā)展組織已經將氫能定義 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，一種真正的范式轉換”［１］。根據國際能源署（ＩＥＡ）數據，２０２０年全球氫氣總產量高達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，我國氫能產業(yè)正在快速發(fā)展，中 國 氫 能 聯 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企業(yè)，年 產氫氣約４．４５Ｍｔ，近日全球最大的光伏綠氫生產項目在庫車啟動，２０２３年建成后將年產氫氣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)展氫能交通的產業(yè)基礎和網絡優(yōu)勢，截至２０２１年底現已建成加氫站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 市 場 中 占 據 了 最 大 的 份 額，約 占總氫氣產量的５０％［５－６］。（需要資料的請?zhí)砑觪dbang11聯系小編）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 國 產 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)計數據不同）［８］，碳排放交易對天然氣制氫的經濟性影響見表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 很 成 熟，生產成本下降空間有限，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 濟”。雖然 如 此，但 由 于 煤 制氫綜合成本 較 低，現 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 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 據 不 同）［１０］，碳 排 放 交 易 對煤制氫的經 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)副產氫

工業(yè) 副 產 氫 主 要 有 ４ 類，分 別 是 鋼 鐵 行 業(yè)的 焦 爐 煤 氣 副 產 氫，氯堿行業(yè)的電解氯化鈉水溶 液 副 產 氫，丙 烷 脫 氫（ＰＤＨ）、乙烷脫氫等輕質烷 烴 脫 氫 副 產 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 氫。中 國 每 年 工 業(yè) 副 產 氫 規(guī) 模 在 ９．０～１０．０ Ｍｔ之間［１１］。雖然 工 業(yè) 副 產 氫 的 生 產 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 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 濟 性。所 有 副 產 氫 中ＰＤＨ、乙烷 脫 氫、氯 堿 副 產 氫 等 副 產 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，丙烯總產能達到１０．７５ Ｍｔ/ａ，副產 氫 產 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氫規(guī)模更大，預計２０２２年乙烷裂解項目副產氫總產能達到了０．９２ Ｍｔ/ａ，可以滿足超過２５萬輛氫燃料電池汽車用氫需求。

根據統(tǒng)計，副產氫提純到燃料電池 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 氫屬于“藍氫”，“碳稅”不計入氫氣生產中，未來成本變化有限。

中國石化副產氫以煉化企業(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 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 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 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 綠 氫 的 生 產 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。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 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 氫，雖 由 于是副產物，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 氫 的 成 本，當 前 階段作為“藍氫”的工業(yè)副產氫最具市場競爭力。電解水制氫，目 前 已 經 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，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 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業(yè)鏈、提升氫能產業(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。