开通VIP，畅享免费电子书等14项超值服
首页
好书
留言交流
下载APP
联系客服
2021.11.24
在碳中和背景下,氢能是新能源领域中与油气行业现有业务结合最紧密的一类，也是帮助油气行业早日实现碳达峰、碳中和的最佳路径之一。
氢能市场前景广阔，电解水制氢是未来发展重点，当期制氢方式主要有四种：化石燃料制氢、工业副产物制氢、电解水制氢、生物质制氢及其他。其中化石燃料制氢与工业副产物制氢凭借较低的成本占据制氢结构的主体地位，然而随着化石燃料产量下降、可持续发展理念的深化，氢能俱乐部氢能市场在远期（2050年左右）将形成以可再生能源为主体、煤制氢+CCS（碳捕获）与生物质制氢为补充的多元供氢格局。为测算与汽油价格相比具有竞争力的氢气售价，本文将氢气的理想成本定为2.6元/Nm3。
本文观点
由于电费占整个水电解制氢生产费用的80%左右，因此水电解制氢成本的关键在于耗能问题。存在两条降成本途径：一是降低电解过程中的能耗，可通过开发PEM（质子交换膜电解）及SOEC（固体氧化物电解）技术来实现；二是采用低成本电力为制氢原料，关键在于依靠光伏和风电的发展。以大工业电价均价0.61元/kW·h计算，当前电解水制氢的成本为3.69元/Nm3。当用电价格低于0.50元/kW·h时，电解水制备的氢气成本才可与汽油相当。光伏系统发电成本0.5930元/kWh，风电度电成本约为0.3656元/kWh，且在未来仍有一定的下降空间。
日本福岛县太阳能制氢项目（全球最大的光伏制氢项目）
天然气制氢中的甲烷水蒸气重整（SMR）是工业上最为成熟的制氢技术，约占世界制氢量的70%（IEA数据）。我国天然气价格受资源禀赋影响，天然气资源主要分布集中的中西盆地也是价格最低的地区。尤其是新疆、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。据测算，当天然气价格为2元/Nm3时，测算出制氢成本为1.35元/Nm3，相比电解水制氢具有明显的成本优势。
天津石化10万标立/时天然气制氢装置
我国煤炭资源主要的格局是西多东少、北富南贫。内蒙古、山西原煤产量领先，煤价也相对偏低。当煤炭价格为600元时，大规模煤气化生产氢气的成本为1.1元/Nm3。如果在煤资源丰富的地区，当煤炭价格降低至200元/吨时，制氢气的成本可能降低为0.34元/Nm3。但由于煤炭价格下降空间有限，且煤气化制氢企业已形成较大规模，未来煤制氢降成本空间较小。
茂名石化投建的国内单产能力最大的煤制氢装置
化工副产物制氢的成本难以单独核算。目前我国规划和在建的丙烷脱氢项目预计可以副产并外售86.8万吨氢。我国规划中的乙烷裂解产能达到1460万吨，可以副产并外售的氢气达到90.4万吨。
中国化学工程第三建设有限公司承建的全球单套产能最大的丙烷脱氢项目
氢能：未来动力系统的替代能源
与传统化工燃料汽油、柴油相比，氢能具有三大优势。
一是较高的含能特性：除核燃料外，氢的燃烧热值据所有化工燃料榜首，燃烧1kg氢可放出12MJ（28.6Mcal）的热量，约为汽油的三倍。
二是较高的能源转化效率：氢能可以通过燃料电池直接转变为电，过程中的废热可以进一步利用，其效率可达到83%。氢气燃烧不仅热值高，而且火焰传播速度快，点火能量低，所以氢能汽车比汽油汽车总的燃料利用效率可高20%。
三是碳的零排放：与化石能源的利用相比，氢燃料电池在产生电能的过程中不会产生碳排放，可以实现良性循环。
氢的燃烧热值居所有化工燃料榜首
以汽油内燃机的综合热效率和CO2排放量为基准来对比。氢燃料电池的综合热效率最高，同时CO2排放量少，是替代石油供给车辆动力的最佳燃料。
氢燃料电池的综合热效率最高且CO2排放量少
目前以四类制氢方式为主：化石燃料制氢、工业副产物制氢、电解水制氢、生物质及其他制氢方式。虽然制氢方法多样，但各存优劣。
从制氢成本方面看，煤制氢和天然气制氢成本相对更低。就目前四类制氢方式来说，天然气制氢经济性最显著。
几种制氢方式对比
可再生能源电解水制氢将上升为未来供氢主体。在氢能市场发展初期（2020-2025年），化石燃料制氢与工业副产物制氢凭借较低的成本占据制氢结构的主体地位，随着化石燃料产量下降，这两种方式占比逐渐下降；
到氢能市场发展中期（2030年左右），煤制氢配合CCS（碳捕获）技术、工业副产物、可再生能源电解水制氢将成为有效供氢主体，同时开发生物质制氢等其他技术；在氢能市场发展远期（2050年左右），我国将形成以可再生能源为主体、煤制氢+CCS与生物质制氢为补充的多元供氢格局。
中国氢气供给结构预测
氢气成本占加氢站氢气售价的70%。制约氢能推广的一个主要原因是氢气相比汽油等传统能源更高的价格。加氢站销售的氢气价格中，包括制氢和储运氢气在内的氢气成本占70%，其中氢气原材料的价格为50%，是最重要的一部分，因此制氢环节能否降低成本是降低氢气售价的关键因素。
氢气成本占氢气售价的70%
2L汽油车百公里耗油为6—8升，按照7.3元/L的汽油售价，百公里燃料费用最多为58.4元。以丰田Mirai氢燃料电池汽车为例，其百公里氢耗平均水平为1kg，意味着氢气的售价需降到58.4元/kg以下才可与汽油等同，说明氢气成本需降到29.2元/kg。由于氢气接近理想气体，根据理想气体方程PV=nRT可估算出1Kg氢气约为11.19Nm3。因此氢气的理想成本大约是2.6元/Nm3。
1、电解水制氢
电解水制氢过程
目前主流的电解水制氢技术有三种类型：包括碱性电解水制氢、质子交换膜电解水(PEM)制氢和固态氧化物电解水(SOEC)制氢，其中碱性电解水制氢是最为成熟、产业化程度最广的制氢技术，但其电解效率仅为60-75%，国外研发的PEM技术与SOEC技术均能有效提高电解效率，尤其是PEM技术已引入国内市场。
三种电解池性能对比
1.我国大工业电价低于世界平均水平，国内西北地区电价最低
与其他国家相比，我国工业电价位于中低水平。根据2016年统计数据，我国工业电价平均为0.107美元/千瓦时，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发展电解水制氢提供了有利条件。
各国工业电价
西北地区大工业电价偏低。分省份来看，波谷、波峰电价在全国排名第一的分别是河北省和安徽省，青海省无论是波峰还是波谷电价均为最低，全国波谷电价平均为0.33元/千瓦时，波峰电价平均为0.90元/千瓦时。西南地区、西北地区的大工业用电价格普遍在全国平均线以下，对于发展电解水制氢节约能耗更为有利。
西北地区省份大工业电价偏低
2.西北地区弃风弃电可用于电解水制氢
我国弃风弃电问题突出，利好电解水制氢。近年来，新能源的持续快速发展已经远远超过电网承载能力，新能源消耗矛盾十分突出。弃风、弃水电量呈逐年增加趋势。我国目前正大力推进可再生能源，由大量弃风、弃水产生的弃电是发展电解水制氢的有利条件。
各地区弃风电量比例
西北地区弃风弃电量居首位。随着我国可再生能源装机量逐年增长，每年可再生能源弃电量惊人。2018年我国全国弃风弃电量277亿千瓦时，其中西北地区为166.9亿千瓦时，占全国的60.25%，其次是华北地区（占全国33.68%），东北地区占少量份额（全国5.45%）。如果按照每立方氢气耗电5千瓦时来计算，全国弃风电量可生产55.4亿立方高纯度氢气。
2018年各省弃风量（亿千瓦时）
2018年弃风弃电量排名前三的省份分别为新疆、内蒙古和甘肃，全国平均弃风弃电率为7%，这三个省份均超过了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
为测算电解水制氢的成本，假定制氢规模1000Nm3/h，年产氢100万Nm3。测算过程及假设如下表：
测算据测算，水电解制氢设备、安装、土建及其他总投资1410万元，每年用电等费用为2700万元，每年成本合计2954万元，对应氢气成本3.69元/Nm3。现分别计算不同制氢成本情况下，对应的用电价格，如下表所示。
测算氢气成本与用电价格成正比关系，如果要求氢气成本低于2.6元/Nm3，则用电价格要低于0.50元/kW·h。
2、天然气制氢
天然气的主要成分是甲烷（体积含量大于85%），因此一般说的天然气制氢就是甲烷制氢。甲烷制氢方法主要有甲烷水蒸气制氢（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）是工业上最为成熟的制氢技术，约占世界制氢量的70%，因此本文重点针对此方法进行降成本测算。
甲烷水蒸气重整是指在催化剂存在及高温条件下，使甲烷与水蒸气发生反应生成合成气。为防止催化剂中毒，原料天然气需进行脱硫预处理至硫的质量分数小于1×10-7，然后经过重整反应制备合成气，再经过水煤气变换反应将CO进一步转化为氢气和CO2，最后将CO2通过变压吸附（PSA）脱除得到氢气。
甲烷水蒸气重整示意图
甲烷水蒸气重整制氢工艺流程
我国天然气资源主要分布在中西盆地。受地质条件影响，地下天然气通常呈聚集区分布，我国天然气探明储量的80%以上分布在鄂尔多斯、四川、塔里木、柴达木和莺—琼五大盆地。从2017年天然气产量分布数据来看，陕西、四川、新疆三个省份的天然气产量占全国的73%，天然气气源分布十分集中。
2017年各省份天然气产量
2017年各省份天然气产量分布图
沿海地区天然气价格偏高，西北地区价格最低。天然气价格很大程度上受资源禀赋的影响，天然气资源丰富的地区，价格相应偏低。非居民天然气价格目前正在逐步市场化。2019年3月27日，国家发改委宣布调整各省天然气基本门站价格，经价格调整后，上海、广东、浙江等东南沿海地区天然气价格普遍高于平均价1.68元/立方米，新疆、青海等西北地区价格则低至1.2元/立方米左右。
各省天然气基本门站价格表（元/m3）
假定制氢规模1000Nm3/h，年产氢100万Nm3。测算过程及假设如下：
天然气制氢成本测算
天然气制氢设备、安装、土建及其他总投资1528万元，每年天然气费用为672万元（占总成本的62.11%），每年成本合计1082.4万元，对应氢气成本1.35元/Nm3。现分别计算不同制氢成本情况下，对应的天然气价格：
3、煤制氢
2013年，我国超过美国成为世界第一大能源消费国，其中煤炭产量为38.74亿吨标煤，之后几年煤炭产量略微走低至2017年的35.2亿吨，但2018年煤炭产量有所回升至36.8亿吨标煤。
三种煤制氢方法的比较
煤气化制氢工艺流程简图
对于煤气化制氢来说，煤炭成本占比最大，能够占到总成本的40%~45%，因此在制氢设备价格较为固定，流程中所需条件难以大幅度改变的基础下，降低煤气化制氢成本应该从降低煤炭价格入手。
我国煤炭资源较为丰富且分布广泛，全国32个省市（除上海外）都有煤炭资源，但是区域分布极不均衡，主要的格局是西多东少、北富南贫。其中山西、内蒙古、陕西、新疆、贵州等五省煤炭探明储量占全国比重达到81%以上，且这些地区的煤质普遍较好。由2018年上半年全国各省分原煤产量也可以看出，内蒙古、陕西、山西三个省市产量占全国的68%，由此可见西北部煤炭产量具有明显优势。
内蒙古和山西动力煤价格偏低
在对煤气化制氢成本的测算中，参考中石化经济技术研究院2015年对煤气化制氢成本的分析，在中石化经济研究院的成本分析中假定煤炭的价格是600元/吨，水煤浆制氢装置为12.4亿元，生产的氢气规模为9×104m3/h。我们假定：
煤气化制氢成本测算
通过上述测算，我们可以发现当煤炭价格为600元时，大规模煤气化生产氢气的成本为1.1元/Nm3。如果将制氢场所定在内蒙古，煤炭价格降低为200元时，制氢气的成本可能降低为0.34元/Nm3。
由于目前煤炭资源几乎全部掌握在国家手中，煤炭价格难以有大幅度的下降。并且现今煤气化制氢的规模已经较大，在人工费用逐渐增长的情况下，未来很难通过规模效应来减少每立方米氢气的生产成本。因此虽然目前通过测算所得的煤气化制氢的成本较低，但未来煤气化制氢成本的下降空间有限。
4、化工副产品制氢
化工副产品制氢主要可以分为焦炉气制氢、氯碱副产品制氢、丙烷脱氢和乙烷裂解等几种方式，其中氯碱副产品制氢的由于工艺成本最为适中且所制取的氢气纯度较高等优势，成为目前化工副产品中较为适宜的制氢方式。
氯碱制氢是以食盐水（NaCl）为原料，采用离子膜或者石棉隔膜电解槽生产烧碱（NaOH）和氯气，同时得到副产品氢气的工艺方法。之后再使用PSA等技术去除氢气中的杂质即可得到纯度高于99%的氢气。
氯碱制氢工艺简化流程
国家统计局的数据显示，2018年氯碱厂的产量为2620.5万吨，根据氯碱平衡表，烧碱与氢气的产量配比为40:1，理论上2018年氯碱副产品制氢产生了65.5万吨氢气，即73.8亿Nm3的氢气。
目前氯碱工业中成本最高的部分是用电成本，使用离子膜法生产烧碱所需的电耗2150~2200kWh/t。上面电解水部分已经对我国电价的基本情况进行了介绍，这里就不做赘述。
2013年，丙烷开始作为化工原料被大规模使用，当年中国进口丙烷数量为245吨，其后进口量逐年上升至1350万吨。与此同时，丙烷脱氢项目也在不断发展。截止2019年1月，我国已经建成的丙烷脱氢项目共计生产能力467万吨/年，其中山东和江苏两个省份处于领先位置。行业内已经公布的规划和在建的丙烷脱氢项目共计45个，涉及生产能力2605万吨/年。若规划和在建的丙烷脱氢项目都已完成，预计可以副产并外售86.8万吨氢能，未来发展空间巨大，丙烷脱氢副产的氢气成为未来潜在具有优势的燃料电池车用氢源选择之一。
中国丙烷进口量增长迅速
乙烯是中国需求量最大的烯烃之一，是合成塑料、纤维和橡胶的基础原料。根据中国产业信息网的信息，过去十年我国的乙烯表观消费快速增长，从2008年的1096万吨增长到2017年的2143万吨，年均复合增长率为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大规模生产，预计到2021年，乙烷裂解生产乙烯的乙烯产量将占比接近41%，而氢气作为乙烷裂解的副产品之一，也会随着乙烷裂解技术的不断进步而产量快速增长。目前我国规划中的乙烷裂解产能达到1460万吨，可以副产并外售的氢气达到90.4万吨。所以乙烷裂解副产品制氢同丙烷脱氢制氢相同，都是未来潜在最具优势的燃料电池车用氢源选择之一。
苏州竞立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、气体纯化、回收设备及各种类型的氢能专业设备于一体的高新技术企业，在国内水电解制氢设备市场排名领先，并参与多个国家项目和参与制定多项国家标准。
作为国内最早一批进入水电解制氢设备行业的企业，苏州竞立成立二十多年以来，始终坚持技术创新，成为国内制氢设备顶尖技术的典型代表。公司研制的水电解制氢设备产量范围从0.3m3/h至1000m3/h，其主要产品大型制氢设备（1000m3/h）主要用于电转气的市场需求，可有效解决弃风、弃光等问题。
公司成立于1999年，是广东省广物控股集团有限公司（广东最大的省属国有企业之一）的控股企业，公司的业务范围包括成品油及化工品贸易、燃油及化工品储罐、燃料油船运、码头运作业务等。
东莞巨正源科技有限公司是深圳巨正源的全资子公司，也是120万吨丙烷脱氢制高性能聚丙烯项目的实施主体。近日，该项目在沙田镇立沙岛精细化工园区完成了产品分离塔吊装仪式，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，按计划，该项目分为两期建设，一期项目每年可产氢气2.8万吨，二期项目建成后可形成15~20万吨/年的氢气产能，可以保障广东省全省氢能源汽车的能源供应。
广东联悦氢能有限公司于2017年6月30日在广东省云浮市注册成立。公司是南中国地区较大的、专注于氢气产品生产和销售能源气体公司，拥有行业先进、领先的设备和工艺，在制氢、运氢领域拥有较强的技术优势和多年积累的丰富经验。公司占地面积5000平米，每小时产能可达1000m3，是华南地区最大的氢气专业生产经营企业之一。目前已经在江门、赣州、郴州和云浮分别投资建设了4座氢气工厂。