工业制氢（四大制氢方式及降成本途径）

工业制氢(四种制氢方法和降低成本的方法)

碳中和背景下，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，中石化计划在“十四五”期间建设1000座加氢站或油氢联合站，成为行业热点:中石化计划在“十四五”期间未来建设1000座加氢站！附上目前国内加氢站的布局、标准和市场规范。今天工艺君跟大家分享以下制氢技术的深度文章。欢迎阅读。

氢能的市场前景广阔，电解水制氢是未来发展的重点。目前制氢主要有四种方式:化石燃料、工业副产品、电解水、生物质和其他。其中化石燃料制氢和工业副产制氢占据制氢结构的主要位置，成本较低。但随着化石燃料产量的下降和可持续发展理念的深入，氢能俱乐部的氢能市场将在远期(2050年左右)形成以可再生能源为主体，煤制氢+CCS(碳捕集)和生物质制氢为补充的多元化供氢格局。为了计算氢气相对于汽油的竞争性销售价格，氢气的理想成本确定为2.6元/Nm3。

本文的观点

电解水成本高，降成本主要靠电价。

由于电成本约占水电解制氢总生产成本的80%，所以水电解制氢成本的关键在于能耗。降低成本有两个途径:一是降低电解过程中的能耗，可以通过发展PEM(质子交换膜电解)和SOEC(固体氧化物电解)技术来实现；第二，利用低成本的电力作为制氢的原料，关键在于发展光伏和风电。以大型工业平均电价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持平。系统光伏发电成本为0.5930元/度，风力发电成本约为0.3656元/度，未来仍将下降空。

福岛县太阳能制氢项目(世界上最大的光伏制氢项目)

天然气制氢是目前制氢的主要方式，降低成本应关注天然气价格。

天然气生产中的甲烷蒸汽转化(SMR)是工业上最成熟的制氢技术，约占世界氢气产量的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的中西部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。根据计算，当天然气价格为2元/Nm3时，制氢成本预计为1.35元/Nm3，与电解水相比具有明显的成本优势。

天津石化10万标准立方米/小时天然气制氢装置

煤制氢成本最低，成本降低空更小。

中国煤炭资源的主要格局是西多东少，北富南穷。内蒙古和山西的原煤产量领先，煤价相对较低。煤价600元时，大规模煤气化制氢成本为1.1元/Nm3。在煤炭资源丰富的地区，当煤炭价格降至200元/吨时，制氢成本可能降至0.34元/Nm3。但由于煤炭降价空幅度有限，且煤气化制氢企业规模较大，未来煤制氢成本下降空幅度较小。

茂名石化投资建设了中国最大的煤制氢装置。

丙烷脱氢和乙烷裂解制氢具有潜力。

很难计算从化学副产品中制氢的成本。目前，中国规划和在建的丙烷脱氢项目预计将产生副产品并销售86.8万吨氢气。中国规划的乙烷裂解产能将达到1460万吨，可作为副产品出售的氢气将达到90.4万吨。

中国化学工程第三建设有限公司承担了世界上最大的丙烷脱氢项目。

氢能: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，氢能有三大优势。

一是能量含量高:除核燃料外，氢气的燃烧热值居所有化学燃料之首。燃烧1kg氢气可释放12MJ(28.6Mcal)的热量，约为汽油的3倍。

二、能量转化效率高: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，其效率可达83%。氢气燃烧不仅热值高，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高20%。

三、碳的零排放: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。

氢气的燃烧热值居所有化学燃料之首。

资料来源:前瞻产业研究院和郑光恒生。

对汽油内燃机的综合热效率和CO2排放进行了比较。氢燃料电池具有最高的综合热效率和较少的CO2排放，是替代石油为汽车提供动力的最佳燃料。

氢燃料电池具有最高的综合热效率和较少的CO2排放。

资料来源:氢和氢能源，郑光恒生

四种制氢方法各有优缺点，天然气制氢是主要来源。

目前的制氢方法有四种:化石燃料、工业副产品、电解水、生物质和其他制氢方法。虽然制氢方法多种多样，但各有利弊。

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。此外，产品中的二氧化碳等温室气体降低了其环保性。

工业尾气制氢:利用工业产品的副产品，成本低。但以焦炉气制氢为例，不仅受原料供应制约，还要依赖焦化企业，而且原料有污染。

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:技术尚不成熟，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，天然气是最经济的。

几种制氢方法的比较

来源:网络数据整理。

目前，天然气制氢仍是我国最主要的制氢来源，占制氢总量的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

在未来，主要的氢供应商将是电解水来生产氢。

水电解制氢是一种可再生能源，将成为未来主要的氢气供应商。在氢能市场发展初期(2020-2025年)，化石燃料制氢和工业副产品制氢占据了成本较低的制氢结构的主要位置。随着化石燃料产量的下降，这两种方式的比重逐渐下降；

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、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、煤制氢+CCS、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:郑光恒生《2019中国氢能和燃料电池产业白皮书》

氢气和汽油的成本平衡分析

氢气的成本占加氢站氢气销售价格的70%。制约氢能普及的一个主要原因是氢气与汽油等传统能源相比价格较高。加氢站销售的氢气价格中，氢气包括氢气生产、储存和运输的成本占70%，其中氢气原料价格占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。

氢气的成本占氢气销售价格的70%。

资料来源:天然气化工，郑光恒生

2L汽油车百公里油耗6-8升。按照7.3元/L的汽油价格，百公里油费最多58.4元。以丰田Mirai未来组合氢燃料电池车为例，其平均百公里耗氢量为1kg，这意味着氢的价格需要降到58.4元/kg以下才能与汽油持平，说明氢的成本需要降到29.2元/kg。由于氢气接近理想气体，根据理想气体方程式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.水电解制氢

水电解制氢是利用电能向水提供能量，打破水分子的氢氧键来制氢的方法。工艺简单无污染，生产效率一般为75%-85%，每立方米氢气电耗为4-5 kW·h，由于电费占水电解制氢总生产成本的80%左右，竞争力不高。更多干货请关注微信微信官方账号:氢会。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，二是使用低成本的电力作为制氢的原料。

电解水制氢工艺

路径一:降低工艺能耗，提高电解效率。

目前主流的电解水制氢技术有三种: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，水的碱性电解是最成熟和工业化的制氢技术，但其电解效率只有60-75%。国外开发的质子交换膜技术和SOEC技术都能有效提高电解效率，尤其是质子交换膜技术已经引入国内市场。

三种电解槽的性能比较

资料来源:制氢和热化学利用，高科技锂电池，郑光恒生。

路径二:利用低成本电价作为制氢原料。

1.中国大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，中国工业电价平均为0.107美元/千瓦时，排名世界第八，仅为第一的三分之一。相对低廉的电价为电解水制氢在中国的发展提供了有利条件。

各国工业电价

西北大工业电价低。分省份来看，谷峰电价分别排在河北省和安徽省第一位。青海省峰谷电价最低，全国谷电价平均0.33元/千瓦时，峰电价平均0.90元/千瓦时。西南、西北地区大工业用电价格普遍低于全国平均水平，对发展电解水制氢、节约能耗更为有利。

西北省份大工业电价低。

2.西北弃风弃电，可电解水制氢。

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，新能源消纳矛盾十分突出。弃水弃风电量逐年增加。目前我国正在大力推广可再生能源，大量弃风弃水造成的弃电是电解水制氢发展的有利条件。

各地区弃风比例

西北弃风弃电排第一。随着我国可再生能源装机逐年增加，每年丢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%)。如果每立方米氢气用电量为5千瓦时，全国弃风发电可生产55.4亿立方米高纯氢气。

2018年各省废弃风量(亿千瓦时)

2018年，风电弃风前三的省份分别是新疆、内蒙古和甘肃，全国平均风电弃风率为7%，均超过10%。由于可再生资源丰富，西北各省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。

虽然我国每年产生大量的弃风弃电，但由于弃风弃电产生的电压不稳定，难以大规模推广，解决电解水制氢的成本问题并不是最佳选择。从长远来看，光伏和风电是电解水制氢企业低成本用电的主要来源。

电解水制氢的成本计算

为了计算电解水制氢的成本，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:

资料来源:天然气、甲醇和水电解制氢的经济比较，郑光恒生

根据计算，水电解制氢设备、安装、土建及其他总投资1410万元，年用电量2700万元，年总成本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。

资料来源:郑光恒生

氢气成本与电价成正比。如果要求氢气成本低于2.6元/Nm3，则电价应低于0.50元/kW·h。

2.天然气制氢

甲烷蒸汽重整是从天然气制氢的最成熟的方法。

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。甲烷生产的主要方法有甲烷蒸汽制氢(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)是工业上最成熟的制氢技术，约占世界氢气产量的70%。因此，本文重点研究这种方法的成本降低计算。

资料来源:氢和氢能源，郑光恒生。

甲烷水蒸气重整是指甲烷和水蒸气在催化剂的存在下，在高温下反应生成合成气。为防止催化剂中毒，原料天然气应脱硫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:从碳到氢能源:昨天、今天和明天，郑光恒生

甲烷水蒸气重整制氢工艺流程

降成本要从天然气价格入手，中西部地区有价格优势。

对于从天然气制氢，天然气的成本是最大的部分，约占生产成本的45~75%(IEA)。因此，其降低成本的策略首先要关注天然气的价格。

中国的天然气资源主要分布在中西部盆地。受地质条件影响，地下天然气通常分布在一个聚集区。中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%，天然气气源分布非常集中。

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，西北地区价格最低。天然气的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，天然气价格相应较低。非居民天然气价格正在逐步市场化。2019年3月27日，国家发改委宣布调整各省基础天然气加气站价格。调价后，上海、广东、浙江等东南沿海地区天然气价格普遍高于均价1.68元/千立方米，新疆、青海等西北地区则低至1.2元/千立方米。

各省天然气基本门站价格表(元/m3)

资料来源:国家发改委、郑光恒生

天然气重整制氢的成本计算

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:

天然气制氢的成本计算

资料来源: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、土建等各方面总投资1528万元，年天然气费用672万元(占总费用的62.11%)，年总费用1082.4万元，对应氢气费用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

煤气化是从煤中生产氢气最常用的方法。

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，2017年煤炭产量小幅下降至35.2亿吨，但2018年煤炭产量回升至36.8亿吨标准煤。

煤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:氢会。这里主要讨论煤制氢的方法和成本。煤是我国制氢的主要原料之一，制氢的方法多种多样。然而，煤气化是目前中国制氢的主要方式。

三种煤制氢方法的比较

资料来源:氢能和制氢技术，郑光恒生

煤气化制氢工艺流程图

资料来源:制氢工艺与技术，郑光恒生

降成本要从煤价入手，西北有区域优势。

煤气化制氢，煤的成本占的比重最大，占总成本的40%~45%。因此，在制氢设备价格相对固定、工艺所需条件难以大幅度改变的基础上，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。32个省市(除上海和海外)都有煤炭资源，但地区分布极不均匀。主要格局是西多东少，北富南穷。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的81%以上，这些地区的煤炭质量总体较好。从2018年上半年各省原煤产量也可以看出，内蒙古、陕西、山西产量占全国的68%，可见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。

因为不同种类的煤价格不一样，这里主要考察各省的动力煤价格，可以发现在煤炭储量和产量较多的地区，如内蒙古、山西等地，同种煤的价格低于其他省份。中国煤炭市场网发布的截至2019年1月的数据显示，全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。

内蒙古和山西的动力煤价格较低。

来源:中国煤炭市场网和郑光恒生。

煤气化制氢的成本计算

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

直接工资成本每年增长9%。

其他部分，如辅助材料和设备的投资，每年以5%的速度增长。

煤炭价格还是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，这种应用并没有大规模应用。同时，近年来国家对尾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。

煤气化制氢的成本计算

资料来源:中国石化经济技术研究院和郑光恒生。

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。如果制氢场地设在内蒙古，煤价降到200元，制氢成本可能降到0.34元/Nm3。

目前由于几乎所有的煤炭资源都掌握在国家手中，煤价很难有大幅度的下降。目前，煤气化制氢的规模已经很大。随着人工成本的增加，未来很难靠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成本较低，但未来煤气化制氢成本有限空。

4.化学副产品制氢

氯碱是主要生产方式，降低成本可以从节能降耗入手。

化工副产品制氢可分为几种方式，如焦炉煤气制氢、氯碱副产品制氢、丙烷脱氢和乙烷裂解等。其中氯碱副产物制氢因其工艺成本适中，氢气纯度高，成为目前化工副产物中较为合适的制氢方式。

氯碱制氢是以盐水(NaCl)为原料，利用离子交换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方法。然后利用PSA等技术去除氢气中的杂质，可以得到纯度高于99%的氢气。

氯碱制氢工艺的简化流程

资料来源:中国工业信息网和郑光恒生。

国家统计局数据显示，2018年氯碱厂产量2620.5万吨。根据氯碱平衡表，苛性钠与氢气产量的比例为40:1。理论上，2018年氯碱副产物制氢生产了65.5万吨氢气，即73.8亿Nm3氢气。

目前氯碱行业成本最高的是电费。离子膜法生产烧碱所需电耗为2150 ~ 2200 kWh/t，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在未来具有潜在的优势。

2013年，丙烷作为化工原料开始大规模使用。当年中国进口丙烷245吨，此后进口量逐年增加至1350万吨。与此同时，丙烷脱氢项目也在发展。截至2019年1月，我国已建成丙烷脱氢项目总产能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计45个，涉及产能2605万吨/年。若规划和在建的丙烷脱氢项目全部建成，预计可副产86.8万吨氢能并对外销售，未来发展空间巨大。丙烷脱氢副产物氢气将成为未来燃料电池汽车潜在的优势氢气源之一。

中国的丙烷进口正在快速增长。

资料来源:中国海关总署、郑光恒生指数

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。根据中国工业信息网的信息，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，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规模化生产。预计到2021年，乙烷裂解制乙烯的乙烯产量将占到近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，中国计划的乙烷裂解产能达到1460万吨，可作为副产品出售的氢气达到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利的氢源之一。

5.相关企业简介

苏州李静:率先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，是集R&D、生产和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为一体的高新技术企业。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多项国家标准的制定。

苏州李静作为国内最早进入电解水制氢设备行业的企业之一，二十多年来一直坚持技术创新，成为国内制氢设备顶尖技术的典型代表。公司研发的水电解制氢设备产量范围从0.3m3/h到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，可有效解决弃风弃光问题。

在可再生能源制氢领域，苏州李静正在承接一家国际知名油气企业和一家国内企业的可再生能源制氢项目。苏州李静在原有设备的基础上进行了改进，使其能够承受正常电流的20%~110%的变化，以满足可再生能源的波动需求。目前设备已经模拟了一段时间，接下来会在风电场进行测试。

聚源股份:丙烷脱氢项目有发展潜力。

公司成立于1999年，是广东广物控股集团有限公司(广东最大的省属国企之一)的控股公司。公司经营范围包括成品油及化工产品贸易、燃料油及化工储罐、燃料油海运、码头作业等。

东莞聚正源科技有限公司是深圳聚正源的全资子公司，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关键阶段。该项目投资105亿元，占地984亩，是广东省重点建设项目。根据计划，这个项目分为两个阶段。一期每年可生产氢气2.8万吨，二期每年可生产氢气15-20万吨，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。该公司是华南地区的大型能源和天然气公司，专注于氢气产品的生产和销售。在制氢和氢运输领域拥有业内先进的设备和技术，强大的技术优势和多年积累的丰富经验。公司占地面积5000平方米，每小时产能1000m3，是华南地区最大的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座制氢装置。