集中式制氢技术进展及成本分析

摘要

氢能具有质量能量密度大、来源多样化、应用场景丰富、终端零排放等特点，在保障国家能源安全、应对气候变化、推动产业升级、实现高质量发展等方面具有重要意义。本文重点介绍集中式制氢的主要类型，包括天然气制氢、煤制氢、工业副产氢和电解水制氢，并分析其制氢成本。对于煤制氢和天然气制氢，技 术 比 较 成熟，全球范围内应用广泛，原料价格对成 本 影 响 较 大；对于工业副产氢，现阶段最具市场竞争力；对 于 电 解 水 制氢，发展潜力最大，若与可再生能源结合，生产的氢气属于“绿氢”，更符合未来绿色能源需求。

关键词

氢能 集中式制氢 制氢成本 加氢站

引言

氢能作为二次能源中最佳碳中和载体，受 到国际社会普遍关注。联合国工业发展组织已经将氢能定义 为“在 高 效 的 能 源 储 存 领 域 尤 其 是 在 工业规模可再 生 能 源 储 存 领 域，一种真正的范式转换”［１］。根据国际能源署（ＩＥＡ）数据，２０２０年全球氢气总产量高达７０ Ｍｔ。目前 氢 气 主 要 用 于 合 成氨、石油 炼 化 和 合 成 甲 醇［２－３］。在 政 府 大 力 支 持下，我国氢能产业正在快速发展，中 国 氢 能 联 盟预 计到２０３０年，我国氢气需求将达到３７．１５Ｍｔ，占终端能源 需 求 的 约５％，其中交通能源需求约１．５６Ｍｔ；到２０６０年，氢气需求约为１３０Ｍｔ，在终端能源需求中的比例提升至约２０％，其中 交 通 能源需求提升至约４０．５１ Ｍｔ［４］。

中国石化是我国最大的氢气生产企业，年 产氢气约４．４５Ｍｔ，近日全球最大的光伏绿氢生产项目在库车启动，２０２３年建成后将年产氢气２０ｋｔ，开启了绿氢炼化新发展示范模式。（关注氢电邦公众号带你了解更多干货资讯）目前中国石化拥有加油站３万余座，具备发展氢能交通的产业基础和网络优势，截至２０２１年底现已建成加氢站７４座，供氢中心８家，计划“十四五”期间建成加氢站及油氢合建站１０００座，具备加氢能力２００ｋｔ/ａ。

中国石化销售公司及石油化工科学研究院系统研究了氢 气 的 制 备、储 存、运 输、加 注 等 氢 能 产业链上主流 技 术，以 下 主 要 介 绍 集 中 式 制 氢 方 式及其成本。当前氢气的制备方式主要有化石能源制氢（煤制 氢、天 然 气 制 氢 等）、甲醇 制 氢、氨 分 解制氢、电解水制氢、生物制氢、光解水制氢、核能制氢等，主流的集中式制氢技术主要包括天然气制氢、煤制氢、工业副产氢和可再生能源电解水制氢。

天然气制氢

天然气制氢是成熟的化石能源制氢技术，具有流程简单、装 置 可 靠、单 位 投 资 成 本 低 等 优 势，在全球氢气 生 产 市 场 中 占 据 了 最 大 的 份 额，约 占总氢气产量的５０％［５－６］。（需要资料的请添加qdbang11联系小编）由于资源禀赋差异，国外天然气资源丰富，价格低廉，因此天然气制氢是欧美等西方国家的首选制氢方式。而我国以煤炭为主，天然气供销缺口大，价格较高，煤制氢占比高。天然气制氢 主 要 有 水 蒸 气 重 整 制 氢、部 分 氧 化 制氢和自热重 整 制 氢 等 技 术，后 两 种 技 术 仍 处 于 开发阶段。天然气水蒸气重整工艺流程如图１所示，主要包括脱硫、转化、变换和变压吸附（ＰＳＡ）等工艺单元，脱 硫 单 元 主 要 防 止 催 化 剂 中 毒。目 前 水蒸气重整制 氢 技 术 完 全 实 现 国 产 化，包 括 工 艺 设计、关键设备、高温催化剂等。一般工业规模的天然 气 制 氢 （工 业 级 氢 气）的 甲 烷 单 耗 在 ０．４２～０．４５ｍ３/ｍ３，产氢量大多在５０００～１０００００ｍ３/ｈ。

表１测算 的 是 一 套９００００ｍ３/ｈ天然 气 制 氢装置制氢成本［７］。由于天然气同时作为原料和供热燃料，占制氢成本的８７．１％，因此天然气价格极大影 响 氢 气 成 本。当 天 然 气 价 格 为 １．８８ 元/ｍ３时，制 氢 成 本 为 １０．５３ 元/ｋｇ；当天然气价格为２．５２元/ｍ３ 时，制氢 成 本 为１２．８８元/ｋｇ。考虑 到燃料电池汽车用 氢 气 纯 度 更 高，需 要 进 一 步 提 纯天然气 制 取 的 氢 气。目 前 提 纯 车 用 氢 气 主 要 采用 ＰＳＡ 法，成 本 为 ３～７ 元/ｋｇ。因 此，当 天 然 气价格为１．８８元/ｍ３ 时，制氢成本约为１５．５３元/ｋｇ；当天 然 气 价 格 为 ２．５２ 元/ｍ３ 时，制 氢 成 本 约 为１７．８８元/ｋｇ。

天然气制氢的碳排放按照制备１ｋｇ氢气排放１０．１ｋｇＣＯ２ 计（各机构统计数据不同）［８］，碳排放交易对天然气制氢的经济性影响见表２。当 天 然气价格为１．８８ 元/ｍ３ 时，加上“碳 税”后 的 制 氢 成本（燃 料 电 池 Ｈ２ ）为 １５．９３ 元/ｋｇ；当 天 然 气 为２．５２元/ｍ３ 时，加上 “碳 税”后 的 成 本 则 为 １８．２８元/ｋｇ。到２０２５年，假设 天 然 气 原 料 价 格 为 １．８８元/ｍ３，由于技 术 已 经 很 成 熟，生产成本下降空间有限，仅提纯成本有部分下降，考虑到碳排放交易价格上涨，预计天然气制氢价格（燃料电池 Ｈ２）约为１５．５３元/ｋｇ；２０３０年，预计 天 然 气 制 氢 价 格 约为１９．６３元/ｋｇ。

煤制氢

煤制氢是化石能源制氢中另外一种成熟的制氢技术，在我国具有广泛的应用，主要用于合成氨和甲醇。煤制 氢 工 艺 流 程 如 图 ２ 所 示，包 括 煤 造气、净化、变 换、ＰＳＡ 等主 要 流 程，具 有 原 料 成 本低、装置规模 大、技 术 成 熟 度 高 等 优 点，但 是 装 置占地面积大、配 套 设 施 多、单 位 装 置 投 资 高、工 艺流程较长、操 作 相 对 复 杂，此 外 碳 排 放 量 高、气 体分离成本 高。从 元 素 利 用 角 度，煤 中 的 主 要 元 素碳仅用于提 供 制 氢 热 量，最 后 以 温 室 气 体 二 氧 化碳的形式排放大气，并没有得到充分利用，不符合目前提倡 的“原 子 经 济”。虽然 如 此，但 由 于 煤 制氢综合成本 较 低，现 阶 段 在 中 国 仍 具 有 较 大 的 应用规模［９］。

表３测算 的 是 一 套９００００ｍ３/ｈ采用 水 煤 浆激冷工艺煤 炭 制 氢 装 置 制 氢 成 本，为 便 于 与 天 然气制氢比 较，固 定 氢 气 成 本 列 数 值。与 天 然 气 制氢成本构成不同，煤制氢成本中煤炭价格、氧气价格以及建设投资均占有重要比例。当煤炭（主要是烟煤）价格为４５０元/ｔ时，制氢成本 为９．７４元/ｋｇ。ＰＳＡ 提纯成本３～７元/ｋｇ，因此当煤炭价格为４５０元/ｔ时，燃料电池 Ｈ２ 生产成本约为１４．７４元/ｋｇ。

由于 煤 炭 制 氢 的 碳 排 放 量 比 较 高，为 ２０．０ｋｇ/ｋｇ（各机构 统 计 数 据 不 同）［１０］，碳 排 放 交 易 对煤制氢的经 济 性 影 响 见 表４，因 此 当 煤 炭（烟 煤）价格为４５０ 元/ｔ时，加 上 碳 税 后 的 燃 料 电 池 Ｈ２生产成本 为１５．５４元/ｋｇ。煤炭同样作为大宗商品，价格波动较大。到２０２５年，考虑 到“碳 税”价格上涨，预 计 煤 制 燃 料 电 池 Ｈ２ 价 格 约 为 １５．７４元/ｋｇ；到２０３０年，预计 煤 制 燃 料 电 池 Ｈ２ 价格约为２３．７４元/ｋｇ。

工业副产氢

工业 副 产 氢 主 要 有 ４ 类，分 别 是 钢 铁 行 业的 焦 炉 煤 气 副 产 氢，氯碱行业的电解氯化钠水溶 液 副 产 氢，丙 烷 脱 氢（ＰＤＨ）、乙烷脱氢等轻质烷 烃 脱 氢 副 产 氢 以 及 石 油 炼 制 行 业 的 重 整、石脑 油 裂 解、乙 苯 脱 氢、催 化 裂 化 干 气 等 副 产 氢。中 国 每 年 工 业 副 产 氢 规 模 在 ９．０～１０．０ Ｍｔ之间［１１］。虽然 工 业 副 产 氢 的 生 产 技 术 各 有 不 同，但 是 大 规 模 提 纯 主 要 采 用 ＰＳＡ 技术。由 于 ＰＳＡ技术 比 较 成 熟，ＰＳＡ 提 纯 成 本 取 决 于 副 产 氢 原料 气 中 气 体 组 分 和 氢 气 含 量，原料气中气体组分 吸 附 能 力 差 异 越 大、氢 气 含 量 越 高，提 纯 成 本也 就 越 低。通 常 情 况 下，只 有 原 料 气 中 氢 气 含量 超 过５０％，提 纯 才 有 经 济 性。所 有 副 产 氢 中ＰＤＨ、乙烷 脱 氢、氯 碱 副 产 氢 等 副 产 氢 气 浓 度 较高，更 具 提 纯 价 值。

中国 ＰＤＨ 项目主要分布在 东部区域，截 至２０２１年底，中国共有２２个 ＰＤＨ 项目投产，丙烯总产能达到１０．７５ Ｍｔ/ａ，副产 氢 产 能０．４０ Ｍｔ/ａ，预计可以满足 超 过１０万辆 氢 燃 料 电 池 汽 车 用 氢 需求；中国的乙烷裂解副产氢规模更大，预计２０２２年乙烷裂解项目副产氢总产能达到了０．９２ Ｍｔ/ａ，可以满足超过２５万辆氢燃料电池汽车用氢需求。

根据统计，副产氢提纯到燃料电池 Ｈ２ 的成本在６～１５元/ｋｇ。在所有获取 氢 气 的 方 法 中，从 工业副产的富 氢 气 体 提 取 氢 气 的 成 本 最 低，最 具 市场竞争力。由 于 提 纯 技 术 比 较 成 熟，同 时 副 产 氢属于“蓝氢”，“碳税”不计入氢气生产中，未来成本变化有限。

中国石化副产氢以炼化企业为主，首 批 布 局１４家炼化企 业 建 设 供 氢 中 心，目前北京燕山分公司、天津分公司、齐鲁分公司、广州分公司、海南炼油化工有限公司、上海高桥石油化工有限公司、镇海炼化分公司和青岛炼油化工有限责任公司的车用高纯氢生产线已投用。

电解水制氢

电解水制氢是指水分子在直流电作用下被分解生成氧气 和 氢 气，并 分 别 从 电 解 槽 阳 极 和 阴 极析出的技 术。根 据 电 解 槽 隔 膜 材 料 的 不 同，通 常将电解水制 氢 分 为 碱 性（ＡＬＫ）水电 解、质 子 交 换膜（ＰＥＭ）水电解、阴离子交换膜（ＡＥＭ）水电解以及高温固 体 氧 化 物（ＳＯＥＣ）水电 解。目 前 已 经 商业化运行的主要是碱性水电解和 ＰＥＭ 水电解，而ＡＥＭ 水电 解 和 ＳＯＥＣ 水电 解 分 别 处 于 商 业 化 前期和实 验 室 研 发 阶 段。碱 性 水 电 解 技 术 较 为 成熟，目前应用 较 为 广 泛，优 点 是 成 本 低、设 备 寿 命长，但制氢设备效率不高，同时具有需要使用腐蚀性碱液、难以快速响应、占地面积大等缺点。ＰＥＭ水电解近年 来 得 到 了 大 量 的 研 究 和 应 用，其 优 点是体积小、操 作 弹 性 大、启 动 快，最 大 的 缺 点 是 成本过高。各类电解水制氢的总结对比见表５。

目前全球范围内集中式电解水制氢的项目相对较少，由于电解水装置可以与风电、光 电、水 电等可再生能 源 结 合，实 现 绿 氢 的 生 产 和 能 源 的 化学存储，在“双碳”背景下，大规模绿电集中式制氢项目会陆续出现。电解水制氢７０％～９０％的成本是用电费用，装 置 规 模 越 大，设 备 利 用 率 越 高，用电费用比 重 越 高。根 据 资 料 汇 总，目 前 大 型 风 光互补可再生能源制氢项目的综合制氢成本在１４～３０元/ｋｇ。

结论

天然气制 氢，技 术 较 为 成 熟，工 艺 流 程 简 单、装置稳定可靠，是全球最主要的制氢方式，天然气价格极大的影响氢气成本。煤制氢与天然气制氢类似，工艺比 较 成 熟，装 置 规 模 较 大，但 是 工 艺 流程长、装置占 地 面 积 大、碳 排 放 高，受 资 源 禀 赋 影响，在我国 具 有 较 大 的 应 用 规 模。与 天 然 气 制 氢不同的是，煤制氢成本中煤炭价格、氧气价格以及建设投资 均 占 有 重 要 比 例。工 业 副 产 氢，虽 由 于是副产物，原 料 成 本 较 低，不 负 担 碳 税 成 本，因 此提纯成本直 接 决 定 了 工 业 副 产 氢 的 成 本，当 前 阶段作为“蓝氢”的工业副产氢最具市场竞争力。电解水制氢，目 前 已 经 商 业 化 运 行 的 主 要 是 碱 性 水电解 和 ＰＥＭ 水电 解 两 类，随着碳减排任务的推进，大规模光伏、风电集中式制氢项目将会陆续出现，电解水制 氢 的 成 本 与 电 价、装 置 规 模、设 备 利用率等因素有关。在氢能作为交通能源的初期阶段，廉价易 得 的 副 产 氢 和 化 石 能 源 制 氢 可 以 迅 速降低燃料电 池 汽 车 用 氢 成 本，有利于快速建立氢能产业链、提升氢能产业技术水平、培养消费者用氢习惯，在后期阶段，绿电电解水制氢是未来氢气的主要供应方式。