氫能市場前景廣闊，電解水制氫是未來發(fā)展重點，當(dāng)期制氫方式主要有四種：化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)物制氫、電解水制氫、生物質(zhì)制氫及其他。其中化石燃料制氫與工業(yè)副產(chǎn)物制氫憑借較低的成本占據(jù)制氫結(jié)構(gòu)的主體地位，然而隨著化石燃料產(chǎn)量下降、可持續(xù)發(fā)展理念的深化，氫能俱樂部氫能市場在遠(yuǎn)期（2050 年左右）將形成以可再生能源為主體、煤制氫+CCS（碳捕獲）與生物質(zhì)制氫為補(bǔ)充的多元供氫格局。為測算與汽油價格相比具有競爭力的氫氣售價，本文將氫氣的理想成本定為 2.6 元/ Nm3。

電解水成本偏高，降成本主要依賴電價

   由于電費占整個水電解制氫生產(chǎn)費用的 80%左右，因此水電解制氫成本的關(guān)鍵在于耗能問題。存在兩條降成本途徑：一是降低電解過程中的能耗，可通過開發(fā) PEM（質(zhì)子交換膜電解） 及 SOEC（固體氧化物電解） 技術(shù)來實現(xiàn)；二是采用低成本電力為制氫原料，關(guān)鍵在于依靠光伏和風(fēng)電的發(fā)展。以大工業(yè)電價均價 0.61 元/ kW·h 計算，當(dāng)前電解水制氫的成本為 3.69 元/Nm3。當(dāng)用電價格低于 0.50 元/kW·h 時，電解水制備的氫氣成本才可與汽油相當(dāng)。光伏系統(tǒng)發(fā)電成本 0.5930 元/kWh，風(fēng)電度電成本約為 0.3656 元/kWh，且在未來仍有一定的下降空間。

日本福島縣太陽能制氫項目（全球最大的光伏制氫項目）

天然氣制氫是目前主要制氫方式，降成本應(yīng)關(guān)注天然氣價格

   天然氣制氫中的甲烷水蒸氣重整（SMR）是工業(yè)上最為成熟的制氫技術(shù)，約占世界制氫量的 70%（IEA數(shù)據(jù)）。我國天然氣價格受資源稟賦影響，天然氣資源主要分布集中的中西盆地也是價格最低的地區(qū)。尤其是新疆、青海等地區(qū)天然氣基本門站價格低至 1.2 元/千立方米左右。據(jù)測算，當(dāng)天然氣價格為 2 元/Nm3 時，測算出制氫成本為 1.35 元/Nm3，相比電解水制氫具有明顯的成本優(yōu)勢。

 

天津石化10萬標(biāo)立/時天然氣制氫裝置

煤制氫成本最低，降成本空間較小

   我國煤炭資源主要的格局是西多東少、北富南貧。內(nèi)蒙古、山西原煤產(chǎn)量領(lǐng)先，煤價也相對偏低。當(dāng)煤炭價格為 600 元時，大規(guī)模煤氣化生產(chǎn)氫氣的成本為 1.1 元/ Nm3。如果在煤資源豐富的地區(qū)，當(dāng)煤炭價格降低至 200 元 /噸時，制氫氣的成本可能降低為 0.34 元/ Nm3。但由于煤炭價格下降空間有限，且煤氣化制氫企業(yè)已形成較大規(guī)模，未來煤制氫降成本空間較小。

茂名石化投建的國內(nèi)單產(chǎn)能力最大的煤制氫裝置

氫能：未來動力系統(tǒng)的替代能源

三大優(yōu)勢支持氫能發(fā)展

   與傳統(tǒng)化工燃料汽油、柴油相比，氫能具有三大優(yōu)勢。
一是較高的含能特性：除核燃料外，氫的燃燒熱值據(jù)所有化工燃料榜首，燃燒 1kg 氫可放出 12MJ（28.6Mcal）的熱量，約為汽油的三倍。
二是較高的能源轉(zhuǎn)化效率：氫能可以通過燃料電池直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡?，過程中的廢熱可以進(jìn)一步利用，其效率可達(dá)到 83%。氫氣燃燒不僅熱值高，而且火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，點火能量低，所以氫能汽車比汽油汽車總的燃料利用效率可高 20%。
三是碳的零排放：與化石能源的利用相比，氫燃料電池在產(chǎn)生電能的過程中不會產(chǎn)生碳排放，可以實現(xiàn)良性循環(huán)。

氫的燃燒熱值居所有化工燃料榜首

資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院、廣證恒生

   以汽油內(nèi)燃機(jī)的綜合熱效率和 CO2 排放量為基準(zhǔn)來對比。氫燃料電池的綜合熱效率最高，同時 CO2排放量少，是替代石油供給車輛動力的最佳燃料。

氫燃料電池的綜合熱效率最高且 CO2排放量少

數(shù)據(jù)來源：《氫與氫能》、廣證恒生

四種制氫方式各存優(yōu)劣，天然氣制氫是主要來源

   目前以四類制氫方式為主：化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)物制氫、電解水制氫、生物質(zhì)及其他制氫方式。雖然制氫方法多樣，但各存優(yōu)劣。

• 天然氣制氫：雖然適用范圍廣，但是原料利用率低，工藝復(fù)雜，操作難度高，并且生成物中的二氧化碳等溫室氣體使之環(huán)保性降低。
• 工業(yè)尾氣制氫：利用工業(yè)產(chǎn)品副產(chǎn)物，成本較低。但是以焦?fàn)t氣制氫為例，不僅受制于原料的供應(yīng)，建設(shè)地點需依靠焦化企業(yè)，而且原料具有污染性。
• 電解水制氫：產(chǎn)品純度高、無污染，但是高成本了限制其推廣。
• 光解水與生物質(zhì)制氫：技術(shù)尚未成熟，實現(xiàn)商業(yè)化還需一定的時間。

   從制氫成本方面看，煤制氫和天然氣制氫成本相對更低。就目前四類制氫方式來說，天然氣制氫經(jīng)濟(jì)性最顯著。

幾種制氫方式對比

數(shù)據(jù)來源：網(wǎng)絡(luò)資料整理

   目前，天然氣制氫仍是我國最主要的制氫來源，占總制氫量的 48%。醇類重整制氫及煤制氫也占有相當(dāng)大的比重，來自電解水的制氫量最低，僅為 4%。

資料來源：中國氫能源網(wǎng)、廣證恒生

未來供氫主體以電解水制氫為主

   可再生能源電解水制氫將上升為未來供氫主體。在氫能市場發(fā)展初期（2020-2025 年），化石燃料制氫與工業(yè)副產(chǎn)物制氫憑借較低的成本占據(jù)制氫結(jié)構(gòu)的主體地位，隨著化石燃料產(chǎn)量下降，這兩種方式占比逐漸下降；
   到氫能市場發(fā)展中期（2030 年左右），煤制氫配合 CCS（碳捕獲）技術(shù)、工業(yè)副產(chǎn)物、可再生能源電解水制氫將成為有效供氫主體，同時開發(fā)生物質(zhì)制氫等其他技術(shù)；在氫能市場發(fā)展遠(yuǎn)期（2050 年左右），我國將形成以可再生能源為主體、煤制氫+CCS 與生物質(zhì)制氫為補(bǔ)充的多元供氫格局。

中國氫氣供給結(jié)構(gòu)預(yù)測

數(shù)據(jù)來源：2019 中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書、廣證恒生

氫氣與汽油成本平衡性分析

   氫氣成本占加氫站氫氣售價的 70%。制約氫能推廣的一個主要原因是氫氣相比汽油等傳統(tǒng)能源更高的價格。加氫站銷售的氫氣價格中，包括制氫和儲運氫氣在內(nèi)的氫氣成本占 70%，其中氫氣原材料的價格為50%，是最重要的一部分，因此制氫環(huán)節(jié)能否降低成本是降低氫氣售價的關(guān)鍵因素。

氫氣成本占?xì)錃馐蹆r的 70%

資料來源：《天然氣化工》、廣證恒生

   2L 汽油車百公里耗油為 6-8 升，按照 7.3 元/L 的汽油售價，百公里燃料費用最多為 58.4 元。以豐田Mirai 氫燃料電池汽車為例，其百公里氫耗平均水平為 1kg，意味著氫氣的售價需降到 58.4 元/kg 以下才可與汽油等同，說明氫氣成本需降到 29.2 元/kg。由于氫氣接近理想氣體，根據(jù)理想氣體方程 PV=nRT 可估算出 1Kg 氫氣約為 11.19Nm3。因此氫氣的理想成本大約是 2.6 元/ Nm3。

一、電解水制氫

   電解水制氫是通過電能給水提供能量，破壞水分子的氫氧鍵來制取氫氣的方法。其工藝過程簡單、無污染，制取效率一般在 75%-85%，每立方米氫氣電耗為 4-5 kW·h。由于電費占整個水電解制氫生產(chǎn)費用的 80%左右，導(dǎo)致其競爭力并不高。更多干貨請關(guān)注微信公眾號：氫能俱樂部。因此水電解制氫成本的關(guān)鍵在于耗能問題。由此引出兩條降成本的途徑：一是降低電解過程中的能耗，二是采用低成本電力為制氫原料。

電解水制氫過程

降本路徑一：降低過程能耗，提高電解效率

   目前主流的電解水制氫技術(shù)有三種類型：包括堿性電解水制氫、質(zhì)子交換膜電解水(PEM)制氫和固態(tài)氧化物電解水(SOEC)制氫，其中堿性電解水制氫是最為成熟、產(chǎn)業(yè)化程度最廣的制氫技術(shù)，但其電解效率僅為 60-75%，國外研發(fā)的 PEM技術(shù)與 SOEC 技術(shù)均能有效提高電解效率，尤其是 PEM 技術(shù)已引入國內(nèi)市場。

三種電解池性能對比

資料來源：《氫氣生產(chǎn)及熱化學(xué)利用》、高工鋰電、廣證恒生

降本路徑二：以低成本電價為制氫原料

① 我國大工業(yè)電價低于世界平均水平，國內(nèi)西北地區(qū)電價最低
與其他國家相比，我國工業(yè)電價位于中低水平。根據(jù) 2016 年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國工業(yè)電價平均為 0.107 美 元/千瓦時，居世界第八，僅為第一名的三分之一。相對較低的電價為我國發(fā)展電解水制氫提供了有利條件。

各國工業(yè)電價

西北地區(qū)大工業(yè)電價偏低。分省份來看，波谷、波峰電價在全國排名第一的分別是河北省和安徽省，青海省無論是波峰還是波谷電價均為最低，全國波谷電價平均為 0.33 元/千瓦時，波峰電價平均為 0.90 元 /千瓦時。西南地區(qū)、西北地區(qū)的大工業(yè)用電價格普遍在全國平均線以下，對于發(fā)展電解水制氫節(jié)約能耗更為有利。

西北地區(qū)省份大工業(yè)電價偏低

② 西北地區(qū)棄風(fēng)棄電可用于電解水制氫
我國棄風(fēng)棄電問題突出，利好電解水制氫。近年來，新能源的持續(xù)快速發(fā)展已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電網(wǎng)承載能力，新能源消耗矛盾十分突出。棄風(fēng)、棄水電量呈逐年增加趨勢。我國目前正大力推進(jìn)可再生能源，由大量棄風(fēng)、棄水產(chǎn)生的棄電是發(fā)展電解水制氫的有利條件。

各地區(qū)棄風(fēng)電量比例

   西北地區(qū)棄風(fēng)棄電量居首位。隨著我國可再生能源裝機(jī)量逐年增長，每年可再生能源棄電量驚人。2018年我國全國棄風(fēng)棄電量 277 億千瓦時，其中西北地區(qū)為 166.9 億千瓦時，占全國的 60.25%，其次是華北地區(qū)（占全國 33.68%），東北地區(qū)占少量份額（全國 5.45%）。如果按照每立方氫氣耗電 5 千瓦時來計算，全國棄風(fēng)電量可生產(chǎn) 55.4 億立方高純度氫氣。
2018年各省棄風(fēng)量（億千瓦時）
   2018 年棄風(fēng)棄電量排名前三的省份分別為新疆、內(nèi)蒙古和甘肅，全國平均棄風(fēng)棄電率為 7%，這三個省份均超過了 10%。由于可再生資源豐富，西北省份也是電價最低的地區(qū)。
③ 長期來看，低成本電力主要來自光伏和風(fēng)電
雖然我國每年產(chǎn)生大量的棄風(fēng)棄電，但由于棄風(fēng)棄電產(chǎn)生的電壓不穩(wěn)定、難以大規(guī)模推廣等原因，其終究不是解決電解水制氫成本問題的最優(yōu)選擇。長期來看，光伏和風(fēng)電是電解水制氫企業(yè)獲得低成本電力的主要來源。

電解水制氫成本測算

為測算電解水制氫的成本，假定制氫規(guī)模 1000 Nm3/h，年產(chǎn)氫 100 萬 Nm3。測算過程及假設(shè)如下表：

資料來源：《天然氣制氫、甲醇制氫與水電解制氫的經(jīng)濟(jì)性對比探討》、廣證恒生

   據(jù)測算，水電解制氫設(shè)備、安裝、土建及其他總投資 1410 萬元，每年用電等費用為 2700 萬元，每年成本合計 2954 萬元，對應(yīng)氫氣成本 3.69 元/Nm3?，F(xiàn)分別計算不同制氫成本情況下，對應(yīng)的用電價格，如下表所示。

資料來源：廣證恒生

   測算氫氣成本與用電價格成正比關(guān)系，如果要求氫氣成本低于 2.6 元/Nm3，則用電價格要低于 0.50 元/kW·h。

二、天然氣制氫

天然氣制氫方法中甲烷水蒸氣重整最為成熟

天然氣的主要成分是甲烷（體積含量大于 85%），因此一般說的天然氣制氫就是甲烷制氫。甲烷制氫方法主要有甲烷水蒸氣制氫（SMR），甲烷部分氧化（POX）和甲烷自熱重整（ATR）。其中甲烷水蒸氣重整（SMR）是工業(yè)上最為成熟的制氫技術(shù)，約占世界制氫量的 70%，因此本文重點針對此方法進(jìn)行降成本測算。
   甲烷水蒸氣重整是指在催化劑存在及高溫條件下，使甲烷與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)生成合成氣。為防止催化劑中毒，原料天然氣需進(jìn)行脫硫預(yù)處理至硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于 1×10-7，然后經(jīng)過重整反應(yīng)制備合成氣，再經(jīng)過水煤氣變換反應(yīng)將 CO 進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氫氣和 CO2，最后將 CO2 通過變壓吸附（PSA）脫除得到氫氣。
 甲烷水蒸氣重整示意圖資料來源：《從碳到氫能源：昨天、今天、明天》、廣證恒生
甲烷水蒸氣重整制氫工藝流程

降成本應(yīng)從天然氣價格入手，中西部地區(qū)具備價格優(yōu)勢

   對于天然氣制氫來說，天然氣成本是占比最大的部分，約占生產(chǎn)成本的 45-75%（IEA）。因此其降成本策略應(yīng)首先關(guān)注天然氣價格。
   我國天然氣資源主要分布在中西盆地。受地質(zhì)條件影響，地下天然氣通常呈聚集區(qū)分布，我國天然氣探明儲量的 80 %以上分布在鄂爾多斯、四川、塔里木、柴達(dá)木和鶯—瓊五大盆地。從 2017 年天然氣產(chǎn)量分布數(shù)據(jù)來看，陜西、四川、新疆三個省份的天然氣產(chǎn)量占全國的 73%，天然氣氣源分布十分集中。

22017年各省份天然氣產(chǎn)量

 

   沿海地區(qū)天然氣價格偏高，西北地區(qū)價格最低。天然氣價格很大程度上受資源稟賦的影響，天然氣資源豐富的地區(qū)，價格相應(yīng)偏低。非居民天然氣價格目前正在逐步市場化。2019 年 3 月 27 日，國家發(fā)改委宣布調(diào)整各省天然氣基本門站價格，經(jīng)價格調(diào)整后，上海、廣東、浙江等東南沿海地區(qū)天然氣價格普遍高于平均價 1.68 元/千立方米，新疆、青海等西北地區(qū)價格則低至 1.2 元/千立方米左右。

各省天然氣基本門站價格表（元/m3）

資料來源：國家發(fā)改委、廣證恒生

天然氣重整制氫成本測算

   假定制氫規(guī)模 1000 Nm3/h，年產(chǎn)氫 100 萬 Nm3。測算過程及假設(shè)如下：

天然氣制氫成本測算

資料來源：《天然氣制氫、甲醇制氫與水電解制氫的經(jīng)濟(jì)性對比探討》、廣證恒生

   天然氣制氫設(shè)備、安裝、土建及其他總投資 1528 萬元，每年天然氣費用為 672 萬元（占總成本的62.11%），每年成本合計 1082.4 萬元，對應(yīng)氫氣成本 1.35 元/Nm3。現(xiàn)分別計算不同制氫成本情況下，對應(yīng)的天然氣價格：

   天采科技在制氫方面卓有成效，主要的制氫方式有天然氣制氫、甲醇制氫、煤制氫、沼氣制氫等，在保證低成本的同時，又要保證氫氣的高收率以及高純度，技術(shù)達(dá)世界先進(jìn)水平。