1、各种制氢技术及降成本途径研究报告氢能市场前景广阔,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/Nm30一、电解水成本偏高,降成本主要依赖电价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
2、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/kWh计算,当前电解水制氢的成本为3.69元/Nm3o当用电价格低于0.50元kWh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05930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。二、天然气制氢是目前主要制氢方式,降成本应关注天然气价格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
3、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12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。三、煤制氢成本最低,降成本空间较小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元/Nm30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034元/Nm30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
4、模,未来煤制氢降成本空间较小。四、丙烷脱氢和乙烷裂解副产制氢具有潜在产能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。五、四种制氢方式各存优劣,天然气制氢是主要来源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。天然气制氢:虽然适用范围广,但是原料利用率低,工艺复杂,操作难度高,并且生成物中的二氧化碳等温室气体使之环保性降低。工业尾气制氢:利用工业产品副产物,成本较低。但是以焦炉气制氢为例,不仅
5、受制于原料的供应,建设地点需依靠焦化企业,而且原料具有污染性。电解水制氢:产品纯度高、无污染,但是高成本了限制其推广。光解水与生物质制氢:技术尚未成熟,实现商业化还需一定的时间。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。几种制氢方式对比制氧方式优点缺点能源效率氨气价格(美元Zkg)氢气成本(NM3)d匕石燃料制氢天然气制氢产量高,成本低排放温室气体830.750.6-1.2屎制氢产量高,成本低,商业化技术成熟排放温室气体630.921-1.2工业副产物制氢焦炉气制氢利用副产物,成本低焦炉气具有污染性,建设地点受制于原料供应-1.2氯碱制氢
6、产品纯度高,原料丰富建设地点受制于原料供应-1.3-1.5电解水制氢环保,产品纯度高耗电量大,成本高45-551.953-5光解水制氢无污染、零排放技术不成熟,转化率低10-144.98-生物质制氢环保,产量高技术不成熟,产品纯度低40-501.21-2.42-目前,天然气制氢仍是我国最主要的制氢来源,占总制氢量的48%o醇类重整制氢及煤制氢也占有相当大的比重,来自电解水的制氢量最低,仅为4%o天然气醇类焦炉煤气电解水资料来源:中国氢能源网、广证恒生(一)电解水制氢电解水制氢是通过电能给水提供能量,破坏水分子的氢氧键来制取氢气的方法。其工艺过程简单、无污染,制取效率一般在75%-85%,每立方
7、米氢气电耗为4-5kWho由于电费占整个水电解制氢生产费用的80%左右,导致其竞争力并不高。更多干货请关注微信公众号:氢能俱乐部。因此水电解制氢成本的关键在于耗能问题。由此引出两条降成本的途径:一是降低电解过程中的能耗,二是采用低成本电力为制氢原料。阴极隔膜碱性溶液阳极4e+2H2O=H2+2OH-40H-=O2+2H2O+4e-由解水制氢过程降本路径一:降低过程能耗,提高电解效率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
8、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电解池类型碱水电解池固体氧化物电解池(SOEC)质子交换膜电解池(PEM)电解质20-30%K0HY2O3ZrO2PEM(常用Nafion)工作温度C70-90700-100070-80电流密度Acm22100.20.4电解效率60-75%85-100%70-90%能耗KwhNm34.5-5.52.6-3.63.8-5.0操作特征启停较快启停不便启停快动态响应能力较强强电能质量需求稳定电源稳定电源稳定或波动系统运维有腐蚀液体,后期运维复餐,成本局目前已技术研究为主,尚无运维需求无腐蚀性液体,运维简
9、单,成本低电堆寿命可达到12000Oh已达到100000h技术成熟度商业化实验室研发国外已商业化,国内处于研发走向工业化前期阶段有无污染责液污染,石棉致先无污染清洁无污染电解槽成本美元kW400-6001000-1500约2000特点最为成熟,商业化程度最高,成本低部分电能被热能取代,转化效率高,高温限制材料选择,尚未实现产业化可再生能源适应性,无污染,成本高(质子交换膜和钻电极催化),产业化程度低国外代表企业法国Mcphy美国Teledyne挪威NelProtonHydrogenics国内代表企业苏州竞立制氢天津大陆制氢中船重工718所中船重工718所中电丰业中科院大连化物所安思卓山东赛克赛
10、斯氢能中国航天科技507所资料来源:氢气生产及热化学利用、高工锂电、广证恒生降本路径二:以低成本电价为制氢原料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033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
11、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。1.20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 华北地区 东北地区 西北地区 华南地区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60.2
12、5%,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%)o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%o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、难以大规模推广等原因,其终究不是解决电解水制氢成本问题的最优选择。长期来看,光伏和风电是电解水制氢企业获得低成本电力的主要来源。电解水制氢
13、成本测算为测算电解水制氢的成本,假定制氢规模100ONm3/h,年产氢100万Nm3。测算过程及假设如下表:初始投资设备成本1200设备安装费用4S取设备价格的4%土建工程162总投资1410成本估算用电费用2700按照1Nm3氢气消耗4.5kWh电力计算,电价取2018年各省波峰波谷价格平均值0.6元kWh用水费用3.2按照1Nm3氢气消耗0.8吨水计算,水费取4元/吨设备及土建折旧132.9设备按10年折旧,土建按20年折旧,采用直线折旧法维修费24.9取设备成本与安装费用的2%人工及管理费60按5个工作人员计算财务费用33按总投资70%贷款,年利率为6%,等额本息法10年还贷估算合计29
14、54对应每标方氢气成本(元/Nii?)2.95对应每标方氢气售价(元/Nop)3.69假设毛利率为20%项目数值(万元)基本假设资料来源:天然气制氢、甲醇制氢与水电解制氢的经济性对比探讨、广证恒生测算据测算,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/Nm3o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。氢气成本(元N113)11.522.533.544.55用电价格(元kWh)0.170.260.370.480.590.710.820.931.04资料来源:广证恒生测算氢气成本与用电价格成正比
15、关系,如果要求氢气成本低于2.6元/Nm3,则用电价格要低于050元kWh0(二)天然气制氢天然气制氢方法中甲烷水蒸气重整最为成熟。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。制氢技术优点缺点甲烷水蒸气重整应用最为广泛;无需氧气;反应温度最低;对于制氢而言,有最佳的h2co比例通常需要过多蒸汽;设备投资多;能量需求高自热重整需要低能量;比部分氧化过程
16、的温度低;h2co比例很容易受到CH42比例的调整商业应用有限;通常需要氧气部分氧化给料直接脱硫不需要蒸汽;较低的h2co比例,常用于比例小于20的场景不适用于h2co需求比例大于20的场景;操作过程所需温度高;通常需要氧气资料来源:氢与氢能、广证恒生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IXlO-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CC)2,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ReaCtion:CH4(g)O2-CO(g
17、)2H2(g)CO(g)2H2(g)NaiioparticleassemblyGasCH4adsorptionPermeableKF弟PgNP巾/membrane、XANPsNPsNPsNPSNPsNPsNPSNP、PSNPSNPSNPSSurfacephase(controloxygentransfer)H2(ghReaction:H2O(g)+2e(g)O2H2(g)OverallReaction:CH4(g)+H2O(g)-CC11g)3H2(g)资料来源:从碳到氢能源:昨天、今天、明天、广证恒生甲烷水蒸气重整制氢工艺流程降成本应从天然气价格入手,中西部地区具备价格优势对于天然气制氢来说
18、天然气成本是占比最大的部分,约占生产成本的4575%(IEA)o因此其降成本策略应首先关注天然气价格。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、柴达木和莺一琼五大盆地。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450400350300250200150100500IlhhI留三卷如峻火电H艇长杉鼻烂宝唯辕超康里框电电将也曾幸L加悯N决叱施卓宏案HT米尤H*7线婕全HL会蜒M天然气产量(亿立方米)2017
19、年各省份天然气产量分布图资料来源:同花顺iFinds广证恒生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)2.5毛里言电也同秘将图蛾融炯M?r蛾炯卜布展T全洽天然气重整制氢成本测算Nm3。测算过程及假设如下:假定制氢规模100ONm3/h,年产氢100天
20、然气制氢成本测算初始投资设备成本1300包括天然气重整制氢及纯化设备设备安装费用52按设备价格的4%土建工程176总投资1528成本估算天然气费用672假设生产INm3氢气需要0.4Nm3天然气,天然气价格取1.68元/NnP循环水费用20假设生产INm3氢气需要0.02吨循环水,循环水价格取1元/吨脱盐水费用3.5假设生产INm3氢气需要0.00035吨循环水,循环水价格取10元/吨用电费用60假设生产INm3氢气消耗0.1千瓦时,电价取0.6元/千瓦时设备及土建折旧144设备按10年折旧,土建按20年折旧维修费27按设备成本+安装费的2%计算人工及管理费120按9个工作人员计算财务费用36
21、按总投资70%贷款,年利率为6%,等额本息法10年还贷估算合计1082.5对应每标方氢气成本(元/NnP)1.08对应每标方氢气售价(元/Nm3)1.35假设毛利率为20%项目数值(万元)测算假设资料来源:天然气制氢、甲醇制氢与水电解制氢的经济性对比探讨、广证恒生天然气制氢设备、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/Nm30现分别计算不同制氢成本情况下,对应的天然气价格:氨气成本(元/Nii?)0.600.801.001.201.401.60天然气价格(元/Nm3)0.220.641.06
22、1.471.S92.31(三)煤制氢煤气化制氢是最常用的一种煤制氢手段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。煤炭可以用于制备多种工业产品,其中煤制气的产能由2017年的51亿立方米/年同比增长OJ%至2018年的51.05亿立方米/年。更多干货请关注微信公众号:氢能俱乐部。在此我们主要对煤制氢的方法和成本进行讨论。煤是我国制氢的主要原料之一,可以通过多种方式制取氢气,但目前在我国氢气生产中占据主要地位的还是煤气化制氢。三种煤制氢方法的比较制氢技术过程
23、产品煤间接制氢将煤转化为甲醇,再由甲醇重整制氢煤焦化制氢煤经过干燥、预热、软化等过程被炼制成焦炭,副产品的焦炉煤气中含有氢气焦炉煤气中氢气含量55-60%,其余是甲烷、一氧化碳等气体煤气化制氢煤炭先与氧气反应,后和水反应,得到以氢气和一氧化碳为主要成分的气态产品,脱硫净化后,一氧化碳和水蒸气反应生成更多的氢气,最后分离提纯得氨气。变压吸附提纯后,氢气纯度可以提高到99.9%以上资料来源:氢能与制氢技术、广证恒生煤气化制氢工艺流程简图产品氢气产品二氧化碳降成本应该从煤炭价格入手,西北部具有地区优势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
24、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,目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。原煤产量(万吨)资料来源:国家统计局、广证恒生由于不同种类的煤价格有别,在这里我们主要考察各省份动力煤的价格,可以发现在煤炭储量和产量较多的地区比如内蒙古、山西等省
25、份,相同种类煤炭的价格也相对其他省份较低。根据中国煤炭市场网发布的截至到2019年1月的数据,全国部分省份动力煤价格如下,其中需要重点关注的是内蒙古动力煤价格仅为360元/吨,而混煤的价格是170元/吨。煤气化制氢成本测算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9104m3ho我们假定: 直接工资成本每年以9%的速度增长 辅助材料和装置投资等其他部分以每年5%的速度增长 煤炭价格依旧为600元/吨,但是由于技术进步使得单位产量增加虽然副产品中的
26、二氧化碳可以注入油田来减少对其的加工处理,但是该应用由于运输方面等问题还未得到大规模的应用。同时近几年国家对于排放废气的标准越来越严,因此假定副产品费用不改变煤气化制氢成本测算成本项目价格(元/吨)原材料3690辅助材料108燃料及动力4535直接工资219装置投资3187成本合计11739扣除副产品-446单位生产成本12185单位生产成本(元/Nit?)1.1资料来源:中石化经济技术研究院、广证恒生通过上述测算,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11元/Nm30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034元/Nm30由于目前
27、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。(四)化工副产品制氢氯碱制氢为主要生产方式,降本可从节能降耗方面入手: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(NaCI)为原料,采用离子膜或者石棉隔膜电解槽生产烧碱(Na
28、OH)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氧气资料来源:中国产业信息网、广证恒生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21502200kWhto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。丙烷脱氢和乙烷裂解副产制氢有未来潜在优势2013年,丙烷开始作为化工原料被大
29、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160012008004000201320142015201620172018中国丙烷进口量(万吨)同比增长-100.
30、0%-90.0%-80.0%-70.0%-60.0%-50.0%-40.0%-30.0%-20.0%-10.0%-0.0%资料来源:中国海关总署、广证恒生乙烯是中国需求量最大的烯煌之一,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。