中國儲能網訊：中國氫能產業(yè)在近幾年呈現(xiàn)快速發(fā)展，作為氫能產業(yè)的重要基礎設施，加氫站正在全國多個重點城市布局建設。截至２０２１年底，中國已經建成加氫站１９１座，其中已運營１７４座。隨著國家氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃、五大氫燃料電池汽車示范城市群、山東“氫進萬家”、“成渝氫走廊”等規(guī)劃的落地，加氫站建設的步伐將會加快。但是目前加氫站氫氣的供應主要依靠長管拖車運輸，受制于國內標準和法規(guī)，運輸氫氣的氣瓶壓力多為２０ＭＰａ。由于氫氣密度很小，而儲氫容器自重大，所運輸氫氣的質量約占總運輸質量的１％，整體運輸效率很低，運輸成本較高。
根據測算，當運輸距離為１００ｋｍ時，運氫成本約８．７元/ｋｇ；而當運輸距離為２００ｋｍ時，成本增加至１９元/ｋｇ。運輸效率低、運輸成本高、裝卸時間長等因素使得加氫站的氫氣供應問題日益突出，大大制約了氫能交通產業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。分布式制氫由于可以在加氫站內或者周圍制取氫氣，儲運優(yōu)勢明顯，在日本、美國、歐洲等地均有成熟應用。
國內分布式制氫發(fā)展相對緩慢，主要是因為相應規(guī)范缺失、審批困難等因素，但目前安徽省、廣東佛山、四川成都、遼寧大連、山東淄博、內蒙古鄂爾多斯等省市明確支持分布式制氫或已出臺相應的政策，預計近兩年將會有一批分布式制氫項目落地。中國石化銷售股份有限公司及中石化石油化工科學研究院有限公司（簡稱石科院）系統(tǒng)研究了氫氣的制備、儲存、運輸、加注等氫能產業(yè)鏈上主流技術，發(fā)現(xiàn)當前適合分布式制氫的技術主要包括甲醇制氫、天然氣制氫、堿性電解水制氫、ＰＥＭ電解水制氫和氨分解制氫。下面主要介紹分布式制氫方式及其成本。
１分布式甲醇制氫
甲醇作為二次能源，是高氫含量的氫載體，以分子式ＣＨ３ＯＨ計，氫質量分數為１２．５％，遠高于ＤＯＥ（美國能源部）要求的氫載體儲氫質量密度７．５％。在甲醇蒸汽裂解制氫的真實反應條件下，甲醇的儲氫量比理論值更高，考慮到化學反應，甲醇的理論產氫質量為其自身質量的１８．７５％。在實際生產中，需考慮燃燒部分甲醇為反應供熱，以及生產高純氫氣、副產低濃度氫解吸氣的實際情況，甲醇產氫量與理論產氫量有一定差別。甲醇制氫工藝技術比較成熟，甲醇蒸汽裂解生產１ｍ３工業(yè)氫需消耗甲醇約０．５５ｋｇ。如果考慮燃燒部分甲醇為反應供熱及生產高純氫氣需要，生產１ｍ３高純氫的甲醇消耗量約為０．６７ｋｇ。雖然利用甲醇生產氫氣從原料利用和能源利用上不盡合理，但價格上有一定優(yōu)勢，并且其生產流程簡單，自動化程度高。與天然氣制氫相比，甲醇制氫不需要設置轉化爐，只需要導熱油提供反應所需的熱量，反應溫度不到３００℃，此外甲醇轉化制氫便于撬裝模塊化及小型化，液體甲醇也便于槽車運輸。因此，在一些特定的場合，如沒有廉價天然氣資源，沒有煤炭指標，當地電價高，且制氫規(guī)模不大的地方，可建設分布式甲醇制氫裝置。
甲醇是現(xiàn)有的大宗商品，近３年甲醇價格最低１５１０元/ｔ，最高３ ３７０元/ｔ，均價約２ ２００元/ｔ，以此均價為基礎分析１ｔ/ｄ分布式甲醇蒸汽裂解制氫的技術經濟性，結果如表１所示。在現(xiàn)有供銷價格體系下，分布式甲醇裂解制燃料電池級氫氣的成本價為２０．４元/ｋｇ。
顯然甲醇的價格是氫氣成本的最主要構成部分，甲醇原料成本約占制氫成本的７５％，甲醇價格對成本的影響見表２。
當按照近３年甲醇最低價１５１０元/ｔ計算時，甲醇站內制氫成本可降至１５．２元/ｋｇ（燃料電池級氫氣）；當按照近３年甲醇最高價３３７０元/ｔ計算時，甲醇站內制氫成本為２９．２元/ｋｇ（燃料電池級氫氣）。因此，分布式甲醇制氫作為起步階段的低成本制氫方式有一定現(xiàn)實意義。
甲醇制氫要排放大量的ＣＯ２，生產１ｋｇ Ｈ２約排放３０ｋｇ ＣＯ２。雖然已有“液態(tài)陽光”生產甲醇的技術，但由于其成本相對較高，甲醇當前階段作為綠色儲氫載體仍不成熟，因此仍需考慮甲醇的碳排放。碳排放交易對分布式甲醇制氫經濟性的影響見表３，當甲醇價格為２ ２００元/ｔ時，加上碳稅，甲醇裂解制氫的成本價為２１．６元/ｋｇ（燃料電池級氫氣）。
隨著甲醇制氫技術的進步和裝置制造成本的降低，甲醇制氫生產成本會有一定下降，但是降幅有限。到２０２５年，預測裝備投資降低至６００萬元，假定甲醇原料價格為２ ２００元/ｔ，制氫成本為２０．２元/ｋｇ（燃料電池級氫氣）。考慮到碳稅的上漲，預計制氫成本為２３．２元/ｋｇ（燃料電池級氫氣）。
２分布式天然氣制氫
天然氣除了廣泛用于集中式制氫，也適合做分布式制氫。分布式天然氣制氫有一個相對明顯的優(yōu)勢是原料獲取方便，只需連接到城市天然氣管網。分布式天然氣制氫在工藝流程上與集中式天然氣制氫沒有明顯區(qū)別，考慮到能效利用，一般小型天然氣制氫裝置生產１ｍ３氫氣的甲烷消耗量為０．５～０．６ｍ３。日本三菱公司開發(fā)了ＨｙＧｅｉａ系列５０～１ ０００ｍ３?ｈ天然氣制氫系統(tǒng)，已經推廣６０余套，部分用作加氫站現(xiàn)場制氫。美國ＡｉｒＰｒｏｄｕｃｔ、Ｐｏｗｅｒｔａｐ以及德國Ｌｉｎｄｅ公司均已開發(fā)出分布式天然氣制氫裝置，部分裝置附帶碳捕集設施。中國做分布式天然氣制氫的企業(yè)較多，比如亞聯(lián)高科、石科院、漢興能源、四川天一、上海億維、四川蜀泰等。表４測算的是１ｔ/ｄ天然氣制氫裝置的制氫成本。
由表４可以看出，分布式天然氣制氫的主要成本構成是燃料（天然氣）消耗。天然氣價格對成本的影響如表５所示，當天然氣價格為１．８８元/ｍ３時，制氫成本為１６．０元/ｋｇ（燃料電池級氫氣）；當天然氣價格為２．６３元/ｍ３時，制氫成本為２０．５元/ｋｇ（燃料電池級氫氣）；而當天然氣價格為３．７３元/ｍ３時，制氫成本為２７．１元/ｋｇ（燃料電池級氫氣）。需要說明的是當前因國際形勢發(fā)生諸多變化，作為大宗商品的天然氣價格波動較大，站內制氫成本變化也較大。
分布式天然氣制氫的天然氣單耗比集中式制氫的天然氣單耗要高，這里按照生產１ｋｇ的Ｈ２排放１２ｋｇ的ＣＯ２計，碳排放交易對天然氣制氫經濟性的影響見表６。由表６可知：當天然氣價格為１．８８元/ｍ３時，加上碳稅后的制氫成本為１６．５元/ｋｇ（燃料電池級氫氣）；當天然氣價格為２．６３元/ｍ３時，加上碳稅后的制氫成本為２１．０元/ｋｇ（燃料電池級氫氣）；當天然氣價格為３．７３元/ｍ３時，制氫成本為２７．６元/ｋｇ（燃料電池級氫氣）。
與分布式甲醇制氫類似，未來天然氣制氫生產成本降幅有限。到２０２５年，預測裝備投資降低至６００～８００萬元，假設天然氣原料價格為２．６３元/ｍ３，則制氫成本約為１９．６元/ｋｇ（燃料電池級氫氣）?？紤]到碳稅的上漲，預計天然氣制氫價格約為２０．８元/ｋｇ（燃料電池級氫氣）。
３分布式電解水制氫
目前商業(yè)化的電解水制氫技術主要有堿性電解水制氫和質子交換膜（ＰＥＭ）電解水制氫兩類。技術分析在文獻中已有介紹，這里不再贅述。２．５ＭＷ級分布式堿性電解水制氫裝置的經濟性分析如表７所示。在此不考慮土地、土建、設備安裝費等費用。
由表７可以看出，電價是影響制氫成本的關鍵因素，占比超過８０％以上。當電價為０．３元/（ｋＷ·ｈ）時，堿性電解水制氫的成本是２０．８４元/ｋｇ。堿性電解水制氫技術發(fā)展歷史悠久，技術相對比較成熟，市場占有率絕對領先。并且和國外的競爭對手相比，我國技術水平相當甚至在部分指標上領先。綜上，堿性電解水制氫設備的成本下降空間有限。預測至２０２５年，隨著生產規(guī)模的擴大和機加工水平的提高（目前堿性電解槽主要依靠人工組裝，發(fā)展趨勢必然是機械組裝），制氫設備制造成本有望下降約２０％。
當前及２０２５年不同綜合電價制氫成本如表８所示，由于制氫設備的成本相較于運營成本占比很小，同等電價下２０２５年的制氫成本與當前相比下降較小。
對于ＰＥＭ電解水制氫，經濟性分析如表９所示。設備利用率是影響成本的一個因素，為了方便與堿水制氫比較，統(tǒng)一按照年開工時間８ ０００ｈ計算。從表９可以看出，２．５ＭＷ的ＰＥＭ電解水制氫設備初始投資較高，是堿性電解水制氫設備的５倍，因此當電價為０．３元/（ｋＷ·ｈ）時，ＰＥＭ電解水制氫的成本是２３．９１元/ｋｇ，較堿性電解水制氫成本高３．０７元/ｋｇ。目前ＰＥＭ電解水制氫設備的部分關鍵材料和組件需要從國外進口，比如催化劑、質子交換膜。
ＰＥＭ電解水制氫設備成本的６０％～７０％集中在電解槽，而電解槽的制造成本中催化劑占比最高，因此ＰＥＭ制氫設備成本的降低主要依靠提高各個組件的國產化率和降低貴金屬的擔載量。預測到２０２５年，隨著ＰＥＭ電解設備的國產化，加上技術的進步，制造成本有望下降３０％以上，當前及２０２５年不同綜合電價下的制氫成本如表１０所示。
作為新一代電解水制氫技術，ＰＥＭ電解水制氫與堿性電解水制氫相比，雖然初始投資高，但設備結構緊湊，占地面積低于堿性電解水制氫設備，對于土地面積緊缺的特殊場景如加氫站更有優(yōu)勢。此外，ＰＥＭ電解水制氫設備產生的氫氣出氫壓力可達到３．０ＭＰａ，而堿性電解水制氫設備的出氫壓力一般為０．８～１．０ＭＰａ；ＰＥＭ電解水制氫設備對電力變化秒級快速響應，非常適用于不穩(wěn)定的可再生能源，設備冷啟動僅需要２０～３０ｍｉｎ，堿性電解水制氫設備在運行過程中需要穩(wěn)定的電力輸入，設備冷啟動需要２～３ｈ；ＰＥＭ制氫裝置電解效率高，用工數少等。因此，預測ＰＥＭ電解水制氫在小規(guī)模分布式制氫領域具有更好的應用前景。
４分布式氨分解制氫
與甲醇類似，氨同樣可以作為液態(tài)氫載體。氨作為儲氫載體的優(yōu)勢表現(xiàn)為：①氨氣在標準大氣壓下的液化溫度為－３３℃，易于運輸；②液氨儲氫量為１７．６％，高于甲醇；③已有成熟的合成氨工業(yè)；④高溫氨分解制氫技術成熟。美國、日本、澳大利亞等國均已積極布局“氨經濟”，在“碳中和”愿景下，通過“氫－氨－氫”這一流程完成“綠氫”運輸。例如，日本多家研究單位和企業(yè)組成氨氫站團隊聯(lián)合開發(fā)了氨分解/高純氫供應系統(tǒng)，可制造ＦＣＶ氫燃料；國內科研院所正在開展綠色合成氨、低溫氨分解制氫示范項目。氨分解制氫工藝流程比較簡單，裝置主要包括液氨儲罐、汽化器、氨分解反應器、產物冷卻及ＰＳＡ分離等單元。
目前一般采用Ｎｉ或Ｆｅ基催化劑，操作溫度為７５０～８００℃，反應壓力約為０．５ＭＰａ，轉化率可達９９．９％以上。福州大學和石科院正在開發(fā)低溫稀貴金屬催化劑，已經實現(xiàn)５００℃以下運行。作為生產硝酸、化肥、炸藥的重要原料，液氨現(xiàn)階段價格在４ ０００元/ｔ以上，近３年價格波動較大，均價大約為３ ２００元/ｔ，以此均價為基礎估算１ｔ/ｄ分布式氨分解制氫的技術經濟性，結果如表１１所示。當液氨價格為３ ２００元/ｔ時，分布式氨分解制氫的成本價為２７．１元/ｋｇ（燃料電池級氫氣）。氨分解制氫成本與氨價格呈線性關系，液氨成本占總成本的７５％以上。
分布式氨分解制氫具有制備的氫氣純度高、無碳排放、制氫設備構造簡單、操作較為方便、制氫設備投資較低等優(yōu)勢，但是當前階段仍存在以下挑戰(zhàn)：①受制于原料液氨的價格，制氫成本高于甲醇制氫；②主流商用技術氨分解溫度較高（采用電爐加熱至８００℃左右）；③液氨儲存、分解制氫行政審批手續(xù)較為復雜；④整體占地面積大［液氫儲罐液氨儲罐超過１０ｔ是重大危險源，需專門設計安全儀表系統(tǒng)（ＳＩＳ）系統(tǒng)，并保持較大安全間距］。
５結論
分布式甲醇制氫的生產工藝流程簡單，反應溫度較低，并且便于撬裝化及小型化，雖然碳排放最高，難以滿足低碳氫的排放要求，但其作為氫能起步階段的低成本制氫方式更具有現(xiàn)實意義；天然氣制氫同樣技術相對成熟，原料獲取方便，滿足低碳氫排放要求，但是工藝流程比甲醇制氫復雜，反應溫度更高，制氫成本受天然氣價格的影響波動較大；分布式堿性電解水制氫技術發(fā)展歷史悠久，可靠穩(wěn)定，市場占有率最高，電價是影響制氫成本的關鍵因素；而ＰＥＭ電解水制氫設備投資較高，是堿性電解水制氫設備價格的５倍左右，從而導致同等電價下氫氣的生產成本高２～３元/ｋｇ（燃料電池級氫氣），但由于ＰＥＭ電解水制氫具有啟停方便、占地面積小、對電力變化響應速度快等優(yōu)勢，隨著技術水平的進步和設備制造成本的降低，未來具有更好的應用前景；分布式氨分解制氫的高溫分解制氫技術比較成熟，設備投資低、制備的氫氣純度高、無碳排放，是一種清潔氫生產技術，但受制于較高的液氨價格，制氫成本高于甲醇制氫，未來需致力于開發(fā)低溫高效催化劑，并改善工藝系統(tǒng)。
