核心觀點(diǎn)：
◆低成本的氫源和儲(chǔ)運(yùn)是燃料電池行業(yè)發(fā)展的一大關(guān)鍵:氫燃料電池車使 用氫氣作為燃料產(chǎn)生電力，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，目前技術(shù)儲(chǔ)備和商 業(yè)模式仍處于積極探索中，電堆、整車技術(shù)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性都是制約燃料 電池行業(yè)發(fā)展的瓶頸。如何獲得低成本的氫源，并選擇合理的儲(chǔ)存和輸送方 式，是實(shí)現(xiàn)終端加氫站運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。
◆化工副產(chǎn)集中式供氫+水電解分散式制氫是未來發(fā)展方向:國內(nèi)外加氫站 的供氫方式可分為站內(nèi)制氫和外供氫氣，目前化石燃料制氫、化工副產(chǎn)氫、 水電解制氫、甲醇制氫四種工業(yè)制氫的技術(shù)都已經(jīng)比較成熟，且氫源儲(chǔ)備充 足，綜合比較，由于負(fù)荷中心的集中區(qū)域華東地區(qū)煤炭總量指標(biāo)控制嚴(yán)格， 且中期內(nèi)天然氣供給仍將緊張，投資較重的化石燃料制氫的可行性仍待驗(yàn) 證;水電解路線的發(fā)展程度則取決于未來國內(nèi)風(fēng)電和光伏的棄電利用水平; 從目前來看，利用低成本的氯堿、PDH 和乙烷裂解等化工副產(chǎn)集中供氫+水 電解分散式制氫或?qū)?huì)是未來供氫模式的發(fā)展方向。
◆PDH 和乙烷裂解副產(chǎn)氫將是最具優(yōu)勢(shì)的副產(chǎn)氫源選擇:考慮在建和規(guī)劃 中的產(chǎn)能，未來國內(nèi)PDH(丙烷脫氫)產(chǎn)能將達(dá)915 萬噸產(chǎn)能，而規(guī)劃中 的乙烷裂解產(chǎn)能達(dá)1460萬噸。兩者合計(jì)可副產(chǎn)外售123.9萬噸氫氣，可滿 足約 866 萬輛燃料電池車用氫需求。PDH 和乙烷裂解集中在沿海港口地區(qū)， 通過低強(qiáng)度的改造便可滿足燃料電池用氫氣，PDH 和乙烷裂解副產(chǎn)的氫氣 將是未來潛在最具優(yōu)勢(shì)的燃料電池車用氫源選擇之一。
報(bào)告內(nèi)容：
1、低成本氫源是決定燃料電池車經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵
氫是目前全球公認(rèn)的最潔凈的燃料，也是重要的化工合成原料。氫不是一 次能源，需要使用一次能源通過轉(zhuǎn)換來生產(chǎn)出能量載體，目前氫氣的工業(yè)應(yīng)用 大多采用高壓氣態(tài)形式作為燃料或原料。氫燃料電池車(Fuel cell vehicle-FCEV) 是使氫或含氫物質(zhì)及空氣中的氧通過燃料電池以產(chǎn)生電力，再以電力推動(dòng)電動(dòng) 機(jī)，由電動(dòng)機(jī)推動(dòng)車輛，整個(gè)過程將氫的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。氫能源的最大 好處是跟空氣中的氧反應(yīng)產(chǎn)生水蒸氣之后排出，可有效減少燃油汽車造成的空 氣污染問題，現(xiàn)階段下高速車輛、巴士、潛水艇和火箭已經(jīng)在不同形式使用氫 燃料，而燃料電池車一般在內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)上改良而成。目前燃料電池行業(yè)無論 從技術(shù)儲(chǔ)備還是商業(yè)模式仍處于積極探索中，技術(shù)上(電堆和整車技術(shù))的可 靠性和經(jīng)濟(jì)性都是制約燃料電池行業(yè)發(fā)展的瓶頸。
當(dāng)前影響國內(nèi)加氫站終端氫氣售價(jià)的主要因素是氫氣到站成本(占70%)， 其中包括氫氣成本和儲(chǔ)氫、運(yùn)氫成本。因此除降低儲(chǔ)氫和運(yùn)氫成本之外，如何 獲得低成本的氫源，將是實(shí)現(xiàn)終端加氫站運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。
目前國內(nèi)用于外供氫氣的氫能儲(chǔ)備非常充足，但目前下游供氫體系尚處于 萌芽探索階段，幾種制氫路線的經(jīng)濟(jì)性尚處驗(yàn)證之中。展望未來，由于負(fù)荷中 心的集中區(qū)域華東地區(qū)煤炭總量指標(biāo)控制嚴(yán)格，且中期內(nèi)天然氣供給仍將較為 緊張，投資較重的化石燃料制氫(煤制氫和天然氣重整制氫)作為定向的供氫 路線，其可行性獲得確認(rèn)之前難以大規(guī)模推廣;而水電解路線雖然可以實(shí)現(xiàn)分 散式供氫，但其經(jīng)濟(jì)性取決于電力成本的降低，國內(nèi)風(fēng)電和光伏的棄電利用水 平是制約該路線未來發(fā)展程度的關(guān)鍵。
從目前來看，國內(nèi)化工副產(chǎn)氫的利用是燃料電池行業(yè)供氫的較優(yōu)選擇，國 內(nèi)氯堿、PDH 和快速發(fā)展的乙烷裂解行業(yè)可提供充足的低成本氫氣資源，且集 中在負(fù)荷中心密集的華東地區(qū)，在對(duì)這些裝置進(jìn)行低強(qiáng)度的改造之后可同時(shí)解 決燃料電池行業(yè)的供氫和副產(chǎn)氫高效利用的問題，未來化工副產(chǎn)集中式供氫+ 水電解分散式制氫將會(huì)是國內(nèi)燃料電池行業(yè)供氫模式的發(fā)展方向。
(1)從出廠成本來看，焦?fàn)t氣、氯堿、丙烷脫氫制丙烯和乙烷裂解制烯烴 副產(chǎn)的粗氫氣可以經(jīng)過脫硫、變壓吸附和深冷分離等精制工序后作為燃料電池 車用氫源，成本遠(yuǎn)低于化工燃料制氫、甲醇重整制氫和水電解制氫等路線。
(2)從副產(chǎn)的氫氣量來看，國內(nèi)焦化行業(yè)產(chǎn)能巨大，可副產(chǎn)氫氣量較大， 但由于焦化產(chǎn)能集中在山西、河北和山東等華北地區(qū)，距離長三角等負(fù)荷中心 較遠(yuǎn)，且分離精制成本較高，而考慮到儲(chǔ)氫和運(yùn)氫后的綜合成本與氯堿、丙烷 脫氫和乙烷裂解制氫相比更是不占優(yōu)勢(shì)。
(3)綜合來看，現(xiàn)有的PDH產(chǎn)能約 588 萬噸，考慮在建和前期準(zhǔn)備中的 產(chǎn)能，未來國內(nèi)將合計(jì)擁有 915 萬噸產(chǎn)能，可副產(chǎn)并外售 30.5 萬噸氫氣，可以 滿足約 213萬輛燃料電池車用氫量;而規(guī)劃中的乙烷裂解產(chǎn)能達(dá)1460萬噸， 可以實(shí)現(xiàn)的外供氫氣量達(dá) 93.4 萬噸，規(guī)模更為巨大，可滿足約 653 萬輛燃料電 池車用氫需求。此外丙烷脫氫和乙烷裂解裝置基本上集中在沿海港口地區(qū)，通 過進(jìn)一步的低投資強(qiáng)度的精制工序，氫氣中的總硫、CO 等雜質(zhì)含量便可符合 燃料電池用氫氣標(biāo)準(zhǔn)，因此丙烷脫氫和乙烷裂解副產(chǎn)的氫氣將是未來潛在最具 優(yōu)勢(shì)的燃料電池車用氫源選擇之一。
2、氫能體系和質(zhì)子交換膜燃料電池的氫氣標(biāo)準(zhǔn)
氫能作為二次能源，相比電力可實(shí)現(xiàn)跨地域和跨季節(jié)的優(yōu)化配置，優(yōu)化現(xiàn) 有的電力能源系統(tǒng);發(fā)展氫能燃料電池，有助于解決石油與天然氣等的消費(fèi)總 量問題，降低國內(nèi)消費(fèi)的對(duì)外依存度;國內(nèi)可再生能源氫資源豐富，發(fā)展水電 解制氫利用棄水、棄風(fēng)、棄光資源，可以實(shí)現(xiàn)可再生能源利用率的提高，從長 期來看構(gòu)建與可再生能源相補(bǔ)充的氫能體系是能源清潔化發(fā)展的重要方向， 但 從目前的實(shí)際情況來看燃料氫氣的來源仍將多元化發(fā)展。
目前工業(yè)上生產(chǎn)氫氣的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，化石燃料制氫、化工副產(chǎn)氫、 水電解制氫、甲醇制氫各種路線均已經(jīng)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，此外光電化學(xué)和生物 制氫尚處于技術(shù)開發(fā)階段。而從目前國內(nèi)外加氫站的運(yùn)營情況來看，目前供氫 的方式主要分為兩種:站內(nèi)制氫和外供氫氣。其中站內(nèi)制氫主要是水電解制氫， 該技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟并且在歐洲大多數(shù)加氫站獲得應(yīng)用;而外供氫氣則是大規(guī) 模的利用天然氣重整制氫或者鋼廠、化工廠副產(chǎn)氫氣，在凈化之后使用高壓氧 氣瓶集束拖車運(yùn)輸至加氫站。
質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用氫氣的標(biāo)準(zhǔn)
燃料電池將燃料中的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換為電能，按其電解質(zhì) 不同，可以分為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、堿性燃 料電池(AFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)等。 目前燃料電池汽車主要使用質(zhì)子交換膜燃料電池，因?yàn)槠涔に囅鄬?duì)簡單、制造 成本較低、應(yīng)用范圍廣、啟動(dòng)速度快。質(zhì)子交換膜燃料電池主要組成部分包括 催化劑、質(zhì)子交換膜、電極和雙極板等，質(zhì)子交換膜在發(fā)電時(shí)作為傳遞氫離子 的介質(zhì)，只允許氫離子通過，工作時(shí)相當(dāng)于一個(gè)直流電源。由于催化劑一般使 用金屬鉑和鉑碳顆粒作為催化劑，因此對(duì)燃料氫氣的規(guī)格和其中雜質(zhì)含量有一 定要求，其標(biāo)準(zhǔn)與工業(yè)氫氣相比要求更為嚴(yán)格。
目前國際上燃料電池的氫氣標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)較為完善，但是國內(nèi)尚未正式實(shí)施質(zhì) 子交換膜燃料電池用氫氣的國家標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行的《氫氣》國家標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)國家技術(shù)監(jiān) 督局批準(zhǔn)發(fā)布并于 1996年開始實(shí)施，定義純度 99.99%以下的氫氣為工業(yè)氫， 大于或等于 99.99%的為純氫，大于或等于 99.999%的為高純氫，大于或等于 99.9999%的為超純氫。
國內(nèi)燃料電池行業(yè)發(fā)展迅速，為了規(guī)范氫氣中微量污染物的測(cè)試方法和指 標(biāo)， 2017 年 12 月全國氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)推動(dòng)下，中國節(jié)能協(xié)會(huì)聯(lián)合13單位起草并發(fā)布實(shí)施了燃料電池氫氣的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用 燃料 氫氣》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了聚全氟磺酸類質(zhì)子交換膜電池(PEMFC)汽車用 燃料氫氣的純度、雜質(zhì)含量要求及其分析試驗(yàn)方法等。2018 年 12 月 28 日以上 述標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，國家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布了燃 料電池氫氣的國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 37244-2018，并將于 2019 年 7 月 1 日正式實(shí)施。 相比與工業(yè)氫標(biāo)準(zhǔn)和純氫、高純氫、超純氫標(biāo)準(zhǔn)，用于質(zhì)子交換膜燃料電表 池的氫氣標(biāo)準(zhǔn)在總硫、總氯化物以及其他雜質(zhì)的含量上指定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。
3、不同的制氫路線:化工副產(chǎn)+水電解制氫或?qū)?是未來供氫模式的終極選擇
3.1、化石燃料制氫:已廣泛應(yīng)用于合成氨和煉廠加氫等 大規(guī)模工業(yè)制氫
氫氣的工業(yè)應(yīng)用廣泛，除作為化工原料用于合成氨、甲醇生產(chǎn)以及煉油時(shí) 的加氫反應(yīng)之外，在電子、冶金、食品加工、玻璃、精細(xì)化工合成、航空航天 等領(lǐng)域也有應(yīng)用。目前全球氫氣的最大下游仍是生產(chǎn)合成氨，而基于環(huán)保的要 求，國內(nèi)外對(duì)汽柴油標(biāo)準(zhǔn)不斷提升，煉油過程的加氫裂化和加氫精制過程，也 需要消耗大量的氫氣，煉油廠重整單元副產(chǎn)的氫氣無法滿足加工原料重質(zhì)化趨 勢(shì)下的加氫需求，煉廠普遍需要配套獨(dú)立的制氫裝置。在國外，這些合成氨和 煉廠的制氫裝置大多采用天然氣或者輕油作為重整原料，而在國內(nèi)，隨著新型 氣流床煤氣化技術(shù)的成熟，普遍采用煤制合成氣裝置來制備并分離提純氫氣。
天然氣重整制氫流程與生產(chǎn)成本分析
目前工業(yè)用氫中大部分是通過化石燃料的二次處理得到的，可通過蒸汽重 整、氧化重整和自熱重整等處理烴類或醇類，其中蒸汽重整應(yīng)用最為廣泛。重 整產(chǎn)品中除氫氣外還包括 CO、CO2 等雜質(zhì)氣體，必須通過凈化工藝除去雜質(zhì) 氣體，才能不影響燃料電池的正常使用。以天然氣制氫的過程為例，在一定的 壓力和高溫及催化劑作用下，天然氣中烷烴和水蒸汽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。轉(zhuǎn)化氣經(jīng) 過沸鍋換熱、進(jìn)入變換爐使CO變換成 H2 和 CO2。再經(jīng)過換熱、冷凝、汽水 分離,通過程序控制將氣體依序通過裝有 3 種特定吸附劑的吸附塔，由變壓吸附 (PSA)升壓吸附 N2、CO、CH4、CO2，提取產(chǎn)品氫氣。
天然氣重整制氫流程與生產(chǎn)成本分析
國內(nèi)基于富煤缺油少氣的資源結(jié)構(gòu)，煤制氫成為目前制取工業(yè)氫的主流路 線，煤制氫包括以下幾個(gè)單元:煤氣化、一氧化碳耐硫變換、酸性氣體脫除、 硫回收、變壓吸附提氫(PSA) 等。煤制氫以煤和氧氣為主要原料，通過氣化反 應(yīng)制取粗合成氣，通過變換工藝把粗合成氣中的 CO 轉(zhuǎn)化為 H2，變換氣再經(jīng) 酸性氣體脫除工藝脫除CO2、H2S 和 COS 等，凈化氣送至 PSA 進(jìn)行提純， 生產(chǎn)出氫氣產(chǎn)品，而H2S和COS 進(jìn)硫回收裝置制硫磺或硫酸。
已建的大型煉廠煤制氫裝置中，除個(gè)別裝置采用干煤粉氣流床氣化技術(shù)外， 多采用水煤漿氣流床氣化技術(shù)，水煤漿氣化的優(yōu)勢(shì)在于:(1)原料適應(yīng)性好， 水煤漿氣化可以氣化煙煤、次煙煤和部分石油焦;(2)制氫壓力高，與后續(xù) 系統(tǒng)需求壓力匹配性好;(3)產(chǎn)品匹配性好，氣化合成氣中氫氣含量高;(4)單臺(tái)爐投資低，設(shè)置備爐可確保氣化連續(xù)供氫。
隨著煤化工技術(shù)的進(jìn)步，利用煤制氫已經(jīng)是技術(shù)成熟、環(huán)境友好的生產(chǎn)方 式，但相較于天然氣制氫工藝，煤制氫有更多的“三廢”排放。天然氣制氫的特點(diǎn) 在于流程短，投資低，運(yùn)行穩(wěn)定，但由于天然氣價(jià)格相對(duì)較高，制氫成本高。 煤制氫的特點(diǎn)在于流程長，投資高，運(yùn)行相對(duì)復(fù)雜，因煤炭價(jià)格相對(duì)較低，制 氫成本低。當(dāng)制氫規(guī)模低于6萬 Nm3/h 時(shí)，煤制氫的氫氣成本中固定資產(chǎn)折
舊成本高，與天然氣制氫相比沒有優(yōu)勢(shì)，但當(dāng)制氫規(guī)模大于6 萬Nm3/h，煤制 氫成本中固定資產(chǎn)折舊成本較低，其氫氣成本具有競爭能力。制氫規(guī)模越大， 煤制氫路線的成本優(yōu)勢(shì)越明顯。
天然氣制氫路線的制氫成本受天然氣價(jià)格的變化影響較大，天然氣價(jià)格上 漲 0.5 元/Nm3 時(shí)，制氫成本提升約1850元/噸。而煤制氫路線的制氫成本隨 著煤炭價(jià)格的變化影響較小，煤炭價(jià)格上漲 100 元/ 噸時(shí)，制氫成本僅提升約800元/噸，由于煤炭價(jià)格的波動(dòng)幅度遠(yuǎn)較天然氣小，所以從原料價(jià)格的上漲趨 勢(shì)看，煤炭制氫的價(jià)格抗風(fēng)險(xiǎn)能力也要優(yōu)于天然氣。
3.2、化工副產(chǎn)制氫:氯堿和輕烴利用(PDH 和乙烷裂解) 副產(chǎn)制氫可行性較高
除了以直接制氫為目的的煤制氫和天然氣制氫外，目前國內(nèi)部分化工裝置 也副產(chǎn)大量的氫氣，這些氫氣也可以作為燃料電池用氫的穩(wěn)定來源。除了煉廠 的重整裝置副產(chǎn)大量氫氣并自供之外，乙烯裝置、氯堿裝置和焦炭裝置均副產(chǎn) 大量的氫氣，由于下游耗氫化工產(chǎn)品的市場(chǎng)體量較小，且主要集中在苯胺、己 內(nèi)酰胺和雙氧水等行業(yè)，大量副產(chǎn)的氫氣無法消化，只能作為燃料氣使用。燃 料電池行業(yè)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；罂梢钥紤]對(duì)這些化工副產(chǎn)氫氣進(jìn)行高水平的利用。
3.2.1、焦?fàn)t氣制氫:規(guī)模較大，但產(chǎn)能集中在北方，易受環(huán)保限產(chǎn) 影響
焦?fàn)t氣是焦碳生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品，通常生產(chǎn) 1 噸焦碳可副產(chǎn) 420Nm3 焦 爐氣。一焦?fàn)t煤氣組成中含氫氣55—60%(體積)、甲烷 23—27%、一氧化碳 6-8%等，將其中的萘、硫等雜質(zhì)去除之后，使用變壓吸附裝置可以將焦?fàn)t煤氣 中的氫氣提純。以年產(chǎn) 100萬噸的焦炭企業(yè)為例，可副產(chǎn)焦?fàn)t氣 4.2 億 Nm3， 按 2.5 Nm3 焦?fàn)t氣提 1.0 Nm3 氫氣計(jì)，可制取1.68億 Nm3(1.512 萬噸)氫 氣。2018 年國內(nèi)焦炭產(chǎn)量約為 4.3 億噸，理論上可提純副產(chǎn)氫氣量超過650萬 噸/年。
近年來由于環(huán)保要求趨嚴(yán)，大部分焦炭裝置副產(chǎn)的焦?fàn)t煤氣下游都配套了 深加工裝置，用來作為合成氨、甲醇、LNG、合成氣制烯烴、合成氣制乙二醇 等裝置的原料。部分鋼廠配套建設(shè)的焦化廠，少數(shù)企業(yè)經(jīng)變壓吸附裝置提純氫 氣，作為冷軋廠等生產(chǎn)過程的保護(hù)氣或作為商品氣出售。除了上述應(yīng)用途徑之 外，仍有 50%左右的焦?fàn)t煤氣作為城市煤氣或企業(yè)自身燃料回爐助燃，因此理 論上全國焦化行業(yè)可以提供 325 萬噸副產(chǎn)氫氣用來滿足燃料電池需求。
考慮到焦?fàn)t煤氣中雜質(zhì)含量較大，且組成較為復(fù)雜，需設(shè)計(jì)較復(fù)雜的凈化 流程以生產(chǎn)出滿足燃料電池用的合格氫氣。但是焦?fàn)t氣制取氫氣應(yīng)用于燃料電 池行業(yè)的最大障礙來自于焦化產(chǎn)能的集中區(qū)域與燃料電池行業(yè)負(fù)荷中心分布的 錯(cuò)配，目前山西、河北和山東是焦炭產(chǎn)能的前三省份，2018 年三省份合計(jì)產(chǎn)能 占國內(nèi)總焦炭產(chǎn)能的 52%，而國內(nèi)產(chǎn)能的 80%以上集中在北方地區(qū)，華南和西 南焦化產(chǎn)能很少，且大部分集中在鋼企手中。
除了焦化產(chǎn)能的分布存在較強(qiáng)的地域性限制之外，焦化行業(yè)也面臨著來自 環(huán)保端的巨大壓力，2016 年以來環(huán)保監(jiān)管日益強(qiáng)化下焦炭限產(chǎn)已經(jīng)成為常態(tài)， 由于重點(diǎn)督察的“2+26”個(gè)城市所在省份合計(jì)焦炭產(chǎn)量在全國總產(chǎn)量中占比超 過 45%，因此在冬季開工受限時(shí)如何保證氫源的穩(wěn)定供應(yīng)仍存在不確定性。
3.2.2、氯堿副產(chǎn)氫氣提純成本低，且接近負(fù)荷中心，是燃料電池氫源的較優(yōu)選擇
燒堿行業(yè)在電解食鹽水生產(chǎn)燒堿的過程中副產(chǎn)大量的氫氣，國內(nèi)燒堿產(chǎn)能 從 2008 年的 2472 萬噸快速增長至2018年的 4075 萬噸，盡管受到氯堿平衡 的制約，2018 年燒堿產(chǎn)量同比略有下滑，但仍高達(dá) 3410.7 萬噸的較高水平。 離子膜燒堿裝置每生產(chǎn) 1 噸燒堿可副產(chǎn) 280Nm3(0.025噸)氫氣，理論上燒堿行業(yè)副產(chǎn)氫氣量約為85.3萬噸，盡管大型氯堿裝置多數(shù)配套鹽酸和聚氯乙烯 裝置，以平衡氯氣并回收利用副產(chǎn)氫氣，但是僅有60%左右得到回收以生產(chǎn)鹽 酸、氯乙烯單體和雙氧水等，其余氫氣除少量經(jīng)氫壓站壓縮后用鋼瓶外送之外， 大部分氫氣都被用作鍋爐燃料或者直接放空，由于用作燃料時(shí)和同熱值燃煤(假 設(shè) 5500KCal 標(biāo)煤價(jià)格為550元/噸)相比其價(jià)值僅為 0.18 元/Nm3 左右，因此30%以上的氫氣被低水平利用或直接浪費(fèi)掉，理論上全國氯堿行業(yè)可以提供 25.6 萬噸副產(chǎn)氫氣用來滿足燃料電池需求。
離子膜法生產(chǎn)的氯堿氫非常適合作為低成本的燃料電池氫源
催化劑是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)膜電極(MEA)的關(guān)鍵材料，直 接影響到放電性能和壽命，由于 PEMFC 工作溫度不足 100 度，對(duì)催化劑活性 有較高要求，盡管國內(nèi)外對(duì)低鉑與非鉑催化劑進(jìn)行了大量研發(fā)工作，但是目前 鉑催化劑仍是最理想的和唯一成功商業(yè)化的膜電極催化劑。鉑金價(jià)格昂貴，且 易受燃料氫氣中的一氧化碳和硫等物質(zhì)污染而失活，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致電堆壽命縮減， 為了提高鉑系催化劑的使用壽命，如何獲得高純度的氫源顯得至關(guān)重要。
目前包括天然氣重整和煤氣化在內(nèi)的化石燃料制氫盡管適用于大規(guī)模工業(yè) 制氫，但是工藝復(fù)雜、投資較大且能耗較高;焦炭行業(yè)副產(chǎn)的焦?fàn)t氣中雖有大 量氫氣可供提純，但焦?fàn)t氣中氫氣含量(vol)僅有 55%，且伴生大量一氧化碳 和硫化物，因此氫氣提純和精制成本相對(duì)較高。而國內(nèi)氯堿行業(yè)目前基本上全 部采用離子膜電解路線，副產(chǎn)氫氣的純度一般在 99%以上，一氧化碳含量較低 且無化石燃料中的有機(jī)硫和無機(jī)硫，因此純化成本相對(duì)較低，目前氯堿廠用于 雙氧水生產(chǎn)、制藥、電子和石英加工的回收氫氣成本僅約1.3 元/Nm3。而從規(guī) 模上看，一套 40 萬噸/年的燒堿裝置每年除供下游鹽酸和 PVC 裝置用氫外，仍 可外供 0.3 萬噸氫氣。
國內(nèi)氯堿產(chǎn)能分散，更為接近燃料電池下游負(fù)荷中心
如同世界許多地區(qū)的能源資源與能源消費(fèi)中心往往呈逆向分布，未來燃料 電池行業(yè)發(fā)展同樣面臨低成本的氫源遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的問題。目前國內(nèi)新能源汽 車發(fā)展較快的城市集中分布在華東和華南地區(qū)，乘聯(lián)會(huì)數(shù)據(jù)顯示 2018 年新能源 汽車銷量前十城市份額占比約 54.7%，未來燃料電池汽車發(fā)展仍將發(fā)端并集中 在上述地區(qū)。在目前的化工副產(chǎn)制氫路線中，氯堿產(chǎn)能集中分布在山東、江蘇、 浙江、河南和河北等省份，可較好覆蓋與輻射京津冀與長三角等潛在負(fù)荷中心， 是未來低成本氫源的較優(yōu)選擇。
3.2.3、丙烷脫氫和輕烴裂解同樣是燃料電池氫源的重要選項(xiàng)
而除了氯堿行業(yè)副產(chǎn)氫氣之外，北美頁巖油氣革命之后國內(nèi)輕烴資源利用 項(xiàng)目高速發(fā)展，來自 PDH 和輕烴裂解副產(chǎn)的氫氣在未來也將有望成為國內(nèi)燃料 電池車用供氫的重要來源，以 PDH 裝置副產(chǎn)氫氣為例，粗氫氣的純度已經(jīng)高達(dá) 99.8%，而其中 O2、H2O、CO 和 CO2 的含量與燃料電池用氫氣規(guī)格較為接 近，僅總硫含量超出，但輕烴的原料屬性決定其雜質(zhì)含量遠(yuǎn)低于煤制氫、天然 氣制氫和焦?fàn)t氣制氫，僅需較小的成本對(duì)其凈化便可用作燃料電池的穩(wěn)定氫源 使用。此外國內(nèi)已建成和在建、規(guī)劃中的輕烴資源利用項(xiàng)目均分布在華東和華 南的沿海港口地區(qū)，可以完美的輻射燃料電池負(fù)荷中心，降低氫氣運(yùn)輸?shù)某杀尽?
目前國內(nèi)已投產(chǎn)裝置合計(jì)產(chǎn)能約 558.5 萬噸，而考慮在建和前期準(zhǔn)備中的 產(chǎn)能，未來國內(nèi)將合計(jì)擁有 915 萬噸 PDH 產(chǎn)能，按照可副產(chǎn)并外售30.5萬噸 氫氣的量，可以滿足約 213 萬輛燃料電池車用氫量;此外國內(nèi)目前在建和規(guī)劃 中的約 1460 萬噸乙烷裂解和輕烴裂解產(chǎn)能，按照副產(chǎn)可外售 93.4 萬噸的氫氣 外售量，可滿足約 653 萬輛燃料電池車用氫需求。
3.3、甲醇重整制氫:已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，可作為站內(nèi)制氫路線
盡管我國工業(yè)氫氣制取技術(shù)相對(duì)成熟，但燃料電池用氫氣純化仍處于起步 中，考慮到外供氫氣之前的提純成本和送至加氫站的運(yùn)輸成本，化工規(guī)?；?氫路線存在其局限性，甲醇制氫等站內(nèi)制氫方案在燃料電池領(lǐng)域得以推廣。工 業(yè)上甲醇制氫主要通過蒸汽重整來實(shí)現(xiàn)，該路線氫收率高，能量利用合理，過 程控制簡單，已獲得大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。
甲醇水蒸氣重整制氫在二十世紀(jì) 70 年代由 Johnson-Matthey 開發(fā)而成， 工業(yè)化后的甲醇重整制氫工藝使用甲醇和脫鹽水為原料，在 220~280°C下催化 發(fā)生重整反應(yīng)，甲醇的單程轉(zhuǎn)化率可達(dá) 99%以上，氫氣的選擇性高于 99.5%，轉(zhuǎn)化氣中除了氫和二氧化碳以外僅有微量甲烷和一氧化碳，通過變壓吸附后可 獲得純度為 99.999%的氫氣，一氧化碳的含量低于 5ppm。上述裝置已經(jīng)廣泛 使用于航空航天、精細(xì)化工、制藥、小型石化、特種玻璃、特種鋼鐵等行業(yè)。 利用甲醇水蒸汽重整制氫規(guī)模一般在20Nm3/h~3000Nm3/h 之間，屬中小規(guī) 模的氫氣需求，獲得的氫氣成本為 2.2 元/ Nm3 左右。由于該路線可以實(shí)現(xiàn)零 排放，因此采用甲醇水蒸汽重整制氫為氫燃料電池汽車建立現(xiàn)場(chǎng)制氫的加氣站 是非常好的選擇。
3.4、水電解制氫:充分利用廢棄的可再生能源
電解水制氫最清潔、最可持續(xù)的制氫方式，并將成為燃料電池發(fā)展中最具 潛力的制氫方法之一。當(dāng)前制氫技術(shù)比較發(fā)達(dá)的日本，主要采用的制氫方法就 是電解水制氫，日本主要的制氫產(chǎn)能主要來自于電解水制氫，該方式的制氫產(chǎn) 能占總制氫產(chǎn)能的 63%，而化石原料制氫、化工原料制氫、工業(yè)尾氣制氫的制 氫產(chǎn)能占比都比較小。電解水獲得的氫氣純度較高，可以直接用于燃料電池汽 車，但是目前電解水制氫受制于較高的成本而難以大規(guī)模運(yùn)用。目前制取一立 方米氫氣大約需要 4.8~5 度電，即便用谷電制氫最終成本也在3元/立方米左 右。如果將棄風(fēng)棄水的電量充分利用起來，用于電解水制氫，將有利于電解水 制氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
國內(nèi)棄水、棄風(fēng)、棄光資源豐富，2017 年中國棄風(fēng)、棄光、棄水量分別達(dá) 到 419 億千瓦時(shí)，73 億千瓦時(shí)、515 億千瓦時(shí);其中棄風(fēng)、棄光率分別達(dá)到 12%、6%。2018 年 12 月，國家發(fā)改委與國家能源局聯(lián)合印發(fā)《清潔能源消納 行動(dòng)計(jì)劃(2018-2020 年)》，文件指出將確保棄風(fēng)率和棄光率均控制在低于 5%的水平，并探索可再生能源富余電力轉(zhuǎn)化為熱能、冷能、氫能，實(shí)現(xiàn)可再生 能源多途徑就近高效利用。
總體來看，現(xiàn)階段下可選的制氫途徑多樣，而且氫氣供給也足以推動(dòng)燃料 電池汽車的發(fā)展，但是我國氫能供給體系尚未形成，未來國內(nèi)氫能行業(yè)發(fā)展將 會(huì)以燃料電池車輛負(fù)荷中心為核心，從工藝和成本的角度結(jié)合考慮，一方面利 用化工資源大力發(fā)展規(guī)?；闹茪?儲(chǔ)氫-供氫，另一方面利用廢棄的可再生能源 或甲醇蒸汽重整路線發(fā)展分散式的供氫站，將是發(fā)展國內(nèi)氫能供給體系的最佳 選擇。
4、投資建議
從目前來看，我們認(rèn)為利用國內(nèi)化工副產(chǎn)氫是燃料電池行業(yè)氫源的較優(yōu)選 擇，國內(nèi)氯堿、PDH 和快速發(fā)展的乙烷裂解行業(yè)可提供充足的低成本氫氣資源， 且集中在負(fù)荷中心密集的華東地區(qū)，在對(duì)這些裝置進(jìn)行低強(qiáng)度的改造之后可同 時(shí)解決燃料電池行業(yè)的供氫和副產(chǎn)氫高效利用的問題，未來化工副產(chǎn)集中式供 氫+水電解分散式制氫將會(huì)是國內(nèi)燃料電池行業(yè)供氫模式的發(fā)展方向。
