中國儲能網(wǎng)訊：化石資源/醇類制氫工藝成熟、成本低廉，具備較強的規(guī)模效應，是目前工業(yè)氫氣的主要制取路徑，但化石資源制氫過程中會排放大量二氧化碳、污染環(huán)境與發(fā)展燃料電池、節(jié)能減排的理念相左，同時考慮到未來國內(nèi)征收高額碳稅的可能性，我們判斷化石資源制氫難以成為燃料電池的主要氫氣來源。
1、煤制氫
煤氣化制氫的特點是流程長、投資高，運行相對復雜，同時原料相對便宜、帶來成本優(yōu)勢。主要工藝流程為煤或煤焦與純氧和蒸氣反應得到以H?和CO為主要組分的煤氣，再經(jīng)過煤氣凈化、CO變換以及H?提純等生產(chǎn)過程獲得一定純度的氫氣。煤制氫裝置的期初投資額較高，需要大規(guī)模制氫，才能分攤折舊壓力，規(guī)模越大，成本優(yōu)勢更明顯。目前國內(nèi)煤制氫裝置規(guī)模通常在每小時幾萬標準立方米至十幾萬標準立方米，投資額在幾億至幾十億不等。煤制氫廢水、廢氣、廢渣排放量大，環(huán)保投入大，因此一般用于化工生產(chǎn)，將碳元素轉(zhuǎn)移到化工產(chǎn)品從而減少碳排放；若單獨生產(chǎn)氫氣，每千克H?約產(chǎn)生19-29kg的CO?，按北京2018年碳交易價50元/噸考慮，氫氣生產(chǎn)成本會增加1-1.5元/kg。此外，煤制氫氣中含有的雜質(zhì)較多，對于純化裝置要求較高，從而抬高了其生產(chǎn)總成本。
2、天然氣制氫
天然氣制氫的特點是流程短、投資低、技術(shù)相對成熟、運行穩(wěn)定、環(huán)境友好，但原料成本較高，制氫成本受天然氣價格的影響較大。主要工藝流程為：天然氣與水蒸氣重整制得以H?、CO、CO?為主要組分的合成氣，再經(jīng)過CO變換以及H?提純生產(chǎn)過程獲得一定純度的氫氣。天然氣制氫是化石能源制氫中最環(huán)保的工藝路徑，因此天然氣制氫也是全球氫氣的主要來源，但由于國內(nèi)天然氣資源相對匱乏且價格昂貴，大規(guī)模推廣具備一定難度。碳排放角度看，通過天然氣制氫工藝，每制得1kg氫氣，將排放10.86-12.49kg的二氧化碳，碳排放量遠低于煤制氫工藝，若征收高額碳稅，國內(nèi)天然氣制氫成本有望低于煤制氫成本。
3、甲醇制氫
甲醇制氫具備規(guī)模靈活、投資成本低、碳排放低、原料易得等優(yōu)勢。國內(nèi)甲醇制氫主要采用甲醇水蒸氣重整制氫工藝，即甲醇與水蒸氣重整制得以H?、CO、CO?為主要組分的合成氣，再經(jīng)過CO變換以及H2提純等生產(chǎn)過程獲得一定純度的氫氣。甲醇制氫的投資成本低、生產(chǎn)規(guī)模靈活，同等規(guī)模的投資額約是煤制氣的1/10，天然氣制氫的1/3-1/2。甲醇制氫的碳排放主要在于甲醇生產(chǎn)過程中，如果不考慮甲醇生產(chǎn)過程的碳排放，甲醇制氫排放與天然氣相當。甲醇作為大宗化工原料，有長期穩(wěn)定的供貨渠道，因此甲醇制氫在國內(nèi)有龐大的用戶群體。
4、工業(yè)副產(chǎn)制氫
工業(yè)副產(chǎn)制制氫就是將富含氫氣的工業(yè)尾氣作為原料，主要采用變壓吸附法（PSA法），回收提純制氫。目前主要尾氣來源有氯堿工業(yè)副產(chǎn)氣、焦爐煤氣、輕烴裂解副產(chǎn)氣。與其他制氫方式相比，工業(yè)副產(chǎn)品制氫的最大優(yōu)勢在于幾乎無需額外的資本投入和化石原料投入，所獲氫氣在成本和減排方面有顯著優(yōu)勢。我們測算了工業(yè)副產(chǎn)氫氣的潛在供應量，認為其理論產(chǎn)氫規(guī)模足以滿足“2030年百萬輛燃料電池車上路行駛”的市場需求，是燃料電池發(fā)展初期和中期的最佳供氫解決方案之一。
5、氯堿副產(chǎn)制氫
氯堿副產(chǎn)制氫具備提純難度小、雜質(zhì)含量低、氫氣得到有效利用等優(yōu)勢。氯堿廠以食鹽水為原料，采用離子膜或石棉隔膜電解槽，生產(chǎn)出燒堿、氯氣、以及副產(chǎn)品氫氣。大部分氯堿廠采用物理吸附法PSA法，將其副產(chǎn)品氫氣提純，可獲得高純度氫氣，該工藝具備能耗低、投資少、自動化程度高、產(chǎn)品純度高、無污染等優(yōu)勢?？紤]副產(chǎn)氫氣純度在提純前已高達99%以上，主要雜質(zhì)是氧氣、氮氣、水蒸氣，該工藝下高純度氫氣的生產(chǎn)成本只有1.3-1.5元/Nm3，與其他制備方法相比，成本、環(huán)保優(yōu)勢凸顯。
產(chǎn)量上看，2018年國內(nèi)燒堿產(chǎn)量達到3420萬噸，按每生產(chǎn)1噸燒堿可副產(chǎn)280Nm3氫氣（25kg）測算，每年副產(chǎn)氫氣85.5萬噸。目前國內(nèi)氯堿廠對副產(chǎn)的氫氣有兩種利用方式，其一為與氯氣反應制備鹽酸或制備其它化工品，其二為燃燒釋放熱能（前期投資大），目前高達30%以上的副產(chǎn)氫氣被直接放空，形成資源浪費。若將被放空的副產(chǎn)氫氣完全利用，理論上可實現(xiàn)25.56萬噸高純度氫氣的對外供應，可供應超過100萬輛燃料電池車，足以滿足國內(nèi)燃料電池車短期和中期的用氫需求。
6、焦爐煤氣制氫
我國是全球最大的焦炭生產(chǎn)國，2018年國內(nèi)焦炭產(chǎn)量達到4.38億噸，占全球總產(chǎn)量的60%。焦爐煤氣是煉焦過程的副產(chǎn)物，除含大量氫氣（50%以上）、甲烷之外，其他組分相對復雜，隨原料煤的不同有較大的差別。焦爐煤氣變壓吸附制氫工藝過程分為原料理縮、冷凍凈化分離,變壓吸附脫碳烴、脫硫壓縮、變壓吸附制氫和脫氧等五道工序，最終制取氫氣的純度超過99.99%。國內(nèi)焦爐煤氣制取氫氣的理論空間最大，但是鋼鐵聯(lián)合焦化企業(yè)自身循環(huán)利用系統(tǒng)通常較為完善，大部分焦化氣已實現(xiàn)充分利用，實際可提純并對外供應的供氫氣量有限。
7、輕烴裂解制氫
輕烴裂解制氫主要有丙烷脫氫（PDH）和乙烷裂解兩種路徑。
乙烷裂解制乙烯裝置主要集中在北美、中東和東南亞，2017年開始，中國企業(yè)發(fā)力乙烷制乙烯市場，陸續(xù)有多家企業(yè)宣布將引進美國低價的輕烴原料生產(chǎn)乙烯。國內(nèi)乙烷裂解項目正加速落地，據(jù)不完全統(tǒng)計，至2022年末，國內(nèi)乙烯產(chǎn)能將達到858萬噸，副產(chǎn)氫氣55.34萬噸（1噸乙烯副產(chǎn)64.5kg氫氣），理論上可供應220萬輛燃料電池車。
PDH裝置副產(chǎn)的氫氣純度高，提純難度小，且大部分產(chǎn)能靠近東部沿海地區(qū)，與下游燃料電池應用市場緊密貼合，具備廣闊前景。截至2019年6月末，國內(nèi)共有10個PDH項目投產(chǎn)，另有4個在建，還有多家企業(yè)PDH項目處于前期工作，其中有確切投產(chǎn)年份規(guī)劃的有4個。預計到2023年末，國內(nèi)18個PDH項目丙烯總產(chǎn)能將達1035萬噸/年，副產(chǎn)氫氣39萬噸/年，理論上可供應156萬輛燃料電池車。
8、電解水制氫
水電解制氫具備工藝簡單、無污染、氫氣產(chǎn)品純度高等優(yōu)勢，缺點在于成本高、耗電量大、暫不具備大規(guī)模推廣應用的可能。電解水制氫是在陰極上發(fā)生還原反應析出氫氣和陽極上發(fā)生氧化反應析出氧氣的反應，工藝簡單，完全自動化，操作方便。其氫氣產(chǎn)品的純度也極高，一般可以達到99-99.9%水平，且主要雜質(zhì)為H?O和O?，特別適合對CO等雜質(zhì)含量要求極為嚴格的質(zhì)子膜燃料電池。
成本端看，一般制得1標準立方米H?需要耗電4-5kWh、消耗純水1升，水價格便宜，比重較大的是電能的消耗。利用清潔電力制氫有利于促進新能源棄電的消化，也可大幅降低制氫成本。我國可再生能源豐富，可再生能源的開發(fā)力度居世界前列，新能源新增及累計裝機容量均排名世界第一，但新能源電力發(fā)電量受季節(jié)及氣候影響波動較大，無法滿足用電側(cè)負荷的穩(wěn)定性，因而棄風、棄光、棄水現(xiàn)象十分嚴重。2018年全國平均棄風率為7%、棄光率為3%、棄水率為5%，棄風率最高的地區(qū)棄風率達23%，棄光較嚴重的地區(qū)棄光率達16%，清潔電力的消納形勢嚴峻。我們認為，因地制宜發(fā)展水電解制氫前景廣闊，在棄電嚴重的地區(qū)，有望成為消納清潔電力的解決方案。2018年全國可再生能源棄電量約1,000億千瓦時，若全部用于電解水制氫，理論上可轉(zhuǎn)換為180萬噸氫氣。
9、不同制氫工藝差異性對比
我們從成本、規(guī)模、環(huán)保等三個維度對上述制氫工藝做了綜合比較，結(jié)論是：短中期看，化工副產(chǎn)氫氣最適合大規(guī)模推廣，成為燃料電池的主要供氫來源，將過往浪費的副產(chǎn)氫氣充分利用，足以滿足“2030年百萬輛燃料電池車上路行駛”的目標；但從長遠看，化工副產(chǎn)氫氣受限于主產(chǎn)品的產(chǎn)能限制，未來必然會遭遇產(chǎn)能瓶頸，而最環(huán)保的電解水制氫在實現(xiàn)技術(shù)突破后有望后來居上，成為長期供氫的主流來源。
成本：對于化石能源制氫和水電解制氫等工藝，原料費用或當?shù)鼗A(chǔ)能源價格決定了氫氣的生產(chǎn)成本；對于工業(yè)副產(chǎn)制氫工藝，副產(chǎn)氫氣的價格和提純裝置的折舊直接決定了氫氣的成本。根據(jù)相關(guān)文獻和草根調(diào)研，我們測算出工業(yè)副產(chǎn)制氫的成本可控制在3.36-16.8元/kg，優(yōu)于其他所有制氫工藝。
規(guī)模：規(guī)模角度看，國內(nèi)工業(yè)氫氣生產(chǎn)仍將以化石能源為主要原料，但在燃料電池產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展的長三角、珠三角、環(huán)渤海等地區(qū)，工業(yè)副產(chǎn)制氫是更佳的解決方案，大規(guī)模的氯堿裝置、PDH裝置、乙烷裂解裝置為周邊地區(qū)的氫氣供應提供保障，理論制氫規(guī)模足以滿足燃料電池汽車的短中期需求，也為電解水制氫的技術(shù)突破留足時間。工業(yè)副產(chǎn)氫氣受限于主產(chǎn)品的產(chǎn)能，制氫規(guī)模存在天花板，長期必將遇到產(chǎn)能瓶頸。而水電解制氫的原料易得、節(jié)能環(huán)保，若未來技術(shù)突破帶動成本大幅下降，預計屆時將成為制氫的主流工藝。
環(huán)保：從溫室氣體減排的角度看，清潔能源電解水制氫是最環(huán)保的工藝路線，化工副產(chǎn)制氫次之，化石能源制氫的碳排放量最大。
本文整編自川財證券《制氫：化工副產(chǎn)制氫有望成為短中期最優(yōu)解 》報告，在此表示感謝。
