集中式制氫技術(shù)進展及成本分析

趙運林，曹田田，，張成曉，林 偉

(1.中國石化銷售股份有限公司，北京 100728；2.中國石化石油化工科學研究院)

氫能作為二次能源中最佳碳中和載體，受到國際社會普遍關(guān)注。聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織已經(jīng)將氫能定義為“在高效的能源儲存領(lǐng)域尤其是在工業(yè)規(guī)模可再生能源儲存領(lǐng)域，一種真正的范式轉(zhuǎn)換”[1]。根據(jù)國際能源署(IEA)數(shù)據(jù)，2020年全球氫氣總產(chǎn)量高達70Mt。目前氫氣主要用于合成氨、石油煉化和合成甲醇[2-3]。在政府大力支持下，我國氫能產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展，中國氫能聯(lián)盟預計到2030年，我國氫氣需求將達到37.15Mt，占終端能源需求的約5%，其中交通能源需求約1.56Mt；到2060年，氫氣需求約為130Mt，在終端能源需求中的比例提升至約20%，其中交通能源需求提升至約40.51Mt[4]。

中國石化是我國最大的氫氣生產(chǎn)企業(yè)，年產(chǎn)氫氣約4.45Mt，近日全球最大的光伏綠氫生產(chǎn)項目在庫車啟動，2023年建成后將年產(chǎn)氫氣20kt，開啟了綠氫煉化新發(fā)展示范模式。目前中國石化擁有加油站3萬余座，具備發(fā)展氫能交通的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，截至2021年底現(xiàn)已建成加氫站74座，供氫中心8家，計劃“十四五”期間建成加氫站及油氫合建站1000座，具備加氫能力200kt/a。

中國石化銷售公司及石油化工科學研究院系統(tǒng)研究了氫氣的制備、儲存、運輸、加注等氫能產(chǎn)業(yè)鏈上主流技術(shù)，以下主要介紹集中式制氫方式及其成本。當前氫氣的制備方式主要有化石能源制氫(煤制氫、天然氣制氫等)、甲醇制氫、氨分解制氫、電解水制氫、生物制氫、光解水制氫、核能制氫等，主流的集中式制氫技術(shù)主要包括天然氣制氫、煤制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源電解水制氫。

1 天然氣制氫

天然氣制氫是成熟的化石能源制氫技術(shù)，具有流程簡單、裝置可靠、單位投資成本低等優(yōu)勢，在全球氫氣生產(chǎn)市場中占據(jù)了最大的份額，約占總氫氣產(chǎn)量的50%[5-6]。由于資源稟賦差異，國外天然氣資源豐富，價格低廉，因此天然氣制氫是歐美等西方國家的首選制氫方式。而我國以煤炭為主，天然氣供銷缺口大，價格較高，煤制氫占比高。天然氣制氫主要有水蒸氣重整制氫、部分氧化制氫和自熱重整制氫等技術(shù)，后兩種技術(shù)仍處于開發(fā)階段。天然氣水蒸氣重整工藝流程如圖1所示，主要包括脫硫、轉(zhuǎn)化、變換和變壓吸附(PSA)等工藝單元，脫硫單元主要防止催化劑中毒。目前水蒸氣重整制氫技術(shù)完全實現(xiàn)國產(chǎn)化，包括工藝設(shè)計、關(guān)鍵設(shè)備、高溫催化劑等。一般工業(yè)規(guī)模的天然氣制氫(工業(yè)級氫氣)的甲烷單耗在0.42～0.45 m3/m3，產(chǎn)氫量大多在5 000～100 000 m3/h。

圖1 天然氣重整制氫工藝流程

表1測算的是一套90 000 m3/h天然氣制氫裝置制氫成本[7]。由于天然氣同時作為原料和供熱燃料，占制氫成本的87.1%，因此天然氣價格極大影響氫氣成本。當天然氣價格為1.88元/m3時，制氫成本為10.53元/kg；當天然氣價格為2.52元/m3時，制氫成本為12.88元/kg。考慮到燃料電池汽車用氫氣純度更高，需要進一步提純天然氣制取的氫氣。目前提純車用氫氣主要采用PSA法，成本為3～7元/kg。因此，當天然氣價格為1.88元/m3時，制氫成本約為15.53元/kg；當天然氣價格為2.52元/m3時，制氫成本約為17.88元/kg。

表1 天然氣價格對成本的影響

天然氣制氫的碳排放按照制備1 kg氫氣排放10.1 kg CO2計(各機構(gòu)統(tǒng)計數(shù)據(jù)不同)[8]，碳排放交易對天然氣制氫的經(jīng)濟性影響見表2。當天然氣價格為1.88 元/m3時，加上“碳稅”后的制氫成本(燃料電池H2)為15.93元/kg；當天然氣為2.52元/m3時，加上“碳稅”后的成本則為18.28元/kg。到2025年，假設(shè)天然氣原料價格為1.88元/m3，由于技術(shù)已經(jīng)很成熟，生產(chǎn)成本下降空間有限，僅提純成本有部分下降，考慮到碳排放交易價格上漲，預計天然氣制氫價格(燃料電池H2)約為15.53元/kg；2030年，預計天然氣制氫價格約為19.63元/kg。

表2 “碳稅”對天然氣制氫氫氣成本的影響

2 煤制氫

煤制氫是化石能源制氫中另外一種成熟的制氫技術(shù)，在我國具有廣泛的應(yīng)用，主要用于合成氨和甲醇。煤制氫工藝流程如圖2所示，包括煤造氣、凈化、變換、PSA等主要流程，具有原料成本低、裝置規(guī)模大、技術(shù)成熟度高等優(yōu)點，但是裝置占地面積大、配套設(shè)施多、單位裝置投資高、工藝流程較長、操作相對復雜，此外碳排放量高、氣體分離成本高。從元素利用角度，煤中的主要元素碳僅用于提供制氫熱量，最后以溫室氣體二氧化碳的形式排放大氣，并沒有得到充分利用，不符合目前提倡的“原子經(jīng)濟”。雖然如此，但由于煤制氫綜合成本較低，現(xiàn)階段在中國仍具有較大的應(yīng)用規(guī)模[9]。

圖2 典型煤制氫工藝流程

表3測算的是一套90 000 m3/h采用水煤漿激冷工藝煤炭制氫裝置制氫成本，為便于與天然氣制氫比較，固定氫氣成本列數(shù)值。與天然氣制氫成本構(gòu)成不同，煤制氫成本中煤炭價格、氧氣價格以及建設(shè)投資均占有重要比例。當煤炭(主要是煙煤)價格為450元/t時，制氫成本為9.74元/kg。PSA提純成本3～7元/kg，因此當煤炭價格為450元/t時，燃料電池H2生產(chǎn)成本約為14.74元/kg。

表3 煤炭價格對制氫成本的影響

由于煤炭制氫的碳排放量比較高，為20.0 kg/kg(各機構(gòu)統(tǒng)計數(shù)據(jù)不同)[10]，碳排放交易對煤制氫的經(jīng)濟性影響見表4，因此當煤炭(煙煤)價格為450元/t時，加上碳稅后的燃料電池H2生產(chǎn)成本為15.54元/kg。煤炭同樣作為大宗商品，價格波動較大。到2025年，考慮到“碳稅”價格上漲，預計煤制燃料電池H2價格約為15.74元/kg；到2030年，預計煤制燃料電池H2價格約為23.74元/kg。

表4 “碳稅”對煤制氫氫氣成本的影響

3 工業(yè)副產(chǎn)氫

工業(yè)副產(chǎn)氫主要有4類，分別是鋼鐵行業(yè)的焦爐煤氣副產(chǎn)氫，氯堿行業(yè)的電解氯化鈉水溶液副產(chǎn)氫，丙烷脫氫(PDH)、乙烷脫氫等輕質(zhì)烷烴脫氫副產(chǎn)氫以及石油煉制行業(yè)的重整、石腦油裂解、乙苯脫氫、催化裂化干氣等副產(chǎn)氫。中國每年工業(yè)副產(chǎn)氫規(guī)模在9.0～10.0 Mt之間[11]。雖然工業(yè)副產(chǎn)氫的生產(chǎn)技術(shù)各有不同，但是大規(guī)模提純主要采用PSA技術(shù)。由于PSA技術(shù)比較成熟，PSA提純成本取決于副產(chǎn)氫原料氣中氣體組分和氫氣含量，原料氣中氣體組分吸附能力差異越大、氫氣含量越高，提純成本也就越低。通常情況下，只有原料氣中氫氣含量超過50%,提純才有經(jīng)濟性。所有副產(chǎn)氫中PDH、乙烷脫氫、氯堿副產(chǎn)氫等副產(chǎn)氫氣濃度較高，更具提純價值。

中國PDH項目主要分布在東部區(qū)域，截至2021年底，中國共有22個PDH項目投產(chǎn)，丙烯總產(chǎn)能達到10.75 Mt/a，副產(chǎn)氫產(chǎn)能0.40 Mt/a，預計可以滿足超過10萬輛氫燃料電池汽車用氫需求；中國的乙烷裂解副產(chǎn)氫規(guī)模更大，預計2022年乙烷裂解項目副產(chǎn)氫總產(chǎn)能達到了0.92 Mt/a，可以滿足超過25萬輛氫燃料電池汽車用氫需求。

根據(jù)統(tǒng)計，副產(chǎn)氫提純到燃料電池H2的成本在6～15元/kg。在所有獲取氫氣的方法中，從工業(yè)副產(chǎn)的富氫氣體提取氫氣的成本最低，最具市場競爭力。由于提純技術(shù)比較成熟，同時副產(chǎn)氫屬于“藍氫”，“碳稅”不計入氫氣生產(chǎn)中，未來成本變化有限。

中國石化副產(chǎn)氫以煉化企業(yè)為主，首批布局14家煉化企業(yè)建設(shè)供氫中心，目前北京燕山分公司、天津分公司、齊魯分公司、廣州分公司、海南煉油化工有限公司、上海高橋石油化工有限公司、鎮(zhèn)海煉化分公司和青島煉油化工有限責任公司的車用高純氫生產(chǎn)線已投用。

4 電解水制氫

電解水制氫是指水分子在直流電作用下被分解生成氧氣和氫氣，并分別從電解槽陽極和陰極析出的技術(shù)。根據(jù)電解槽隔膜材料的不同，通常將電解水制氫分為堿性(ALK)水電解、質(zhì)子交換膜(PEM)水電解、陰離子交換膜(AEM)水電解以及高溫固體氧化物(SOEC)水電解。目前已經(jīng)商業(yè)化運行的主要是堿性水電解和PEM水電解，而AEM水電解和SOEC水電解分別處于商業(yè)化前期和實驗室研發(fā)階段。堿性水電解技術(shù)較為成熟，目前應(yīng)用較為廣泛，優(yōu)點是成本低、設(shè)備壽命長，但制氫設(shè)備效率不高，同時具有需要使用腐蝕性堿液、難以快速響應(yīng)、占地面積大等缺點。PEM水電解近年來得到了大量的研究和應(yīng)用，其優(yōu)點是體積小、操作彈性大、啟動快，最大的缺點是成本過高。各類電解水制氫的總結(jié)對比見表5[8，12-13]。

表5 各類電解水制氫技術(shù)對比

續(xù)表5

目前全球范圍內(nèi)集中式電解水制氫的項目相對較少，由于電解水裝置可以與風電、光電、水電等可再生能源結(jié)合，實現(xiàn)綠氫的生產(chǎn)和能源的化學存儲，在“雙碳”背景下，大規(guī)模綠電集中式制氫項目會陸續(xù)出現(xiàn)。電解水制氫70%～90%的成本是用電費用，裝置規(guī)模越大，設(shè)備利用率越高，用電費用比重越高。根據(jù)資料匯總，目前大型風光互補可再生能源制氫項目的綜合制氫成本在14～30元/kg。

5 結(jié) 論

天然氣制氫，技術(shù)較為成熟，工藝流程簡單、裝置穩(wěn)定可靠，是全球最主要的制氫方式，天然氣價格極大的影響氫氣成本。煤制氫與天然氣制氫類似，工藝比較成熟，裝置規(guī)模較大，但是工藝流程長、裝置占地面積大、碳排放高，受資源稟賦影響，在我國具有較大的應(yīng)用規(guī)模。與天然氣制氫不同的是，煤制氫成本中煤炭價格、氧氣價格以及建設(shè)投資均占有重要比例。工業(yè)副產(chǎn)氫，雖由于是副產(chǎn)物，原料成本較低，不負擔碳稅成本，因此提純成本直接決定了工業(yè)副產(chǎn)氫的成本，當前階段作為“藍氫”的工業(yè)副產(chǎn)氫最具市場競爭力。電解水制氫，目前已經(jīng)商業(yè)化運行的主要是堿性水電解和PEM水電解兩類，隨著碳減排任務(wù)的推進，大規(guī)模光伏、風電集中式制氫項目將會陸續(xù)出現(xiàn)，電解水制氫的成本與電價、裝置規(guī)模、設(shè)備利用率等因素有關(guān)。在氫能作為交通能源的初期階段，廉價易得的副產(chǎn)氫和化石能源制氫可以迅速降低燃料電池汽車用氫成本，有利于快速建立氫能產(chǎn)業(yè)鏈、提升氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平、培養(yǎng)消費者用氫習慣，在后期階段，綠電電解水制氫是未來氫氣的主要供應(yīng)方式。