分布式制氫技術進展及成本分析

馮 云，曹田田，，宋海濤，林 偉

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

中國氫能產業在近幾年呈現快速發展，作為氫能產業的重要基礎設施，加氫站正在全國多個重點城市布局建設[1-2]。截至2021年底，中國已經建成加氫站191座，其中已運營174座。隨著國家氫能產業發展中長期規劃、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，運輸氫氣的氣瓶壓力多為20 MPa。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[3]。根據測算，當運輸距離為100 km時，運氫成本約8.7元/kg；而當運輸距離為200 km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的可持續性發展[4]。

分布式制氫由于可以在加氫站內或者周圍制取氫氣，儲運優勢明顯，在日本、美國、歐洲等地均有成熟應用[4]。國內分布式制氫發展相對緩慢，主要是因為相應規范缺失、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)系統研究了氫氣的制備、儲存、運輸、加注等氫能產業鏈上主流技術，發現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1 m3工業氫需消耗甲醇約0.55 kg。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1 m3高純氫的甲醇消耗量約為0.67 kg。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[5-6]。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，且制氫規模不大的地方，可建設分布式甲醇制氫裝置。

甲醇是現有的大宗商品，近3年甲醇價格最低1 510元/t，最高3 370元/t，均價約2 200元/t，以此均價為基礎分析1 t/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1 510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3 370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實意義。

表1 1 t/d分布式甲醇制氫的主要技術經濟指標

表2 甲醇價格對氫氣成本的影響

甲醇制氫要排放大量的CO2，生產1 kg H2約排放30 kg CO2。雖然已有“液態陽光”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)。

表3 碳排放交易對甲醇制氫經濟性的影響

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)?？紤]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別，考慮到能效利用，一般小型天然氣制氫裝置生產1 m3氫氣的甲烷消耗量為0.5～0.6 m3。日本三菱公司開發了HyGeia系列50～1 000 m3/h天然氣制氫系統，已經推廣60余套，部分用作加氫站現場制氫。美國Air Product、Powertap以及德國Linde公司均已開發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較多，比如亞聯高科、石科院、漢興能源、四川天一、上海億維、四川蜀泰等[3，7]。

表4測算的是1 t/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。

表4 1 t/d分布式天然氣制氫的主要技術經濟指標

表5 天然氣價格對成本的影響

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1 kg的H2排放12 kg的CO2計[8]，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)。

表6 碳排放交易對天然氣制氫經濟性的影響

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)。考慮到碳稅的上漲，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[9]中已有介紹，這里不再贅述。2.5 MW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。

表7 2.5 MW堿性電解水制氫的主要技術經濟指標

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，統一按照年開工時間8 000 h計算。從表9可以看出，2.5 MW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。

表8 綜合電價對堿性電解水制氫成本的影響

表9 2.5 MW PEM電解水制氫的主要技術經濟指標

表10 綜合電價對PEM電解水制氫成本的影響

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勢。此外，PEM電解水制氫設備產生的氫氣出氫壓力可達到3.0 MPa，而堿性電解水制氫設備的出氫壓力一般為0.8～1.0 MPa；PEM電解水制氫設備對電力變化秒級快速響應，非常適用于不穩定的可再生能源，設備冷啟動僅需要20～30 min，堿性電解水制氫設備在運行過程中需要穩定的電力輸入，設備冷啟動需要2～3 h；PEM制氫裝置電解效率高，用工數少等[10-11]。因此，預測PEM電解水制氫在小規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氫載體。氨作為儲氫載體的優勢表現為：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；④高溫氨分解制氫技術成熟[12-13]。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[14]。例如，日本多家研究單位和企業組成氨氫站團隊聯合開發了氨分解/高純氫供應系統，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0.5 MPa，轉化率可達99.9%以上。福州大學和石科院正在開發低溫稀貴金屬催化劑，已經實現500 ℃以下運行[15]。

作為生產硝酸、化肥、炸藥的重要原料，液氨現階段價格在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1 t/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。

表11 1 t/d分布式氨分解制氫的主要技術經濟指標

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勢，但是當前階段仍存在以下挑戰：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較為復雜；④整體占地面積大[液氫儲罐液氨儲罐超過10 t是重大危險源，需專門設計安全儀表系統(SIS)系統，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展歷史悠久，可靠穩定，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，未來需致力于開發低溫高效催化劑，并改善工藝系統。