各种制氢技术及降成本途径研究报告.docx

各种制氢技术及降成本途径研究报告氢能市场前景广阔，电解水制氢是未来发展重点，当期制氢方式主要有四种：化石燃料制氢、工业副产物制氢、电解水制氢、生物质制氢及其他。其中化石燃料制氢与工业副产物制氢凭借较低的成本占据制氢结构的主体地位，然而随着化石燃料产量下降、可持续发展理念的深化，氢能俱乐部氢能市场在远期（2050年左右）将形成以可再生能源为主体、煤制氢+CCS（碳捕获）与生物质制氢为补充的多元供氢格局。为测算与汽油价格相比具有竞争力的氢气售价，本文将氢气的理想成本定为2.6元/Nm30一、电解水成本偏高，降成本主要依赖电价由于电费占整个水电解制氢生产费用的80%左右，因此水电解制氢成本的关键在于耗能问题。存在两条降成本途径：一是降低电解过程中的能耗，可通过开发PEM（质子交换膜电解）及SOEC（固体氧化物电解）技术来实现；二是采用低成本电力为制氢原料，关键在于依靠光伏和风电的发展。以大工业电价均价0.61元/kWh计算，当前电解水制氢的成本为3.69元/Nm3o当用电价格低于0.50元kWh时，电解水制备的氢气成本才可与汽油相当。光伏系统发电成本05930元/kWh,风电度电成本约为0.3656元/kWh,且在未来仍有一定的下降空间。二、天然气制氢是目前主要制氢方式，降成本应关注天然气价格天然气制氢中的甲烷水蒸气重整（SMR）是工业上最为成熟的制氢技术，约占世界制氢量的70%（IEA数据）。我国天然气价格受资源禀赋影响，天然气资源主要分布集中的中西盆地也是价格最低的地区。尤其是新疆、青海等地区天然气基本门站价格低至12元/千立方米左右。据测算，当天然气价格为2元/Nm3时，测算出制氢成本为1.35元/Nm3,相比电解水制氢具有明显的成本优势。三、煤制氢成本最低，降成本空间较小我国煤炭资源主要的格局是西多东少、北富南贫。内蒙古、山西原煤产量领先，煤价也相对偏低。当煤炭价格为600元时，大规模煤气化生产氢气的成本为元/Nm30如果在煤资源丰富的地区，当煤炭价格降低至200元/吨时，制氢气的成本可能降低为034元/Nm30但由于煤炭价格下降空间有限，且煤气化制氢企业已形成较大规模，未来煤制氢降成本空间较小。四、丙烷脱氢和乙烷裂解副产制氢具有潜在产能化工副产物制氢的成本难以单独核算。目前我国规划和在建的丙烷脱氢项目预计可以副产并外售86.8万吨氢。我国规划中的乙烷裂解产能达到1460万吨，可以副产并外售的氢气达到90.4万吨。五、四种制氢方式各存优劣，天然气制氢是主要来源目前以四类制氢方式为主化石燃料制氢、工业副产物制氢、电解水制氢、生物质及其他制氢方式。虽然制氢方法多样，但各存优劣。天然气制氢：虽然适用范围广，但是原料利用率低，工艺复杂，操作难度高，并且生成物中的二氧化碳等温室气体使之环保性降低。工业尾气制氢：利用工业产品副产物，成本较低。但是以焦炉气制氢为例，不仅受制于原料的供应，建设地点需依靠焦化企业，而且原料具有污染性。电解水制氢：产品纯度高、无污染，但是高成本了限制其推广。光解水与生物质制氢：技术尚未成熟，实现商业化还需一定的时间。从制氢成本方面看，煤制氢和天然气制氢成本相对更低。就目前四类制氢方式来说，天然气制氢经济性最显著。几种制氢方式对比制氧方式优点缺点能源效率氨气价格(美元Zkg)氢气成本(NM3)d匕石燃料制氢天然气制氢产量高，成本低排放温室气体830.750.6-1.2屎制氢产量高，成本低，商业化技术成熟排放温室气体630.921-1.2工业副产物制氢焦炉气制氢利用副产物，成本低焦炉气具有污染性，建设地点受制于原料供应-1.2氯碱制氢产品纯度高，原料丰富建设地点受制于原料供应-1.3-1.5电解水制氢环保，产品纯度高耗电量大，成本高45-551.953-5光解水制氢无污染、零排放技术不成熟，转化率低10-144.98-生物质制氢环保，产量高技术不成熟，产品纯度低40-501.21-2.42-目前，天然气制氢仍是我国最主要的制氢来源，占总制氢量的48%o醇类重整制氢及煤制氢也占有相当大的比重，来自电解水的制氢量最低，仅为4%o天然气醇类焦炉煤气电解水资料来源：中国氢能源网、广证恒生(一)电解水制氢电解水制氢是通过电能给水提供能量，破坏水分子的氢氧键来制取氢气的方法。其工艺过程简单、无污染，制取效率一般在75%-85%,每立方米氢气电耗为4-5kWho由于电费占整个水电解制氢生产费用的80%左右，导致其竞争力并不高。更多干货请关注微信公众号：氢能俱乐部。因此水电解制氢成本的关键在于耗能问题。由此引出两条降成本的途径：一是降低电解过程中的能耗，二是采用低成本电力为制氢原料。阴极隔膜碱性溶液阳极4e+2H2O=H2+2OH-40H-=O2+2H2O+4e-由解水制氢过程降本路径一：降低过程能耗，提高电解效率目前主流的电解水制氢技术有三种类型：包括碱性电解水制氢、质子交换膜电解水(PEM)制氢和固态氧化物电解水(SOEC)制氢，其中碱性电解水制氢是最为成熟、产业化程度最广的制氢技术，但其电解效率仅为60-75%,国外研发的PEM技术与SOEC技术均能有效提高电解效率，尤其是PEM技术已引入国内市场。三种电解池性能对比电解池类型碱水电解池固体氧化物电解池(SOEC)质子交换膜电解池(PEM)电解质20-30%K0HY2O3ZrO2PEM（常用Nafion）工作温度C70-90700-100070-80电流密度Acm22100.20.4电解效率60-75%85-100%70-90%能耗KwhNm34.5-5.52.6-3.63.8-5.0操作特征启停较快启停不便启停快动态响应能力较强强电能质量需求稳定电源稳定电源稳定或波动系统运维有腐蚀液体，后期运维复餐，成本局目前已技术研究为主，尚无运维需求无腐蚀性液体，运维简单，成本低电堆寿命可达到12000Oh已达到100000h技术成熟度商业化实验室研发国外已商业化，国内处于研发走向工业化前期阶段有无污染责液污染，石棉致先无污染清洁无污染电解槽成本美元kW400-6001000-1500约2000特点最为成熟，商业化程度最高，成本低部分电能被热能取代，转化效率高，高温限制材料选择，尚未实现产业化可再生能源适应性，无污染，成本高(质子交换膜和钻电极催化)，产业化程度低国外代表企业法国Mcphy美国Teledyne挪威NelProtonHydrogenics国内代表企业苏州竞立制氢天津大陆制氢中船重工718所中船重工718所中电丰业中科院大连化物所安思卓山东赛克赛斯氢能中国航天科技507所资料来源：氢气生产及热化学利用、高工锂电、广证恒生降本路径二：以低成本电价为制氢原料1 .我国大工业电价低于世界平均水平，国内西北地区电价最低与其他国家相比，我国工业电价位于中低水平。根据2016年统计数据，我国工业电价平均为0.107美元/千瓦时，居世界第八，仅为第一名的三分之一。相对较低的电价为我国发展电解水制氢提供了有利条件。各国工业电价西北地区大工业电价偏低。分省份来看，波谷、波峰电价在全国排名第一的分别是河北省和安徽省，青海省无论是波峰还是波谷电价均为最低，全国波谷电价平均为033元/千瓦时，波峰电价平均为0.90元/千瓦时。西南地区、西北地区的大工业用电价格普遍在全国平均线以下，对于发展电解水制氢节约能耗更为有利。1.20西北地区省份大工业电价偏低2 .西北地区弃风弃电可用于电解水制氢我国弃风弃电问题突出，利好电解水制氢。近年来，新能源的持续快速发展已经远远超过电网承载能力，新能源消耗矛盾十分突出。弃风、弃水电量呈逐年增加趋势。我国目前正大力推进可再生能源，由大量弃风、弃水产生的弃电是发展电解水制氢的有利条件。各地区弃风电量比例 华北地区 东北地区 西北地区 华南地区西北地区弃风弃电量居首位。随着我国可再生能源装机量逐年增长，每年可再生能源弃电量惊人。2018年我国全国弃风弃电量277亿千瓦时，其中西北地区为166.9亿千瓦时，占全国的60.25%,其次是华北地区（占全国33.68%）,东北地区占少量份额（全国5.45%）o如果按照每立方氢气耗电5千瓦时来计算，全国弃风电量可生产55.4亿立方高纯度氢气。2018年各省弃风量（亿千瓦时）2018年弃风弃电量排名前三的省份分别为新疆、内蒙古和甘肃，全国平均弃风弃电率为7%,这三个省份均超过了10%o由于可再生资源丰富，西北省份也是电价最低的地区。3.长期来看，低成本电力主要来自光伏和风电虽然我国每年产生大量的弃风弃电，但由于弃风弃电产生的电压不稳定、难以大规模推广等原因，其终究不是解决电解水制氢成本问题的最优选择。长期来看，光伏和风电是电解水制氢企业获得低成本电力的主要来源。电解水制氢成本测算为测算电解水制氢的成本，假定制氢规模100ONm3/h,年产氢100万Nm3。测算过程及假设如下表：初始投资设备成本1200设备安装费用4S取设备价格的4%土建工程162总投资1410成本估算用电费用2700按照1Nm3氢气消耗4.5kWh电力计算，电价取2018年各省波峰波谷价格平均值0.6元kWh用水费用3.2按照1Nm3氢气消耗0.8吨水计算，水费取4元/吨设备及土建折旧132.9设备按10年折旧，土建按20年折旧，采用直线折旧法维修费24.9取设备成本与安装费用的2%人工及管理费60按5个工作人员计算财务费用33按总投资70%贷款，年利率为6%,等额本息法10年还贷估算合计2954对应每标方氢气成本（元/Nii?）2.95对应每标方氢气售价（元/Nop）3.69假设毛利率为20%项目数值（万元）基本假设资料来源：天然气制氢、甲醇制氢与水电解制氢的经济性对比探讨、广证恒生测算据测算，水电解制氢设备、安装、土建及其他总投资1410万元，每年用电等费用为2700万元，每年成本合计2954万元，对应氢气成本3.69元/Nm3o现分别计算不同制氢成本情况下,对应的用电价格，如下表所示。氢气成本（元N11>3）11.522.533.544.55用电价格（元kWh）0.170.260.370.480.590.710.820.931.04资料来源：广证恒生测算氢气成本与用电价格成正比关系，如果要求氢气成本低于2.6元/Nm3,则用电价格要低于050元kWh0（二）天然气制氢天然气制氢方法中甲烷水蒸气重整最为成熟。天然气的主要成分是甲烷（体积含量大于85%）,因此一般说的天然气制氢就是甲烷制氢。甲烷制氢方法主要有甲烷水蒸气制氢（SMR）,甲烷部分氧化（POX）和甲烷自热重整（ATR）。其中甲烷水蒸气重整（SMR）是工业上最为成熟的制氢技术，约占世界制氢量的70%,因此本文重点针对此方法进行降成本测算。制氢技术优点缺点甲烷水