较短量长！4种分布式制氢技术成本分析
发布日期：2023/9/19
中国氢能产业在近几年呈现快速发展，作为氢能产业的重要基础设施，加氢站正在全国多个重点城市布局建设。截至２０２１年底，中国已经建成加氢站１９１座，其中已运营１７４座。随着国家氢能产业发展中长期规划、五大氢燃料电池汽车示范城市群、山东“氢进万家”、“成渝氢走廊”等规划的落地，加氢站建设的步伐将会加快。但是目前加氢站氢气的供应主要依靠长管拖车运输，受制于国内标准和法规，运输氢气的气瓶压力多为２０ＭＰａ。由于氢气密度很小，而储氢容器自重大，所运输氢气的质量约占总运输质量的１％，整体运输效率很低，运输成本较高。
根据测算，当运输距离为１００ｋｍ时，运氢成本约８．７元/ｋｇ；而当运输距离为２００ｋｍ时，成本增加至１９元/ｋｇ。运输效率低、运输成本高、装卸时间长等因素使得加氢站的氢气供应问题日益突出，大大制约了氢能交通产业的可持续性发展。分布式制氢由于可以在加氢站内或者周围制取氢气，储运优势明显，在日本、美国、欧洲等地均有成熟应用。
国内分布式制氢发展相对缓慢，主要是因为相应规范缺失、审批困难等因素，但目前安徽省、广东佛山、四川成都、辽宁大连、山东淄博、内蒙古鄂尔多斯等省市明确支持分布式制氢或已出台相应的政策，预计近两年将会有一批分布式制氢项目落地。中国石化销售股份有限公司及中石化石油化工科学研究院有限公司（简称石科院）系统研究了氢气的制备、储存、运输、加注等氢能产业链上主流技术，发现当前适合分布式制氢的技术主要包括甲醇制氢、天然气制氢、碱性电解水制氢、ＰＥＭ电解水制氢和氨分解制氢。下面主要介绍分布式制氢方式及其成本。
１ 分布式甲醇制氢
甲醇作为二次能源，是高氢含量的氢载体，以分子式ＣＨ３ＯＨ计，氢质量分数为１２．５％，远高于ＤＯＥ（美国能源部）要求的氢载体储氢质量密度７．５％。在甲醇蒸汽裂解制氢的真实反应条件下，甲醇的储氢量比理论值更高，考虑到化学反应，甲醇的理论产氢质量为其自身质量的１８．７５％。在实际生产中，需考虑燃烧部分甲醇为反应供热，以及生产高纯氢气、副产低浓度氢解吸气的实际情况，甲醇产氢量与理论产氢量有一定差别。甲醇制氢工艺技术比较成熟，甲醇蒸汽裂解生产１ｍ３工业氢需消耗甲醇约０．５５ｋｇ。如果考虑燃烧部分甲醇为反应供热及生产高纯氢气需要，生产１ｍ３高纯氢的甲醇消耗量约为０．６７ｋｇ。虽然利用甲醇生产氢气从原料利用和能源利用上不尽合理，但价格上有一定优势，并且其生产流程简单，自动化程度高。与天然气制氢相比，甲醇制氢不需要设置转化炉，只需要导热油提供反应所需的热量，反应温度不到３００℃，此外甲醇转化制氢便于撬装模块化及小型化，液体甲醇也便于槽车运输。因此，在一些特定的场合，如没有廉价天然气资源，没有煤炭指标，当地电价高，且制氢规模不大的地方，可建设分布式甲醇制氢装置。
甲醇是现有的大宗商品，近３年甲醇价格最低１ ５１０元/ｔ，最高３ ３７０元/ｔ，均价约２ ２００元/ｔ，以此均价为基础分析１ｔ/ｄ分布式甲醇蒸汽裂解制氢的技术经济性，结果如表１所示。在现有供销价格体系下，分布式甲醇裂解制燃料电池级氢气的成本价为２０．４元/ｋｇ。
显然甲醇的价格是氢气成本的最主要构成部分，甲醇原料成本约占制氢成本的７５％，甲醇价格对成本的影响见表２。
当按照近３年甲醇最低价１５１０元/ｔ计算时，甲醇站内制氢成本可降至１５．２元/ｋｇ（燃料电池级氢气）；当按照近３年甲醇最高价３３７０元/ｔ计算时，甲醇站内制氢成本为２９．２元/ｋｇ（燃料电池级氢气）。因此，分布式甲醇制氢作为起步阶段的低成本制氢方式有一定现实意义。
甲醇制氢要排放大量的ＣＯ２，生产１ｋｇ Ｈ２约排放３０ｋｇ ＣＯ２。虽然已有“液态阳光”生产甲醇的技术，但由于其成本相对较高，甲醇当前阶段作为绿色储氢载体仍不成熟，因此仍需考虑甲醇的碳排放。碳排放交易对分布式甲醇制氢经济性的影响见表３，当甲醇价格为２ ２００元/ｔ时，加上碳税，甲醇裂解制氢的成本价为２１．６元/ｋｇ（燃料电池级氢气）。
随着甲醇制氢技术的进步和装置制造成本的降低，甲醇制氢生产成本会有一定下降，但是降幅有限。到２０２５年，预测装备投资降低至６００万元，假定甲醇原料价格为２ ２００元/ｔ，制氢成本为２０．２元/ｋｇ（燃料电池级氢气）。考虑到碳税的上涨，预计制氢成本为２３．２元/ｋｇ（燃料电池级氢气）。
２ 分布式天然气制氢
天然气除了广泛用于集中式制氢，也适合做分布式制氢。分布式天然气制氢有一个相对明显的优势是原料获取方便，只需连接到城市天然气管网。分布式天然气制氢在工艺流程上与集中式天然气制氢没有明显区别，考虑到能效利用，一般小型天然气制氢装置生产１ｍ３氢气的甲烷消耗量为０．５～０．６ｍ３。日本三菱公司开发了ＨｙＧｅｉａ系列５０～１ ０００ｍ３?ｈ天然气制氢系统，已经推广６０余套，部分用作加氢站现场制氢。美国ＡｉｒＰｒｏｄｕｃｔ、Ｐｏｗｅｒｔａｐ以及德国Ｌｉｎｄｅ公司均已开发出分布式天然气制氢装置，部分装置附带碳捕集设施。中国做分布式天然气制氢的企业较多，比如亚联高科、石科院、汉兴能源、四川天一、上海亿维、四川蜀泰等。表４测算的是１ｔ/ｄ天然气制氢装置的制氢成本。
由表４可以看出，分布式天然气制氢的主要成本构成是燃料（天然气）消耗。天然气价格对成本的影响如表５所示，当天然气价格为１．８８元/ｍ３时，制氢成本为１６．０元/ｋｇ（燃料电池级氢气）；当天然气价格为２．６３元/ｍ３时，制氢成本为２０．５元/ｋｇ（燃料电池级氢气）；而当天然气价格为３．７３元/ｍ３时，制氢成本为２７．１元/ｋｇ（燃料电池级氢气）。需要说明的是当前因国际形势发生诸多变化，作为大宗商品的天然气价格波动较大，站内制氢成本变化也较大。
分布式天然气制氢的天然气单耗比集中式制氢的天然气单耗要高，这里按照生产１ｋｇ的Ｈ２排放１２ｋｇ的ＣＯ２计，碳排放交易对天然气制氢经济性的影响见表６。由表６可知：当天然气价格为１．８８元/ｍ３时，加上碳税后的制氢成本为１６．５元/ｋｇ（燃料电池级氢气）；当天然气价格为２．６３元/ｍ３时，加上碳税后的制氢成本为２１．０元/ｋｇ（燃料电池级氢气）；当天然气价格为３．７３元/ｍ３时，制氢成本为２７．６元/ｋｇ（燃料电池级氢气）。
与分布式甲醇制氢类似，未来天然气制氢生产成本降幅有限。到２０２５年，预测装备投资降低至６００～８００万元，假设天然气原料价格为２．６３元/ｍ３，则制氢成本约为１９．６元/ｋｇ（燃料电池级氢气）。考虑到碳税的上涨，预计天然气制氢价格约为２０．８元/ｋｇ（燃料电池级氢气）。
３ 分布式电解水制氢
目前商业化的电解水制氢技术主要有碱性电解水制氢和质子交换膜（ＰＥＭ）电解水制氢两类。技术分析在文献中已有介绍，这里不再赘述。２．５ＭＷ级分布式碱性电解水制氢装置的经济性分析如表７所示。在此不考虑土地、土建、设备安装费等费用。
由表７可以看出，电价是影响制氢成本的关键因素，占比超过８０％以上。当电价为０．３元/（ｋＷ·ｈ）时，碱性电解水制氢的成本是２０．８４元/ｋｇ。碱性电解水制氢技术发展历史悠久，技术相对比较成熟，市场占有率绝对领先。并且和国外的竞争对手相比，我国技术水平相当甚至在部分指标上领先。综上，碱性电解水制氢设备的成本下降空间有限。预测至２０２５年，随着生产规模的扩大和机加工水平的提高（目前碱性电解槽主要依靠人工组装，发展趋势必然是机械组装），制氢设备制造成本有望下降约２０％。
当前及２０２５年不同综合电价制氢成本如表８所示，由于制氢设备的成本相较于运营成本占比很小，同等电价下２０２５年的制氢成本与当前相比下降较小。
对于ＰＥＭ电解水制氢，经济性分析如表９所示。设备利用率是影响成本的一个因素，为了方便与碱水制氢比较，统一按照年开工时间８ ０００ｈ计算。从表９可以看出，２．５ＭＷ的ＰＥＭ电解水制氢设备初始投资较高，是碱性电解水制氢设备的５倍，因此当电价为０．３元/（ｋＷ·ｈ）时，ＰＥＭ电解水制氢的成本是２３．９１元/ｋｇ，较碱性电解水制氢成本高３．０７元/ｋｇ。目前ＰＥＭ电解水制氢设备的部分关键材料和组件需要从国外进口，比如催化剂、质子交换膜。
ＰＥＭ电解水制氢设备成本的６０％～７０％集中在电解槽，而电解槽的制造成本中催化剂占比最高，因此ＰＥＭ制氢设备成本的降低主要依靠提高各个组件的国产化率和降低贵金属的担载量。预测到２０２５年，随着ＰＥＭ电解设备的国产化，加上技术的进步，制造成本有望下降３０％以上，当前及２０２５年不同综合电价下的制氢成本如表１０所示。
作为新一代电解水制氢技术，ＰＥＭ电解水制氢与碱性电解水制氢相比，虽然初始投资高，但设备结构紧凑，占地面积低于碱性电解水制氢设备，对于土地面积紧缺的特殊场景如加氢站更有优势。此外，ＰＥＭ电解水制氢设备产生的氢气出氢压力可达到３．０ＭＰａ，而碱性电解水制氢设备的出氢压力一般为０．８～１．０ＭＰａ；ＰＥＭ电解水制氢设备对电力变化秒级快速响应，非常适用于不稳定的可再生能源，设备冷启动仅需要２０～３０ｍｉｎ，碱性电解水制氢设备在运行过程中需要稳定的电力输入，设备冷启动需要２～３ｈ；ＰＥＭ制氢装置电解效率高，用工数少等。因此，预测ＰＥＭ电解水制氢在小规模分布式制氢领域具有更好的应用前景。
４ 分布式氨分解制氢
与甲醇类似，氨同样可以作为液态氢载体。氨作为储氢载体的优势表现为：①氨气在标准大气压下的液化温度为－３３℃，易于运输；②液氨储氢量为１７．６％，高于甲醇；③已有成熟的合成氨工业；④高温氨分解制氢技术成熟。美国、日本、澳大利亚等国均已积极布局“氨经济”，在“碳中和”愿景下，通过“氢－氨－氢”这一流程完成“绿氢”运输。例如，日本多家研究单位和企业组成氨氢站团队联合开发了氨分解/高纯氢供应系统，可制造ＦＣＶ氢燃料；国内科研院所正在开展绿色合成氨、低温氨分解制氢示范项目。氨分解制氢工艺流程比较简单，装置主要包括液氨储罐、汽化器、氨分解反应器、产物冷却及ＰＳＡ分离等单元。
目前一般采用Ｎｉ或Ｆｅ基催化剂，操作温度为７５０～８００℃，反应压力约为０．５ＭＰａ，转化率可达９９．９％以上。福州大学和石科院正在开发低温稀贵金属催化剂，已经实现５００℃以下运行。作为生产硝酸、化肥、炸药的重要原料，液氨现阶段价格在４ ０００元/ｔ以上，近３年价格波动较大，均价大约为３ ２００元/ｔ，以此均价为基础估算１ｔ/ｄ分布式氨分解制氢的技术经济性，结果如表１１所示。当液氨价格为３ ２００元/ｔ时，分布式氨分解制氢的成本价为２７．１元/ｋｇ（燃料电池级氢气）。氨分解制氢成本与氨价格呈线性关系，液氨成本占总成本的７５％以上。
分布式氨分解制氢具有制备的氢气纯度高、无碳排放、制氢设备构造简单、操作较为方便、制氢设备投资较低等优势，但是当前阶段仍存在以下挑战：①受制于原料液氨的价格，制氢成本高于甲醇制氢；②主流商用技术氨分解温度较高（采用电炉加热至８００℃左右）；③液氨储存、分解制氢行政审批手续较为复杂；④整体占地面积大［液氢储罐液氨储罐超过１０ｔ是重大危险源，需专门设计安全仪表系统（ＳＩＳ）系统，并保持较大安全间距］。
５ 结 论
分布式甲醇制氢的生产工艺流程简单，反应温度较低，并且便于撬装化及小型化，虽然碳排放最高，难以满足低碳氢的排放要求，但其作为氢能起步阶段的低成本制氢方式更具有现实意义；天然气制氢同样技术相对成熟，原料获取方便，满足低碳氢排放要求，但是工艺流程比甲醇制氢复杂，反应温度更高，制氢成本受天然气价格的影响波动较大；分布式碱性电解水制氢技术发展历史悠久，可靠稳定，市场占有率最高，电价是影响制氢成本的关键因素；而ＰＥＭ电解水制氢设备投资较高，是碱性电解水制氢设备价格的５倍左右，从而导致同等电价下氢气的生产成本高２～３元/ｋｇ（燃料电池级氢气），但由于ＰＥＭ电解水制氢具有启停方便、占地面积小、对电力变化响应速度快等优势，随着技术水平的进步和设备制造成本的降低，未来具有更好的应用前景；分布式氨分解制氢的高温分解制氢技术比较成熟，设备投资低、制备的氢气纯度高、无碳排放，是一种清洁氢生产技术，但受制于较高的液氨价格，制氢成本高于甲醇制氢，未来需致力于开发低温高效催化剂，并改善工艺系统。
来源：能源情报
