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氢气成本能降到几何?——制氢篇

   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/ Nm3。

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/ kW·h 计算,当前电解水制氢的成本为 3.69 元/Nm3。当用电价格低于 0.50 元/kW·h 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 0.5930 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。

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日本福岛县太阳能制氢项目(全球最大的光伏制氢项目)

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 1.2 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。

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天津石化10万标立/时天然气制氢装置

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 1.1 元/ Nm3。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 0.34 元/ Nm3。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。

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茂名石化投建的国内单产能力最大的煤制氢装置

氢能:未来动力系统的替代能源

三大优势支持氢能发展

   与传统化工燃料汽油、柴油相比,氢能具有三大优势。
一是较高的含能特性:除核燃料外,氢的燃烧热值据所有化工燃料榜首,燃烧 1kg 氢可放出 12MJ(28.6Mcal)的热量,约为汽油的三倍。
二是较高的能源转化效率:氢能可以通过燃料电池直接转变为电,过程中的废热可以进一步利用,其效率可达到 83%。氢气燃烧不仅热值高,而且火焰传播速度快,点火能量低,所以氢能汽车比汽油汽车总的燃料利用效率可高 20%。
三是碳的零排放:与化石能源的利用相比,氢燃料电池在产生电能的过程中不会产生碳排放,可以实现良性循环。

氢的燃烧热值居所有化工燃料榜首

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资料来源:前瞻产业研究院、广证恒生


   以汽油内燃机的综合热效率和 CO2 排放量为基准来对比。氢燃料电池的综合热效率最高,同时 CO2排放量少,是替代石油供给车辆动力的最佳燃料。

氢燃料电池的综合热效率最高且 CO2排放量少图片

数据来源:《氢与氢能》、广证恒生

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。

几种制氢方式对比图片

数据来源:网络资料整理

   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%。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%。

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资料来源:中国氢能源网、广证恒生

未来供氢主体以电解水制氢为主

   可再生能源电解水制氢将上升为未来供氢主体。在氢能市场发展初期(2020-2025 年),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,随着化石燃料产量下降,这两种方式占比逐渐下降;
   到氢能市场发展中期(2030 年左右),煤制氢配合 CCS(碳捕获)技术、工业副产物、可再生能源电解水制氢将成为有效供氢主体,同时开发生物质制氢等其他技术;在氢能市场发展远期(2050 年左右),我国将形成以可再生能源为主体、煤制氢+CCS 与生物质制氢为补充的多元供氢格局。

中国氢气供给结构预测

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数据来源:2019 中国氢能源及燃料电池产业白皮书、广证恒生

氢气与汽油成本平衡性分析

   氢气成本占加氢站氢气售价的 70%。制约氢能推广的一个主要原因是氢气相比汽油等传统能源更高的价格。加氢站销售的氢气价格中,包括制氢和储运氢气在内的氢气成本占 70%,其中氢气原材料的价格为50%,是最重要的一部分,因此制氢环节能否降低成本是降低氢气售价的关键因素。

氢气成本占氢气售价的 70%

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资料来源:《天然气化工》、广证恒生

   2L 汽油车百公里耗油为 6-8 升,按照 7.3 元/L 的汽油售价,百公里燃料费用最多为 58.4 元。以丰田Mirai 氢燃料电池汽车为例,其百公里氢耗平均水平为 1kg,意味着氢气的售价需降到 58.4 元/kg 以下才可与汽油等同,说明氢气成本需降到 29.2 元/kg。由于氢气接近理想气体,根据理想气体方程 PV=nRT 可估算出 1Kg 氢气约为 11.19Nm3。因此氢气的理想成本大约是 2.6 元/ Nm3。

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 4-5 kW·h。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。

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电解水制氢过程

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图片

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

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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 0.33 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。

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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。

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各地区弃风电量比例

   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%)。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)图片
   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%。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 1000 Nm3/h,年产氢 100 万 Nm3。测算过程及假设如下表:

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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

   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/Nm3。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。

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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 0.50 元/kW·h。

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。
图片资料来源:《氢与氢能》、广证恒生
   甲烷水蒸气重整是指在催化剂存在及高温条件下,使甲烷与水蒸气发生反应生成合成气。为防止催化剂中毒,原料天然气需进行脱硫预处理至硫的质量分数小于 1×10-7,然后经过重整反应制备合成气,再经过水煤气变换反应将 CO 进一步转化为氢气和 CO2,最后将 CO2 通过变压吸附(PSA)脱除得到氢气。
 甲烷水蒸气重整示意图图片资料来源:《从碳到氢能源:昨天、今天、明天》、广证恒生
甲烷水蒸气重整制氢工艺流程图片

降成本应从天然气价格入手,中西部地区具备价格优势

   对于天然气制氢来说,天然气成本是占比最大的部分,约占生产成本的 45-75%(IEA)。因此其降成本策略应首先关注天然气价格。
   我国天然气资源主要分布在中西盆地。受地质条件影响,地下天然气通常呈聚集区分布,我国天然气探明储量的 80 %以上分布在鄂尔多斯、四川、塔里木、柴达木和莺—琼五大盆地。从 2017 年天然气产量分布数据来看,陕西、四川、新疆三个省份的天然气产量占全国的 73%,天然气气源分布十分集中。

22017年各省份天然气产量

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   沿海地区天然气价格偏高,西北地区价格最低。天然气价格很大程度上受资源禀赋的影响,天然气资源丰富的地区,价格相应偏低。非居民天然气价格目前正在逐步市场化。2019 年 3 月 27 日,国家发改委宣布调整各省天然气基本门站价格,经价格调整后,上海、广东、浙江等东南沿海地区天然气价格普遍高于平均价 1.68 元/千立方米,新疆、青海等西北地区价格则低至 1.2 元/千立方米左右。

各省天然气基本门站价格表(元/m3)

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资料来源:国家发改委、广证恒生

天然气重整制氢成本测算

   假定制氢规模 1000 Nm3/h,年产氢 100 万 Nm3。测算过程及假设如下:

天然气制氢成本测算图片

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

   天然气制氢设备、安装、土建及其他总投资 1528 万元,每年天然气费用为 672 万元(占总成本的62.11%),每年成本合计 1082.4 万元,对应氢气成本 1.35 元/Nm3。现分别计算不同制氢成本情况下,对应的天然气价格:
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   天采科技在制氢方面卓有成效,主要的制氢方式有天然气制氢、甲醇制氢、煤制氢、沼气制氢等,在保证低成本的同时,又要保证氢气的高收率以及高纯度,技术达世界先进水平。