2021年11月30日，中國(guó)石化在北京、烏魯木齊、新疆庫(kù)車三地舉行云啟動(dòng)儀式，宣布我國(guó)首個(gè)萬噸級(jí)光伏綠氫示范項(xiàng)目——中國(guó)石化新疆庫(kù)車綠氫示范項(xiàng)目正式啟動(dòng)建設(shè)。
這是我國(guó)首個(gè)萬噸級(jí)光伏制氫項(xiàng)目
也是全球在建的最大光伏綠氫生產(chǎn)項(xiàng)目
包括光伏發(fā)電、輸變電、電解水制氫、儲(chǔ)氫、輸氫五大部分
投資近30億元
項(xiàng)目將新建裝機(jī)容量300兆瓦、年均發(fā)電量6.18億千瓦時(shí)的光伏電站，年產(chǎn)能2萬噸的電解水制氫廠，儲(chǔ)氫規(guī)模約21萬標(biāo)立方的儲(chǔ)氫球罐，輸氫能力2.8萬標(biāo)立方每小時(shí)的輸氫管線及配套輸變電等設(shè)施。
項(xiàng)目預(yù)計(jì)2023年6月建成投產(chǎn)
生產(chǎn)的綠氫將供應(yīng)中國(guó)石化塔河煉化公司
替代現(xiàn)有的天然氣制氫
預(yù)計(jì)每年可減少二氧化碳排放48.5萬噸！
能源視界，
電解水制氫科普
視頻號(hào)
所謂的光伏制氫并非全新的概念，其研究主要集中在熱化學(xué)法制氫、光電化學(xué)分解法制氫、光催化法制氫、人工光合作用制氫和生物制氫等。這其中，將光伏發(fā)電和電解水組合制氫組合成系統(tǒng)的技術(shù)，是主流發(fā)展方向。在國(guó)際市場(chǎng)上，光伏制氫已經(jīng)開始得到落地。此前著名的當(dāng)屬日本的福島氫能源研究基地，該基地曾被為世界上規(guī)模最大的可再生能源制氫工廠，占地總面積為22萬平方米。其中，18萬平方米為光伏發(fā)電區(qū)域，4萬平方米為制氫車間，系統(tǒng)裝置具備1萬千瓦制氫能力。
研究員史英哲在接受《證券日?qǐng)?bào)》記者采訪時(shí)表示，儲(chǔ)能和應(yīng)用場(chǎng)景一直是制約光伏行業(yè)發(fā)展的因素之一。儲(chǔ)能方面科技賦能訴求強(qiáng)烈，建議重點(diǎn)關(guān)注相關(guān)公司在高效率高安全性大容量?jī)?chǔ)能、氫能及燃料電池、高效率光伏發(fā)電材料、新型絕緣材料、超導(dǎo)材料、寬禁帶電力電子器件等技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)和應(yīng)用。在下游應(yīng)用端，除了電力消費(fèi)市場(chǎng)，光伏發(fā)電應(yīng)用重點(diǎn)領(lǐng)域還包括建筑和交通等。
史英哲說：“分布式光伏可以與建筑及充電設(shè)施等結(jié)合，實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電的就地消納，如公園、學(xué)校、醫(yī)院、交通場(chǎng)站等公共建筑，應(yīng)該是最先大力發(fā)展分布式光伏的場(chǎng)合。集中光伏電站方面，可以利用西部太陽能發(fā)電成本低的優(yōu)勢(shì)開展光伏制氫、光伏制燃料等應(yīng)用，利用氫能易于存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)，解決西部地區(qū)電力系統(tǒng)消納光伏發(fā)電空間小的問題，拓展我國(guó)西部地區(qū)光伏發(fā)電的發(fā)展路徑?！?/p>
本文梳理了福島氫能研究項(xiàng)目（FH2R）的有關(guān)情況，便于大家更深入地了解光伏制氫。
2020年3月7日，日本新能源與產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)組織（NEDO），東芝能源系統(tǒng)與解決方案公司，東北電力公司和巖谷公司舉行了福島氫能研究項(xiàng)目（FH2R）開幕式。FH2R項(xiàng)目自2018年7月在南江（Namie）啟動(dòng)，2020年2月底完成10MW級(jí)制氫裝置建設(shè)并試運(yùn)營(yíng)，10MW電解槽裝置，每小時(shí)可產(chǎn)生高達(dá)1,200 標(biāo)方的氫氣，這是世界上最大的光伏制氫裝置。該項(xiàng)目占地220,000平米，其中光伏電場(chǎng)占地180,000平米，研發(fā)以及制氫設(shè)施占地40,000平米。
整個(gè)制氫工廠分為四大設(shè)施，分別是制氫車間、儲(chǔ)氣罐區(qū)、壓縮與出貨運(yùn)輸站、綜合管理中心。
（FH2R項(xiàng)目系統(tǒng)概要）
FH2R項(xiàng)目配備20MW的光伏發(fā)電系統(tǒng)以及10MW的電解槽裝置，每小時(shí)可產(chǎn)生高達(dá)1200 標(biāo)方的氫氣（額定功率運(yùn)行）。項(xiàng)目占地220,000平米，其中光伏電場(chǎng)占地180,000平米，研發(fā)以及制氫設(shè)施占地40,000平米。FH2R產(chǎn)生的氫氣將為固定式氫燃料電池系統(tǒng)以及燃料電池汽車和公共汽車等提供動(dòng)力。
FH2R項(xiàng)目一方面根據(jù)下游市場(chǎng)供需預(yù)測(cè)系統(tǒng)開展生產(chǎn)和存儲(chǔ)，同時(shí)亦可通過調(diào)節(jié)氫氣生產(chǎn)單元來滿足電網(wǎng)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)需求。當(dāng)前測(cè)試階段最重要的挑戰(zhàn)是使用氫能管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)氫的生產(chǎn)和存儲(chǔ)以及電網(wǎng)供需動(dòng)態(tài)平衡的最佳組合，從而無需使用蓄電池。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，測(cè)試將開始確定最佳的運(yùn)行控制技術(shù)，該技術(shù)使用各自具有不同運(yùn)行周期的設(shè)備單元將電網(wǎng)需求響應(yīng)與氫氣供求響應(yīng)相結(jié)合。
FH2R項(xiàng)目距離福島縣、仙臺(tái)市以及東京市的距離分別為70公里、100公里和250公里。氫氣將主要通過長(zhǎng)管拖車運(yùn)送給上述地區(qū)的用戶。
FH2R項(xiàng)目中，東芝將牽頭整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)，并開發(fā)氫能管理系統(tǒng)；東北電力將專注于能源管理系統(tǒng)(EMS)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)以及與電網(wǎng)相關(guān)的事項(xiàng)；巖谷公司將研究氫的需求和供應(yīng)預(yù)測(cè)系統(tǒng)，以及氫運(yùn)輸和存儲(chǔ)。堿性電解水系統(tǒng)源自朝日Kasei公司先進(jìn)的氯堿電解技術(shù)。
福島縣原來是日本的電力大縣，縣內(nèi)有福島第一核電站和第二核電站，第一核電站在2011年的大地震大海嘯襲擊下發(fā)生核泄漏之后，已經(jīng)全部廢爐。第二核電站停止發(fā)電中。所以，“電力大縣”之名已經(jīng)名存實(shí)亡。根據(jù)2016年9月制定的《福島新能源社會(huì)計(jì)劃》，福島將推動(dòng)氫能實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。制氫工廠的建設(shè)，不僅是福島災(zāi)后重建的重要一環(huán)，更是恢復(fù)“電力大縣”地位的一大舉措。讓環(huán)保安全的氫能源來代替核電，構(gòu)建面向未來的能源生產(chǎn)與供應(yīng)體系，讓日本脫離“核電社會(huì)”，邁向“氫能社會(huì)”，福島的這一座制氫工廠，會(huì)成為一大象征。
運(yùn)氫車是特別開發(fā)的車輛，整個(gè)氣罐后側(cè)安裝有輪胎，也就是說，氫氣從儲(chǔ)氣罐里進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮之后，直接灌注到運(yùn)輸氣罐中，而卡車車體直接將氣罐掛靠后，就可以拉走，而不需要現(xiàn)場(chǎng)灌充，最大限度保證氫氣灌充與運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>
氫氣運(yùn)輸車全長(zhǎng)9.390米，重量為20噸，可灌充壓力為19.6Mpa的氫氣0.237噸（2642Nm3）。整個(gè)運(yùn)輸站可以同時(shí)對(duì)12輛運(yùn)氫車實(shí)施灌充。
FH2R項(xiàng)目技術(shù)概況
氫能市場(chǎng)前景廣闊，電解水制氫是未來發(fā)展重點(diǎn)，當(dāng)期制氫方式主要有四種：化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)物制氫、電解水制氫、生物質(zhì)制氫及其他。其中化石燃料制氫與工業(yè)副產(chǎn)物制氫憑借較低的成本占據(jù)制氫結(jié)構(gòu)的主體地位，然而隨著化石燃料產(chǎn)量下降、可持續(xù)發(fā)展理念的深化，氫能俱樂部氫能市場(chǎng)在遠(yuǎn)期（2050 年左右）將形成以可再生能源為主體、煤制氫+CCS（碳捕獲）與生物質(zhì)制氫為補(bǔ)充的多元供氫格局。為測(cè)算與汽油價(jià)格相比具有競(jìng)爭(zhēng)力的氫氣售價(jià)，本文將氫氣的理想成本定為 2.6 元/ Nm3。
本文觀點(diǎn)
電解水成本偏高，降成本主要依賴電價(jià)
由于電費(fèi)占整個(gè)水電解制氫生產(chǎn)費(fèi)用的 80%左右，因此水電解制氫成本的關(guān)鍵在于耗能問題。存在兩條降成本途徑：一是降低電解過程中的能耗，可通過開發(fā) PEM（質(zhì)子交換膜電解） 及 SOEC（固體氧化物電解） 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)；二是采用低成本電力為制氫原料，關(guān)鍵在于依靠光伏和風(fēng)電的發(fā)展。以大工業(yè)電價(jià)均價(jià) 0.61 元/ kW·h 計(jì)算，當(dāng)前電解水制氫的成本為 3.69 元/Nm3。
當(dāng)用電價(jià)格低于 0.50 元/kW·h 時(shí)，電解水制備的氫氣成本才可與汽油相當(dāng)。光伏系統(tǒng)發(fā)電成本 0.5930 元/kWh，風(fēng)電度電成本約為 0.3656 元/kWh，且在未來仍有一定的下降空間。
天然氣制氫是目前主要制氫方式，降成本應(yīng)關(guān)注天然氣價(jià)格
天然氣制氫中的甲烷水蒸氣重整（SMR）是工業(yè)上最為成熟的制氫技術(shù)，約占世界制氫量的 70%（IEA數(shù)據(jù)）。我國(guó)天然氣價(jià)格受資源稟賦影響，天然氣資源主要分布集中的中西盆地也是價(jià)格最低的地區(qū)。尤其是新疆、青海等地區(qū)天然氣基本門站價(jià)格低至 1.2 元/千立方米左右。據(jù)測(cè)算，當(dāng)天然氣價(jià)格為 2 元/Nm3 時(shí)，測(cè)算出制氫成本為 1.35 元/Nm3，相比電解水制氫具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。
煤制氫成本最低，降成本空間較小
我國(guó)煤炭資源主要的格局是西多東少、北富南貧。內(nèi)蒙古、山西原煤產(chǎn)量領(lǐng)先，煤價(jià)也相對(duì)偏低。當(dāng)煤炭?jī)r(jià)格為 600 元時(shí)，大規(guī)模煤氣化生產(chǎn)氫氣的成本為 1.1 元/ Nm3。如果在煤資源豐富的地區(qū)，當(dāng)煤炭?jī)r(jià)格降低至 200 元 /噸時(shí)，制氫氣的成本可能降低為 0.34 元/ Nm3。但由于煤炭?jī)r(jià)格下降空間有限，且煤氣化制氫企業(yè)已形成較大規(guī)模，未來煤制氫降成本空間較小。
丙烷脫氫和乙烷裂解副產(chǎn)制氫具有潛在產(chǎn)能
化工副產(chǎn)物制氫的成本難以單獨(dú)核算。目前我國(guó)規(guī)劃和在建的丙烷脫氫項(xiàng)目預(yù)計(jì)可以副產(chǎn)并外售 86.8 萬噸氫。我國(guó)規(guī)劃中的乙烷裂解產(chǎn)能達(dá)到 1460萬噸，可以副產(chǎn)并外售的氫氣達(dá)到 90.4 萬噸。
氫能：未來動(dòng)力系統(tǒng)的替代能源
三大優(yōu)勢(shì)支持氫能發(fā)展
與傳統(tǒng)化工燃料汽油、柴油相比，氫能具有三大優(yōu)勢(shì)。
一是較高的含能特性：除核燃料外，氫的燃燒熱值據(jù)所有化工燃料榜首，燃燒 1kg 氫可放出 12MJ（28.6Mcal）的熱量，約為汽油的三倍。
二是較高的能源轉(zhuǎn)化效率：氫能可以通過燃料電池直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡姡^程中的廢熱可以進(jìn)一步利用，其效率可達(dá)到 83%。氫氣燃燒不僅熱值高，而且火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，點(diǎn)火能量低，所以氫能汽車比汽油汽車總的燃料利用效率可高 20%。
三是碳的零排放：與化石能源的利用相比，氫燃料電池在產(chǎn)生電能的過程中不會(huì)產(chǎn)生碳排放，可以實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)。
氫的燃燒熱值居所有化工燃料榜首
資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院、廣證恒生
以汽油內(nèi)燃機(jī)的綜合熱效率和 CO2 排放量為基準(zhǔn)來對(duì)比。氫燃料電池的綜合熱效率最高，同時(shí) CO2排放量少，是替代石油供給車輛動(dòng)力的最佳燃料。
氫燃料電池的綜合熱效率最高且 CO2排放量少
數(shù)據(jù)來源：《氫與氫能》、廣證恒生
四種制氫方式各存優(yōu)劣，天然氣制氫是主要來源
目前以四類制氫方式為主：化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)物制氫、電解水制氫、生物質(zhì)及其他制氫方式。雖然制氫方法多樣，但各存優(yōu)劣。
天然氣制氫：雖然適用范圍廣，但是原料利用率低，工藝復(fù)雜，操作難度高，并且生成物中的二氧化碳等溫室氣體使之環(huán)保性降低。
工業(yè)尾氣制氫：利用工業(yè)產(chǎn)品副產(chǎn)物，成本較低。但是以焦?fàn)t氣制氫為例，不僅受制于原料的供應(yīng)，建設(shè)地點(diǎn)需依靠焦化企業(yè)，而且原料具有污染性。
電解水制氫：產(chǎn)品純度高、無污染，但是高成本了限制其推廣。
光解水與生物質(zhì)制氫：技術(shù)尚未成熟，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化還需一定的時(shí)間。
從制氫成本方面看，煤制氫和天然氣制氫成本相對(duì)更低。就目前四類制氫方式來說，天然氣制氫經(jīng)濟(jì)性最顯著。
幾種制氫方式對(duì)比
數(shù)據(jù)來源：網(wǎng)絡(luò)資料整理
目前，天然氣制氫仍是我國(guó)最主要的制氫來源，占總制氫量的 48%。醇類重整制氫及煤制氫也占有相當(dāng)大的比重，來自電解水的制氫量最低，僅為 4%。
資料來源：中國(guó)氫能源網(wǎng)、廣證恒生
未來供氫主體以電解水制氫為主
可再生能源電解水制氫將上升為未來供氫主體。在氫能市場(chǎng)發(fā)展初期（2020-2025 年），化石燃料制氫與工業(yè)副產(chǎn)物制氫憑借較低的成本占據(jù)制氫結(jié)構(gòu)的主體地位，隨著化石燃料產(chǎn)量下降，這兩種方式占比逐漸下降；
到氫能市場(chǎng)發(fā)展中期（2030 年左右），煤制氫配合 CCS（碳捕獲）技術(shù)、工業(yè)副產(chǎn)物、可再生能源電解水制氫將成為有效供氫主體，同時(shí)開發(fā)生物質(zhì)制氫等其他技術(shù)；在氫能市場(chǎng)發(fā)展遠(yuǎn)期（2050 年左右），我國(guó)將形成以可再生能源為主體、煤制氫+CCS 與生物質(zhì)制氫為補(bǔ)充的多元供氫格局。
中國(guó)氫氣供給結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)
數(shù)據(jù)來源：2019 中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書、廣證恒生
氫氣與汽油成本平衡性分析
氫氣成本占加氫站氫氣售價(jià)的 70%。制約氫能推廣的一個(gè)主要原因是氫氣相比汽油等傳統(tǒng)能源更高的價(jià)格。加氫站銷售的氫氣價(jià)格中，包括制氫和儲(chǔ)運(yùn)氫氣在內(nèi)的氫氣成本占 70%，其中氫氣原材料的價(jià)格為50%，是最重要的一部分，因此制氫環(huán)節(jié)能否降低成本是降低氫氣售價(jià)的關(guān)鍵因素。
氫氣成本占?xì)錃馐蹆r(jià)的 70%
資料來源：《天然氣化工》、廣證恒生
2L 汽油車百公里耗油為 6-8 升，按照 7.3 元/L 的汽油售價(jià)，百公里燃料費(fèi)用最多為 58.4 元。以豐田Mirai 氫燃料電池汽車為例，其百公里氫耗平均水平為 1kg，意味著氫氣的售價(jià)需降到 58.4 元/kg 以下才可與汽油等同，說明氫氣成本需降到 29.2 元/kg。由于氫氣接近理想氣體，根據(jù)理想氣體方程 PV=nRT 可估算出 1Kg 氫氣約為 11.19Nm3。因此氫氣的理想成本大約是 2.6 元/ Nm3。
一、電解水制氫
電解水制氫是通過電能給水提供能量，破壞水分子的氫氧鍵來制取氫氣的方法。其工藝過程簡(jiǎn)單、無污染，制取效率一般在 75%-85%，每立方米氫氣電耗為 4-5 kW·h。由于電費(fèi)占整個(gè)水電解制氫生產(chǎn)費(fèi)用的 80%左右，導(dǎo)致其競(jìng)爭(zhēng)力并不高。更多干貨請(qǐng)關(guān)注微信公眾號(hào)：氫能俱樂部。因此水電解制氫成本的關(guān)鍵在于耗能問題。由此引出兩條降成本的途徑：一是降低電解過程中的能耗，二是采用低成本電力為制氫原料
降本路徑一：降低過程能耗，提高電解效率
目前主流的電解水制氫技術(shù)有三種類型：包括堿性電解水制氫、質(zhì)子交換膜電解水(PEM)制氫和固態(tài)氧化物電解水(SOEC)制氫，其中堿性電解水制氫是最為成熟、產(chǎn)業(yè)化程度最廣的制氫技術(shù)，但其電解效率僅為 60-75%，國(guó)外研發(fā)的 PEM技術(shù)與 SOEC 技術(shù)均能有效提高電解效率，尤其是 PEM 技術(shù)已引入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。
資料來源：《氫氣生產(chǎn)及熱化學(xué)利用》、高工鋰電、廣證恒生
降本路徑二：以低成本電價(jià)為制氫原料
① 我國(guó)大工業(yè)電價(jià)低于世界平均水平，國(guó)內(nèi)西北地區(qū)電價(jià)最低
與其他國(guó)家相比，我國(guó)工業(yè)電價(jià)位于中低水平。根據(jù) 2016 年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)工業(yè)電價(jià)平均為 0.107 美 元/千瓦時(shí)，居世界第八，僅為第一名的三分之一。相對(duì)較低的電價(jià)為我國(guó)發(fā)展電解水制氫提供了有利條件。
圖片
各國(guó)工業(yè)電價(jià)
西北地區(qū)大工業(yè)電價(jià)偏低。分省份來看，波谷、波峰電價(jià)在全國(guó)排名第一的分別是河北省和安徽省，青海省無論是波峰還是波谷電價(jià)均為最低，全國(guó)波谷電價(jià)平均為 0.33 元/千瓦時(shí)，波峰電價(jià)平均為 0.90 元 /千瓦時(shí)。西南地區(qū)、西北地區(qū)的大工業(yè)用電價(jià)格普遍在全國(guó)平均線以下，對(duì)于發(fā)展電解水制氫節(jié)約能耗更為有利。
② 西北地區(qū)棄風(fēng)棄電可用于電解水制氫
我國(guó)棄風(fēng)棄電問題突出，利好電解水制氫。近年來，新能源的持續(xù)快速發(fā)展已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電網(wǎng)承載能力，新能源消耗矛盾十分突出。棄風(fēng)、棄水電量呈逐年增加趨勢(shì)。我國(guó)目前正大力推進(jìn)可再生能源，由大量棄風(fēng)、棄水產(chǎn)生的棄電是發(fā)展電解水制氫的有利條件。
西北地區(qū)棄風(fēng)棄電量居首位。隨著我國(guó)可再生能源裝機(jī)量逐年增長(zhǎng)，每年可再生能源棄電量驚人。2018年我國(guó)全國(guó)棄風(fēng)棄電量 277 億千瓦時(shí)，其中西北地區(qū)為 166.9 億千瓦時(shí)，占全國(guó)的 60.25%，其次是華北地區(qū)（占全國(guó) 33.68%），東北地區(qū)占少量份額（全國(guó) 5.45%）。如果按照每立方氫氣耗電 5 千瓦時(shí)來計(jì)算，全國(guó)棄風(fēng)電量可生產(chǎn) 55.4 億立方高純度氫氣。
2018年各省棄風(fēng)量（億千瓦時(shí)）
2018 年棄風(fēng)棄電量排名前三的省份分別為新疆、內(nèi)蒙古和甘肅，全國(guó)平均棄風(fēng)棄電率為 7%，這三個(gè)省份均超過了 10%。由于可再生資源豐富，西北省份也是電價(jià)最低的地區(qū)。
③ 長(zhǎng)期來看，低成本電力主要來自光伏和風(fēng)電
雖然我國(guó)每年產(chǎn)生大量的棄風(fēng)棄電，但由于棄風(fēng)棄電產(chǎn)生的電壓不穩(wěn)定、難以大規(guī)模推廣等原因，其終究不是解決電解水制氫成本問題的最優(yōu)選擇。長(zhǎng)期來看，光伏和風(fēng)電是電解水制氫企業(yè)獲得低成本電力的主要來源。
電解水制氫成本測(cè)算
測(cè)算據(jù)測(cè)算，水電解制氫設(shè)備、安裝、土建及其他總投資 1410 萬元，每年用電等費(fèi)用為 2700 萬元，每年成本合計(jì) 2954 萬元，對(duì)應(yīng)氫氣成本 3.69 元/Nm3。現(xiàn)分別計(jì)算不同制氫成本情況下，對(duì)應(yīng)的用電價(jià)格，如下表所示。
測(cè)算氫氣成本與用電價(jià)格成正比關(guān)系，如果要求氫氣成本低于 2.6 元/Nm3，則用電價(jià)格要低于 0.50 元/kW·h。
二、天然氣制氫
天然氣制氫方法中甲烷水蒸氣重整最為成熟
天然氣的主要成分是甲烷（體積含量大于 85%），因此一般說的天然氣制氫就是甲烷制氫。甲烷制氫方法主要有甲烷水蒸氣制氫（SMR），甲烷部分氧化（POX）和甲烷自熱重整（ATR）。其中甲烷水蒸氣重整（SMR）是工業(yè)上最為成熟的制氫技術(shù)，約占世界制氫量的 70%，因此本文重點(diǎn)針對(duì)此方法進(jìn)行降成本測(cè)算。
資料來源：《氫與氫能》、廣證恒生
甲烷水蒸氣重整是指在催化劑存在及高溫條件下，使甲烷與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)生成合成氣。為防止催化劑中毒，原料天然氣需進(jìn)行脫硫預(yù)處理至硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于 1×10-7，然后經(jīng)過重整反應(yīng)制備合成氣，再經(jīng)過水煤氣變換反應(yīng)將 CO 進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氫氣和 CO2，最后將 CO2 通過變壓吸附（PSA）脫除得到氫氣。
降成本應(yīng)從天然氣價(jià)格入手，中西部地區(qū)具備價(jià)格優(yōu)勢(shì)
對(duì)于天然氣制氫來說，天然氣成本是占比最大的部分，約占生產(chǎn)成本的 45-75%（IEA）。因此其降成本策略應(yīng)首先關(guān)注天然氣價(jià)格。
我國(guó)天然氣資源主要分布在中西盆地。受地質(zhì)條件影響，地下天然氣通常呈聚集區(qū)分布，我國(guó)天然氣探明儲(chǔ)量的 80 %以上分布在鄂爾多斯、四川、塔里木、柴達(dá)木和鶯—瓊五大盆地。從 2017 年天然氣產(chǎn)量分布數(shù)據(jù)來看，陜西、四川、新疆三個(gè)省份的天然氣產(chǎn)量占全國(guó)的 73%，天然氣氣源分布十分集中。
資料來源：同花順 iFind、廣證恒生
沿海地區(qū)天然氣價(jià)格偏高，西北地區(qū)價(jià)格最低。天然氣價(jià)格很大程度上受資源稟賦的影響，天然氣資源豐富的地區(qū)，價(jià)格相應(yīng)偏低。非居民天然氣價(jià)格目前正在逐步市場(chǎng)化。2019 年 3 月 27 日，國(guó)家發(fā)改委宣布調(diào)整各省天然氣基本門站價(jià)格，經(jīng)價(jià)格調(diào)整后，上海、廣東、浙江等東南沿海地區(qū)天然氣價(jià)格普遍高于平均價(jià) 1.68 元/千立方米，新疆、青海等西北地區(qū)價(jià)格則低至 1.2 元/千立方米左右。
資料來源：國(guó)家發(fā)改委、廣證恒生
天然氣重整制氫成本測(cè)算
假定制氫規(guī)模 1000 Nm3/h，年產(chǎn)氫 100 萬 Nm3。測(cè)算過程及假設(shè)如下：
天然氣制氫成本測(cè)算
資料來源：《天然氣制氫、甲醇制氫與水電解制氫的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比探討》、廣證恒生
天然氣制氫設(shè)備、安裝、土建及其他總投資 1528 萬元，每年天然氣費(fèi)用為 672 萬元（占總成本的62.11%），每年成本合計(jì) 1082.4 萬元，對(duì)應(yīng)氫氣成本 1.35 元/Nm3?，F(xiàn)分別計(jì)算不同制氫成本情況下，對(duì)應(yīng)的天然氣價(jià)格：
三、煤制氫
煤氣化制氫是最常用的一種煤制氫手段
2013 年，我國(guó)超過美國(guó)成為世界第一大能源消費(fèi)國(guó)，其中煤炭產(chǎn)量為 38.74 億噸標(biāo)煤，之后幾年煤炭產(chǎn)量略微走低至 2017 年的 35.2 億噸，但 2018 年煤炭產(chǎn)量有所回升至 36.8 億噸標(biāo)煤。
煤炭可以用于制備多種工業(yè)產(chǎn)品，其中煤制氣的產(chǎn)能由 2017 年的 51 億立方米/年同比增長(zhǎng) 0.1%至2018 年的 51.05 億立方米/年。更多干貨請(qǐng)關(guān)注微信公眾號(hào)：氫能俱樂部。在此我們主要對(duì)煤制氫的方法和成本進(jìn)行討論。煤是我國(guó)制氫的主要原料之一，可以通過多種方式制取氫氣，但目前在我國(guó)氫氣生產(chǎn)中占據(jù)主要地位的還是煤氣化制氫。
三種煤制氫方法的比較
資料來源：《制氫工藝與技術(shù)》、廣證恒生
降成本應(yīng)該從煤炭?jī)r(jià)格入手，西北部具有地區(qū)優(yōu)勢(shì)
對(duì)于煤氣化制氫來說，煤炭成本占比最大，能夠占到總成本的 40%-45%左右，因此在制氫設(shè)備價(jià)格較為固定，流程中所需條件難以大幅度改變的基礎(chǔ)下，降低煤氣化制氫成本應(yīng)該從降低煤炭?jī)r(jià)格入手。
我國(guó)煤炭資源較為豐富且分布廣泛，全國(guó) 32 個(gè)省市（除上海外）都有煤炭資源，但是區(qū)域分布極不均衡，主要的格局是西多東少、北富南貧。其中山西、內(nèi)蒙古、陜西、新疆、貴州等五省煤炭探明儲(chǔ)量占全國(guó)比重達(dá)到 81%以上，且這些地區(qū)的煤質(zhì)普遍較好。由 2018 年上半年全國(guó)各省分原煤產(chǎn)量也可以看出，內(nèi)蒙古、陜西、山西三個(gè)省市產(chǎn)量占全國(guó)的 68%，由此可見西北部煤炭產(chǎn)量具有明顯優(yōu)勢(shì)。
資料來源：國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、廣證恒生
由于不同種類的煤價(jià)格有別，在這里我們主要考察各省份動(dòng)力煤的價(jià)格，可以發(fā)現(xiàn)在煤炭?jī)?chǔ)量和產(chǎn)量較多的地區(qū)比如內(nèi)蒙古、山西等省份，相同種類煤炭的價(jià)格也相對(duì)其他省份較低。根據(jù)中國(guó)煤炭市場(chǎng)網(wǎng)發(fā)布的截至到 2019 年 1 月的數(shù)據(jù)，全國(guó)部分省份動(dòng)力煤價(jià)格如下，其中需要重點(diǎn)關(guān)注的是內(nèi)蒙古動(dòng)力煤價(jià)格僅為 360 元/噸，而混煤的價(jià)格是 170 元/噸。
內(nèi)蒙古和山西動(dòng)力煤價(jià)格偏低
資料來源：中國(guó)煤炭市場(chǎng)網(wǎng)、廣證恒生
煤氣化制氫成本測(cè)算
在對(duì)煤氣化制氫成本的測(cè)算中，參考中石化經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 2015 年對(duì)煤氣化制氫成本的分析，在中石化經(jīng)濟(jì)研究院的成本分析中假定煤炭的價(jià)格是 600 元/噸，水煤漿制氫裝置為 12.4 億元，生產(chǎn)的氫氣規(guī)模為9 × 1043/?。我們假定：
直接工資成本每年以 9%的速度增長(zhǎng)
輔助材料和裝置投資等其他部分以每年 5%的速度增長(zhǎng)
煤炭?jī)r(jià)格依舊為 600 元/噸，但是由于技術(shù)進(jìn)步使得單位產(chǎn)量增加
雖然副產(chǎn)品中的二氧化碳可以注入油田來減少對(duì)其的加工處理，但是該應(yīng)用由于運(yùn)輸方面等問題還未得到大規(guī)模的應(yīng)用。同時(shí)近幾年國(guó)家對(duì)于排放廢氣的標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)，因此假定副產(chǎn)品費(fèi)用不改變
資料來源：中石化經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院、廣證恒生
通過上述測(cè)算，我們可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)煤炭?jī)r(jià)格為 600 元時(shí)，大規(guī)模煤氣化生產(chǎn)氫氣的成本為 1.1 元/Nm3。如果將制氫場(chǎng)所定在內(nèi)蒙古，煤炭?jī)r(jià)格降低為 200 元時(shí)，制氫氣的成本可能降低為 0.34 元/Nm3。
由于目前煤炭資源幾乎全部掌握在國(guó)家手中，煤炭?jī)r(jià)格難以有大幅度的下降。并且現(xiàn)今煤氣化制氫的規(guī)模已經(jīng)較大，在人工費(fèi)用逐漸增長(zhǎng)的情況下，未來很難通過規(guī)模效應(yīng)來減少每立方米氫氣的生產(chǎn)成本。因此雖然目前通過測(cè)算所得的煤氣化制氫的成本較低，但未來煤氣化制氫成本的下降空間有限。
四、化工副產(chǎn)品制氫
氯堿制氫為主要生產(chǎn)方式，降本可從節(jié)能降耗方面入手
化工副產(chǎn)品制氫主要可以分為焦?fàn)t氣制氫、氯堿副產(chǎn)品制氫、丙烷脫氫和乙烷裂解等幾種方式，其中氯堿副產(chǎn)品制氫的由于工藝成本最為適中且所制取的氫氣純度較高等優(yōu)勢(shì)，成為目前化工副產(chǎn)品中較為適宜的制氫方式。
氯堿制氫是以食鹽水（NaCl）為原料，采用離子膜或者石棉隔膜電解槽生產(chǎn)燒堿（NaOH）和氯氣，同時(shí)得到副產(chǎn)品氫氣的工藝方法。之后再使用 PSA 等技術(shù)去除氫氣中的雜質(zhì)即可得到純度高于 99%的氫氣。
氯堿制氫工藝簡(jiǎn)化流程
資料來源：中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)、廣證恒生
國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)顯示，2018 年氯堿廠的產(chǎn)量為 2620.5 萬噸，根據(jù)氯堿平衡表，燒堿與氫氣的產(chǎn)量配比為 40:1，理論上 2018 年氯堿副產(chǎn)品制氫產(chǎn)生了 65.5 萬噸氫氣，即 73.8 億 Nm3 的氫氣。
目前氯堿工業(yè)中成本最高的部分是用電成本，使用離子膜法生產(chǎn)燒堿所需的電耗 2150~2200 kWh/t。上面電解水部分已經(jīng)對(duì)我國(guó)電價(jià)的基本情況進(jìn)行了介紹，這里就不做贅述。
丙烷脫氫和乙烷裂解副產(chǎn)制氫有未來潛在優(yōu)勢(shì)
2013 年，丙烷開始作為化工原料被大規(guī)模使用，當(dāng)年中國(guó)進(jìn)口丙烷數(shù)量為 245 噸，其后進(jìn)口量逐年上升至 1350 萬噸。與此同時(shí)，丙烷脫氫項(xiàng)目也在不斷發(fā)展。截止 2019 年 1 月，我國(guó)已經(jīng)建成的丙烷脫氫項(xiàng)目共計(jì)生產(chǎn)能力 467 萬噸/年，其中山東和江蘇兩個(gè)省份處于領(lǐng)先位置。行業(yè)內(nèi)已經(jīng)公布的規(guī)劃和在建的丙烷脫氫項(xiàng)目共計(jì) 45 個(gè)，涉及生產(chǎn)能力 2605 萬噸/年。若規(guī)劃和在建的丙烷脫氫項(xiàng)目都已完成，預(yù)計(jì)可以副產(chǎn)并外售 86.8 萬噸氫能，未來發(fā)展空間巨大，丙烷脫氫副產(chǎn)的氫氣成為未來潛在具有優(yōu)勢(shì)的燃料電池車用氫源選擇之一。
中國(guó)丙烷進(jìn)口量增長(zhǎng)迅速
資料來源：中國(guó)海關(guān)總署、廣證恒生
乙烯是中國(guó)需求量最大的烯烴之一，是合成塑料、纖維和橡膠的基礎(chǔ)原料。根據(jù)中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)的信息，過去十年我國(guó)的乙烯表觀消費(fèi)快速增長(zhǎng)，從 2008 年的 1096 萬噸增長(zhǎng)到 2017 年的 2143 萬噸，年均復(fù)合增長(zhǎng)率為 8%。隨著乙烷裂解技術(shù)的逐漸成熟，國(guó)內(nèi)企業(yè)開始布局乙烷裂解的大規(guī)模生產(chǎn)，預(yù)計(jì)到 2021年，乙烷裂解生產(chǎn)乙烯的乙烯產(chǎn)量將占比接近 41%，而氫氣作為乙烷裂解的副產(chǎn)品之一，也會(huì)隨著乙烷裂解技術(shù)的不斷進(jìn)步而產(chǎn)量快速增長(zhǎng)。目前我國(guó)規(guī)劃中的乙烷裂解產(chǎn)能達(dá)到 1460 萬噸，可以副產(chǎn)并外售的氫氣達(dá)到 90.4 萬噸。所以乙烷裂解副產(chǎn)品制氫同丙烷脫氫制氫相同，都是未來潛在最具優(yōu)勢(shì)的燃料電池車用氫源選擇之一。
五、相關(guān)企業(yè)簡(jiǎn)述
蘇州競(jìng)立：最早進(jìn)入電解水制氫設(shè)備行業(yè)
蘇州競(jìng)立制氫設(shè)備有限公司成立于 1993 年，是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售水電解制氫設(shè)備、氣體純化、回收設(shè)備及各種類型的氫能專業(yè)設(shè)備于一體的高新技術(shù)企業(yè)，在國(guó)內(nèi)水電解制氫設(shè)備市場(chǎng)排名領(lǐng)先，并參與多個(gè)國(guó)家項(xiàng)目和參與制定多項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
作為國(guó)內(nèi)最早一批進(jìn)入水電解制氫設(shè)備行業(yè)的企業(yè)，蘇州競(jìng)立成立二十多年以來，始終堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新，成為國(guó)內(nèi)制氫設(shè)備頂尖技術(shù)的典型代表。公司研制的水電解制氫設(shè)備產(chǎn)量范圍從 0.3m3/h 至 1000m3/h，其主要產(chǎn)品大型制氫設(shè)備（1000m3/h）主要用于電轉(zhuǎn)氣的市場(chǎng)需求，可有效解決棄風(fēng)、棄光等問題。
在可再生能源制氫領(lǐng)域，蘇州競(jìng)立正在承擔(dān)由某國(guó)際知名油氣企業(yè)和國(guó)內(nèi)企業(yè)合作可再生能源制氫項(xiàng)目。蘇州競(jìng)立在原有設(shè)備基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，使之能夠承受正常電流 20%-110%的變化，以適應(yīng)可再生能源的波動(dòng)性需求，目前設(shè)備已經(jīng)做了一段時(shí)間的模擬測(cè)試，接下來會(huì)到風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。
巨正源股份：丙烷脫氫項(xiàng)目具有發(fā)展?jié)摿?/p>
公司成立于 1999 年，是廣東省廣物控股集團(tuán)有限公司（廣東最大的省屬國(guó)有企業(yè)之一）的控股企業(yè)，公司的業(yè)務(wù)范圍包括成品油及化工品貿(mào)易、燃油及化工品儲(chǔ)罐、燃料油船運(yùn)、碼頭運(yùn)作業(yè)務(wù)等。
東莞巨正源科技有限公司是深圳巨正源的全資子公司，也是 120 萬噸丙烷脫氫制高性能聚丙烯項(xiàng)目的實(shí)施主體。近日，該項(xiàng)目在沙田鎮(zhèn)立沙島精細(xì)化工園區(qū)完成了產(chǎn)品分離塔吊裝儀式，標(biāo)志著項(xiàng)目建設(shè)全面進(jìn)入攻堅(jiān)階段。該項(xiàng)目投資 105 億元，用地面積 984 畝，是廣東省重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，按計(jì)劃，該項(xiàng)目分為兩期建設(shè)，一期項(xiàng)目每年可產(chǎn)氫氣 2.8 萬噸，二期項(xiàng)目建成后可形成 15-20 萬噸/年的氫氣產(chǎn)能，可以保障廣東省全省氫能源汽車的能源供應(yīng)。
聯(lián)悅氫能：華南最大制氫企業(yè)之一
廣東聯(lián)悅氫能有限公司于 2017 年 6 月 30 日在廣東省云浮市注冊(cè)成立。公司是南中國(guó)地區(qū)較大的、專注于氫氣產(chǎn)品生產(chǎn)和銷售能源氣體公司，擁有行業(yè)先進(jìn)、領(lǐng)先的設(shè)備和工藝，在制氫、運(yùn)氫領(lǐng)域擁有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和多年積累的豐富經(jīng)驗(yàn)。公司占地面積 5000 平米，每小時(shí)產(chǎn)能可達(dá) 1000M3，是華南地區(qū)最大的氫氣專業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)企業(yè)之一。目前已經(jīng)在江門、贛州、郴州和云浮分別投資建設(shè)了 4 座氫氣工廠。
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