氫能發(fā)展優(yōu)勢及制氫方式分析-氫能或將成為未來動力系統(tǒng)的替代能源

氫能發(fā)展優(yōu)勢及制氫方式分析，氫能或將成為未來動力系統(tǒng)的替代能源

一、氫能發(fā)展的三大優(yōu)勢

與傳統(tǒng)化工燃料汽油、柴油相比，氫能具有三大優(yōu)勢。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。二是較高的能源轉化效率。氫能可以通過燃料電池直接轉變?yōu)殡姡^程中的廢熱可以進一步利用，其效率可達到83%。氫氣燃燒不僅熱值高，而且火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，點火能量低，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產(chǎn)生碳排放，可以實現(xiàn)良性循環(huán)。氫的燃燒熱值據(jù)所有化工燃料榜首數(shù)據(jù)來源：公共資料整理

相關報告：發(fā)布的《2019-2025年中國氫能行業(yè)市場競爭現(xiàn)狀及投資方向研究報告》

以汽油內(nèi)燃機的綜合熱效率和CO2排放量為基準來對比。氫燃料電池的綜合熱效率最高，同時CO2排放量少，是替代石油供給車輛動力的最佳燃料。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：公共資料整理

二、制氫方式：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、生物質及其他制氫方式。幾種制氫方式對比制氫方式優(yōu)點優(yōu)點缺點能源效率氫氣價格(美元/kg)氫氣成本(元/NM3)化石燃料制氫天然氣制氫產(chǎn)量高，成本低排放溫室氣體830.750.6-1.2煤制氫產(chǎn)量高，成本低，商業(yè)化技術成熟排放溫室氣體630.921-1.2工業(yè)副產(chǎn)物制氫焦爐氣制氫利用副產(chǎn)物，成本低焦爐氣具有污染性，建設地點受制于原料供應--1.2氯堿制氫產(chǎn)品純度高，原料豐富建設地點受制于原料供應--1.3-1.5電解水制氫環(huán)保，產(chǎn)品純度高耗電量大，成本高45-551.953-5光解水制氫無污染、零排放技術不成熟，轉化率低10-144.98-生物質制氫環(huán)保，產(chǎn)量高技術不成熟，產(chǎn)品純度低40-501.21-2.42-數(shù)據(jù)來源：公共資料整理

天然氣制氫仍是我國最主要的制氫來源，占總制氫量的48%。醇類重整制氫及煤制氫也占有相當大的比重，來自電解水的制氫量最低，僅為4%。天然氣制氫占我國制氫來源的48%數(shù)據(jù)來源：公共資料整理

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，我國將形成以可再生能源為主體、煤制氫+CCS與生物質制氫為補充的多元供氫格局。中國氫氣供給結構預測數(shù)據(jù)來源：公共資料整理

1.電解水制氫：降成本主要依靠電價，低成本電力來自光伏和風電

電解水制氫氣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。其工藝過程簡單、無污染，制取效率一般在75%-85%，每立方米氫氣電耗為4-5kW·h。電解水制氫過程數(shù)據(jù)來源：公共資料整理

1）降成本路徑之一：降低過程能耗，提高電解效率

堿性水解技術最為成熟但效率低，高效率的PEM與SOEC技術待推廣。目前主流的電解水制氫技術有三種類型：包括堿性電解水制氫、質子交換膜電解水(PEM)制氫和固態(tài)氧化物電解水(SOEC)制氫。三種電解池性能對比電解池類型堿水電解池固體氧化物電解池(SOEC)質子交換膜電解池(PEM)電解質20-30%KOHY2O3/ZrO2PEM（常用Nafion）工作溫度℃70-90700-100070-80電流密度A/cm21~21~100.2~0.4電解效率60-75%85-100%70-90%能耗Kwh/Nm34.5-5.52.6-3.63.8-5.0操作特征啟停較快啟停不便啟停快動態(tài)響應能力較強-強電能質量需求穩(wěn)定電源穩(wěn)定電源穩(wěn)定或波動系統(tǒng)運維有腐蝕液體，后期運維復雜，成本高目前已技術研究為主，尚無運維需求無腐蝕性液體，運維簡單，成本低電堆壽命可達到120000h-已達到100000h技術成熟度商業(yè)化實驗室研發(fā)國外已商業(yè)化，國內(nèi)處于研發(fā)走向工業(yè)化前期階段有無污染堿液污染，石棉致癌-清潔無污染電解槽成本美元/kW400-6001000-1500約2000特點最為成熟，商業(yè)化程度最高，成本低部分電能被熱能取代，轉化效率高，高溫限制材料選擇，尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化可再生能源適應性，無污染，成本高（質子交換膜和鉑電極催化），產(chǎn)業(yè)化程度低數(shù)據(jù)來源：公共資料整理

2）降成本路徑之二：以低成本電價為制氫原料

與其他國家相比，我國工業(yè)電價位于中低水平。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國工業(yè)電價平均為0.107美元/千瓦時，居世界第八，僅為第一名的三分之一。相對較低的電價為我國發(fā)展電解水制氫提供了有利條件我國工業(yè)電價據(jù)世界第八。數(shù)據(jù)來源：公共資料整理

西北地區(qū)大工業(yè)電價偏低。分省份來看，波谷、波峰電價在全國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均為最低，全國波谷電價平均為0.33元/千瓦時，波峰電價平均為0.90元/千瓦時。西北地區(qū)省份大工業(yè)電價偏低數(shù)據(jù)來源：公共資料整理

1.天然氣制氫：中西部地區(qū)天然氣資源豐富，可降低制氫成本

1）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，約占世界制氫量的70%。三種天然氣制氫方法的比較制氫技術優(yōu)點缺點甲烷水蒸氣重整應用最為廣泛；無需氧氣；反應溫度最低；對于制氫而言，有最佳的H2/CO比例通常需要過多蒸汽；設備投資多；能量需求高自熱重整需要低能量；比部分氧化過程的溫度低；H2/CO比例很容易受到CH4/O2比例的調整商業(yè)應用有限；通常需要氧氣部分氧化給料直接脫硫不需要蒸汽；較低的H2/CO比例，常用于比例小于20的場景不適用于H2/CO需求比例大于20的場景；操作過程所需溫度高；通常需要氧氣數(shù)據(jù)來源：公共資料整理甲烷水蒸氣重整制氫工藝流程數(shù)據(jù)來源：公共資料整理

2）降低成本應從天然氣價格入手，中西部地區(qū)具備價格優(yōu)勢

我國天然氣資源主要分布在中西盆地。受地質條件影響，地下天然氣通常呈聚集區(qū)分布，我國天然氣探明儲量的80%以上分布在鄂爾多斯、四川、塔里木、柴達木和鶯—瓊五大盆地。沿海地區(qū)天然氣價格偏高，西北地區(qū)價格最低。天然氣價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)，價格相應偏低。非居民天然氣價格目前正在逐步市場化。各省天然氣基本門站價格表（元/m3）數(shù)據(jù)來源：公共資料整理

2.煤制氫：成本較低，下降空間有限

1）煤氣化制氫是最常用的一種煤制氫手段

2013年，我國超過美國成為世界第一大能源消費國，其中煤炭產(chǎn)量為38.74億噸標煤，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0.1%至2018年的51.05億立方米/年。但目前在我國氫氣生產(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制氫技術過程產(chǎn)品煤間接制氫將煤轉化為甲醇，再由甲醇重整制氫-煤焦化制氫煤經(jīng)過干燥、預熱、軟化等過程被煉制成焦炭，副產(chǎn)品的焦爐煤氣中含有氫氣焦爐煤氣中氫氣含量55～60%，其余是甲烷、一氧化碳等氣體煤氣化制氫煤炭先與氧氣反應，后和水反應，得到以氫氣和一氧化碳為主要成分的氣態(tài)產(chǎn)品，脫硫凈化后，一氧化碳和水蒸氣反應生成更多的氫氣，最后分離提純得氫氣。變壓吸附提純后，氫氣純度可以提高到99.9%以上數(shù)據(jù)來源：公共資料整理煤氣化制氫工藝流程簡圖數(shù)據(jù)來源：公共資料整理

2）降成本應該從煤炭價格入手，西北部具有地區(qū)優(yōu)勢

我國煤炭資源較為豐富且分布廣泛，全國32個省市（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。2018年上半年內(nèi)蒙古和山西原煤產(chǎn)量遠高于其他省份數(shù)據(jù)來源：公共資料整理

現(xiàn)在煤炭儲量和產(chǎn)量較多的地區(qū)比如內(nèi)蒙古、山西等省份，相同種類煤炭的價格也相對其他省份較低。全國部分省份動力煤價格如下，其中需要重點關注的是內(nèi)蒙古動力煤價格僅為360元/噸，而混煤的價格是170元/噸。內(nèi)蒙古和山西動力煤價格偏低數(shù)據(jù)來源：公共資料整理

3.化工副產(chǎn)品制氫：未來將由氯堿制氫轉向丙烷脫

1）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爐氣制氫、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，成為目前化工副產(chǎn)品中較為適宜的制氫方式。氯堿制氫工藝簡化流程數(shù)據(jù)來源：公共