氢能系列（二）：氢能真的清洁吗？主要制氢工艺对比

导读

在上一期中国化信·咨询的氢能系列中，我们分享了中国氢能产业的发展现状与未来方向。其中，简单介绍了制氢工艺的分类，如下表所示。

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氢能系列（一）：聆听两会“氢声音”，详解中国氢能产业现状

2019年，中国氢气产量为2,313万吨，其中50.8%来自化石燃料制氢。然而，一直被视为“ 21世纪的最具发展潜力的清洁能源 ”的氢能真的清洁吗？本期中国化信·咨询将着重从制氢工艺的角度来探讨这个问题。

化石燃料制氢

1.煤气化制氢

2019年，煤气化制氢的产量约为803万吨，约占氢气总产量的35%。

煤气化制氢是指将原料煤或煤焦气化，得到以H2和CO为主的粗煤气，再经过净化、CO变换和分离提纯等处理过程，得到一定纯度的氢气。

煤气化制氢 技术成熟，成本较低。所产的氢气通常用于生产合成氨以及甲醇的原料气。缺点为装置投资成本较高、碳排放量大，生产每公斤氢气产生的 二氧化碳量约为30.2kg。与CCS/CCUS技术结合的煤气化制氢技术，是未来的发展方向之一。

2. 天然气重整制氢

2019年，天然气重整制氢的产量约为370万吨，约占氢气总产量的16%。

天然气重整制氢技术是指在一定温度、压力及催化剂的作用下，烷烃与水蒸气发生化学反应，生成的转化气经过换热，进入变换炉使CO与水蒸气反应生成CO2和H2。再经过换热、冷凝、汽水分离等过程，利用变压吸附装置纯化提取产品氢气。

天然气重整制氢技术成熟，制氢成本相对较低，氢气转化率较高。生产每公斤氢气产生的 二氧化碳量约8-10 kg。但由于我国天然气资源匮乏，天然气重整制氢在国内发展受限。

3. 甲醇水蒸气重整制氢

甲醇制氢技术又包括甲醇水蒸汽重整制氢、 甲醇裂解制氢和甲醇部分氧化制氢。

甲醇水蒸气重整制氢是指在一定温度、压力和催化剂的作用下，甲醇和水转化为约75%的H2、24%的CO2以及少量的CO和CH4。再经过氢气提纯等过程实现氢气生产。该工艺相对于甲醇裂解制氢以及甲醇部分氧化制氢工艺成熟，且适于工业化生产。甲醇水蒸气重整制氢的反应条件相对温和（220-280℃），产物成分少，易分离。

甲醇原料资源丰富，易于存储和运输。但该工艺 适合小规模制氢，且使用的Cu/Zn/Al 催化剂易失活。该工艺生产每公斤氢气产生的 二氧化碳量约20.6kg。目前国内最大规模的甲醇水蒸气重整制氢装置（60,000m3/h）已由山东寿光鲁清石化有限公司于2018年7月投产。

工业副产制氢

1. 焦炉煤气副产氢

焦炉煤气是焦炭生产过程中的副产品，通常生产1t焦炭可副产380-420m3的焦炉气，焦炉煤气的组成见下表，氢气体积分数约为54-59%。变压吸附（PSA）氢气回收率为75-90%。根据2019年全国焦炭产量， 2019年焦炉煤气副产的氢气产量约为880万吨，占氢气总产量的38%。焦炉煤气副产的氢气约55%将继续被焦化厂或钢厂自用，45%对外销售。

焦炉煤气制氢技术成本较低，如果考虑焦炉煤气外购成本，焦炉煤气制氢工艺成本为1.14元/m3或12元/kg。如果不考虑焦炉煤气外购成本，则氢气产品的平均成本为0.22元/m3或2.4元/kg。原材料焦炉煤气的成本占总成本的80%， 焦炉煤气价格越低，制氢成本优势越明显。如果从煤焦化过程开始分析制氢成本，苯、煤焦油、焦炭和氢四种产品进行成本分摊，氢气产品在总产出中的价值占比为18.6%，制氢成本为14.3元/kg。焦炉煤气制氢既能实现有效的资源回收利用，又能弥补能源供应缺口，有助于形成良好的循环经济产业链。

2. 氯碱工业副产氢

氯碱工业中，每生产1t烧碱约副产0.025t氢气。氯碱工业的副产氢气利用不充分，副产的氢气约30%企业自用生产盐酸，35%用于外售。剩余35%的氢气未被有效利用，通常直接被排空或者燃烧。

2019年，氯碱工业副产氢气总量约为79万吨，其中6.7万吨的氢气未被有效利用。若按照每辆氢燃料电池汽车每天加注5公斤氢气、行驶200公里计算，2019年，氯碱工业未被利用的副产氢气可供约3.6万辆燃料电池车行驶一年。氯碱工业未被利用的氢气可净化后外售给加氢站或用于企业自供电，如2016年9月，营创三征（营口）精细化工有限公司利用氯碱副产氢气，建设2MW氢燃料电池发电站，实现了20%的电力自供应。其燃料电池设备的技术提供商为荷兰MTSA Technopower和Nedstack Fuel Cell Technology。

3. 合成氨、合成甲醇工业尾气制氢

每生产1t甲醇，约产生122Nm3尾气，其中氢气的体积分数约为63%，按照2019年甲醇产量计算， 来自甲醇合成工业尾气的氢气产量约为50万吨。

同样，每生产1t合成氨，约产生188Nm3尾气，其中氢气的体积分数约为62%。按照2019年合成氨产量计算， 来自合成氨工业尾气的氢气产量约为48万吨。

但两个工艺路线的副产氢气一般会被企业回收利用，如合成氨工业中的副产氢气可 再用于合成氨生产或生产双氧水等产品。两种副产氢气外售比例不到5%。

4. PDH工艺制氢

2019年，中国共有15套PDH装置投产，PDH工艺的丙烯产能为669.5万吨/年，占丙烯总产能的17%。按理论计算，PDH工艺每生产一吨丙烯会产生37.9kg氢气。 2019年，来自PDH工艺的氢气产量约为24.2万吨。副产氢气的 使用率仅有40%，用于加氢、脱硫等工段中。剩余60%的氢气未被合理利用。随着新建PDH装置的投产以及化工企业一体化进程的发展，PDH副产氢气的产量将不断增加，利用率也会不断提升。

电解水制氢

电解水制氢技术成熟，已有80余年的发展历史。且设备简单，无污染，所得氢气纯度高。但 由于能耗较高，所以制氢成本居高不下。

电解水制氢的常见电解槽包括碱性水电解槽、PEM（质子交换膜）水电解槽、固体氧化物水电解槽。

三种电解过程的工作原理见下图。

碱性电解水制氢装置成本较低，结构框架最成熟，所以碱性水电解槽是 商业化程度最高的电解水装置。但该装置仍然存在 液体电解液易泄露、能耗高等问题，国内单台最大产气量为1,000立方米/小时。

质子交换膜水电解槽能效较高，但由于使用贵金属催化剂，且重要零部件国产化进程较慢，装置成本及生产成本较高。

固体氧化物水电解装置目前尚处于实验室研发阶段。

1. 碱性电解水制氢

碱性电解水制氢能耗高，单位能耗为4.5-5.5kWh/立方氢， 电价占到总成本的70%以上，若电价按照大工业平均电价0.6元/kWh计算，制氢成本约为38元/kg1。 制氢成本高于其他制氢方式。且 考虑到我国主要为火电，电解水碳排放问题仍然存在，电解水每公斤氢气产生的 二氧化碳量约35.8kg。

2. 可再生能源电解水制氢

可再生能源电解水制氢是解决电解水制氢成本高、碳排放问题的重要手段。由于可再生能源发电的不均匀性、间接性，并 输送易引起电 的波动，因此大量的可再生能源没有并 使用。2019年，全国弃风电量169亿千瓦时，平均弃风率为4.7%。弃光电量45亿千瓦时，平均弃光率2%。 利用“弃风、弃光、弃水”电力来电解水制氢成为发展绿色氢能的新思路。如按照弃电0.1元/kWh计算，制氢成本可下降至约10元/kg1， 制氢成本与传统化石燃料制氢成本相当。且由于是绿色能源发电， 碳排放问题基本得到解决。

因此，全国乃至世界各地都在推进可再生能源制氢的发展。 2016年河北建投新能源公司借鉴德国勃兰登堡州在开发利用可再生能源、改善生态环境等方面的经验和做法，引用德国McPhy 能源公司的风电制氢技术，规划建设“沽源风电制氢示范项目”。 2019年张家口海珀尔制氢、加氢项目由亿华通动力科技有限公司投资建设，包括1座制氢站和配套加氢站。制氢站利用风电电解水制氢技术，项目建成后，可实现年产纯度为99.999%的氢气1600万立方米。另外， 四川、广东等地提出电价支持政策，电解水制氢最高电价限定为0.3元/kWh和0.26元/kWh。

但由于我国集中式大型风电、光伏电站等集中在西北地区，因此把弃电制得的氢气运输到需求较大的华东、华南地区，涉及到氢气运输成本高及安全性问题。 随着氢气储运技术的发展、氢气运输 络的建设，未来可再生能源制氢运输成本有望进一步下降。

氢能源到底有多清洁？

根据不同制氢工艺的碳排放量大小，可将氢气分为绿氢、蓝氢及灰氢。由于可再生能源电解水制氢相对于 电电解水制氢工艺更清洁且成本更低，随着氢气储运技术的发展，可再生能源电解制氢使用成本将不断下降。传统石化能源制氢方式结合CCS/CCUS技术可以降低碳排放，且制氢成本相对电解水制氢低，仍具有较大的成本优势。

参考 献：

1. 沈威. 考虑碳排放在内的化石能和电解水制氢成本研究[J]. 煤气与热力，2019.8

2. 程婉静. 两种技术路线的煤制氢产业链生命周期成本分析[J].煤炭经济研究, 2020,20 (3)

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