作者，Henry 财务学博士，专注产业技术经济研究
导读
一、什么是制氢技术
氢气的化学式是H2，由2个氢原子通过共价键结合而成，是世界上密度最小的气体。地球上氢元素的储量排第三，并且主要以水的形式存在，氢气的原料来源非常丰富；氢气可以通过水制备，且燃烧后仅生成水，零污染，且实现了产业链的闭环，是一种可持续的燃料；氢气是常见燃料中热值最高的（142KJ/kg），约是石油的3倍、煤炭的4.5倍，正是这一系列优点，氢气被认为是能源的终极解决方案。因此，近年来在环保及可持续发展理念驱动下氢燃料电池等氢能产业快速兴起，社会对氢气的需求不断上升。在可以预见的将来，氢气必将成为人类社会最重要的能源之一，而探索低成本、高效率、高纯度的大规模工业化制氢技术成为构建“氢社会”的基础。
图1 制氢工艺分类图
图片来源：公开资料
目前已知的制氢技术及工艺十分繁多，如上图所示，按照所用原料的不同可以分为七大类：
（1）光解水制氢；
（2）天然气或生物气制氢；
（3）油类加工制氢；
（4）煤气化制氢；
（5）乙醇或甲醇裂解制氢；
（6）电解水制氢；
（7）生物体热解制氢。
二、主流制氢工艺介绍
这些制氢工艺在环保、氢气纯度、能量转化效率、成本等方面各擅胜场，但在当前技术经济环境下得到大规模工业化应用的主要有天然气制氢、煤制氢、重油加工制氢、甲醇裂解制氢以及电解水制氢等五种。但近年来随着石油价格不断上涨，原有重油制氢装置因原料利用率低，在成本效益上越来越难以体现经济性，众多企业纷纷停止使用。
图2 商业化制氢产业中的工艺选择
数据来源：Pacific Northwest National Laboratory
世界各国由于在资源分布、技术基础、环保要求等方面的差异，其制氢工业所选择的工艺各有侧重。在全球范围内，天然气制氢占比最高，达到 48%；其次是醇类裂解制氢，占比30%；焦炉煤气第三，占比 8%。日本由于化石燃料资源匮乏、环保要求高等原因，其制氢工业多数采用电解水。而中国煤资源丰富，煤炭开采及加工工业发达，因此煤气化制氢及焦炉气制氢工艺采用较多。
天然气蒸汽重整制氢
天然气通常是指储存在地层较深部的一种富含碳氢化合物的可燃气体，主要成分是甲烷（含量大于 85%）、乙烷、丙烷、硫化物、二氧化碳、氮气和水汽等。天然气制氢主要分为天然气蒸气重整法（SMR）制氢、天然气部分氧化（POX）制氢及天然自热重整（ATR）制氢。
图3 天然气SMR工艺流程
资料来源：玖牛研究院根据公开资料整理
目前多数天然气制氢是通过蒸汽重整法（SMR）制备的。SMR 法是在一定的压力、高温及催化剂作用下，天然气中烷烃和水蒸汽发生化学反应生成转化气，经过沸锅换热、进人变换炉使 C0 变换成 H2 和 CO2，然后进行 H2 提纯。
甲醇裂解制氢
甲醇裂解制氢的工艺过程是甲醇和去离子水按一定的配比混合,加热至 270℃左右的混合物蒸汽，在催化剂(Cu-Zn-Al)或者(Cu-Zn-Cr)的作用下,发生催化裂解和转化反应，产生氢气和二氧化碳，然后进入水洗吸收塔进行提纯，即制备出产品氢气。
图4 甲醇裂解制氢工艺流程
资料来源：玖牛研究院根据公开资料整理
煤气化制氢
以煤为原材料的制氢工艺包括煤焦炉气制氢与煤气化制氢。其中焦炉气制氢是煤炭炼焦的副产品回收，其供应受制于炼焦厂产能。自 2016 年以来由于环保限产，全国炼焦厂产量下滑，焦炉气制氢发展停滞。煤气化制氢是煤粉、煤浆或煤焦与气化剂（空气、氧气及水蒸气等）在高温下进行部分氧化（POX）反应，在高温气化炉中生成以ＣＯ、Ｈ２ 为主的合成气，再经过变换、低温甲醇洗工艺、氢气提纯等工序，得到高纯度的产品氢气的工艺过程。近年也有采用超临界水进行煤气化生产氢气。
煤气化制氢工艺主要包括气化反应、水煤气净化、变换反应、变压吸附制氢，其流程如图5所示。
图5 煤气化制氢工艺流程
资料来源：玖牛研究院根据公开资料整理
电解水制氢
电解水制氢是一种较为方便的制取氢气的方法。在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。电解水制氢技术成熟，污染低，且原材料水来源广泛，但是其应用较少，关键原因在于制氢成本高。
图6 电解水制氢
图片来源：公开资料
三、不同工艺的制氢成本剖析
制氢的成本可以分为初始投资的固定成本及后续变动成本，其中固定成本主要是制氢装置的投资成本及管理费用，后续变动成本包括制备氢气过程中消耗的原材料费用、电能及动力煤费用、设备维修及保养费用等。制氢工艺是氢气制备企业生产成本的战略性决定因素，目前主流的制氢工艺在成本上表现到底如何？
天然气蒸汽重整制氢成本分析
天然气蒸汽重整制氢投资额较高，适合于中等以上规模工业化生产，以比较常见的中等规模，生产能力 2000立方/小时 的制氢厂为例，分析天然气蒸汽重整制氢工艺成本。
固定成本
天然气制氢的初始投资包括工艺设备、土建及配套设施费用等两方面的投资。其中天然气制氢工艺设备主要包括氢气压缩机、转化炉、天然气压缩炉、变换炉、变压吸附系统、脱硫槽、仪表、氢气储罐、电气阀门及其他设备，固定设备投资分为设备采购费、运输及安装费，共 2300万元。土建及配套设施投资土地及土建费、设计勘察费、前期工作费及其他费用。其中天然气制氢工厂规划面积 8000平方,土地及土建费按照 1800 元/平方计算，则可以计算得土地及土建费用为 1440万元。计算工程一类费用（包括工艺设备费用、土地及土建费）为 3740万元，设计勘察费按照工程一类费用的 4%计算，前期工作费用和其他费用均按照工程一类费用的 2%计算，具体计算结果如表 1 所示。
表1 天然气制氢工艺设备投资额
数据来源：《煤气与热力》、玖牛研究院
表2 土建及配套设施费用
数据来源：《煤气与热力》、玖牛研究院
由上可知，一个2000立方/h产能的天然气制氢项目的投资额是4040万元。假设该项目运行期为20年，残值率为0，按照直线法计提折旧，则每年折旧额为202万元，此外设备维修保养费用按照工艺设备价值的3%计提，则每年设备维修保养费用为6.06万元，该项目配备工人10名，技术人员1名，管理人员1名，每年员工的薪资支出为80万元。所以，每年的固定成本支出=设备折旧+维修保养费+员工薪资支出 =288万元。
变动成本分析
天然气蒸汽重整制氢工艺需要使用原料天然气（也作为燃料），同时在制氢过程中会消耗去离子水、冷却水、电能等，这些资源费用即构成了天然气制氢的变动成本。根据天然气制氢工厂的实际运行情况，表3列出了天然气制氢过程中，标准工况下每制备1立方氢气时各类资源的消耗量及价格。
表3 制备1m3氢气时各类资源的消耗量及价格表
数据来源：《煤气与热力》、玖牛研究院
因此，每制备1立方氢气的变动成本=天然气费用+去离子水费用+冷却水费用+电费=0.07+0.48P1+0.35P2元。 其中P1、P2分别为天然气与电力的价格。
总成本分析
综上所述，每年制备氢气的成本T1=3080000+（0.07+0.48P1+0.35P2）×Q1，其中P1为天然气的价格，单位是元/立方，Q1为每年的氢气产量，单位是立方。单位制氢成本（每立方）：
C1=3080000/Q1+0.07+0.48P1+0.35P2。
按照设计产能每年运营8000小时，则年产氢4.22000000立方，电价按照当前的工业用电0.725元/kwh，天然气按照当前3.165元/立方，则天然气制氢的单位成本为2.04元。
图7 天然气制氢成本结构图
图片来源：玖牛研究院根据公开资料整理
如上图所示，天然气制氢中主要成本为变动成本占90.5%，而在变动成本中，占比最高的是天然气消耗成本占82.43%，其次为电力成本13.77%。由此可知，天然气制氢的成本敏感因素为天然气及电力价格。
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