氢能发展优势及制氢方式分析

氢能发展优势及制氢方式分析

一、氢能发展的三大优势

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12町(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.

氢的燃烧热值据所有化工燃料榜首

公共资料整理

以汽油内燃机的综合热效率和C02排放量为基准来对比.

氢燃料电池的综合热效率最高，同时C02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C02排放量少

公共资料整理

二、制氢方式：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.

几种制氢方式对比

制氢方优点优点缺点能源效氢气价格氢气成

式率（美元/kg）本（元

/NM3）

天然气制产量高，排放温室

830.750.6-1.2

氢成本低气体

产量高，

化石燃

成本低，

料制氢排放温室

煤制氢商业化630.921-1.2

气体

技术成

熟

焦炉气具

有污染

利用副

焦炉气制性，建设

产物，成——1.2

工业副氢地点受制

本低

产物制于原料供

氢应

产品纯建设地点

氯碱制氢度局，原受制于原——1.3-1.5

料丰富料供应

环保，产耗电量

电解水制氢45-551.953-5

品纯度大，成本

高高

技术不成

无污染、

光解水制氢熟，转化10-144.98—

零排放

率低

技术不成

环保，产

生物质制氢熟，产品40-501.21-2.42—

量高

纯度低

公共资料整理

天然气制氢仍是中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%

天然气制氢占中国制氢来源的48%

公共资料整理

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，中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

・化石能源制氢■工业副产氢

■可再生能源电解制氢生物制氢等其他技术

公共资料整理

1.电解水制氢：降成本主要依靠电价，低成本电力来自光伏

和风电

电解水制氢气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4-5kW•h.

电解水制氢过程

公共资料整理

1)降成本路径之一：降低过程能耗，提高电解效率

碱性水解技术最为成熟但效率低，高效率的PEM与SOEC技术

待推广.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.

三种电解池性能对比

电解池类型碱水电解池固体氧化物电解质子交换膜电解

池(S0EC)池(PEM)

电解质20-30%KOHY203/Zr02PEM(常用Nafion)

工作温度℃70-90700-100070-80

电流密度

「2rio0.2、0.4

A/cm2

电解效率60-75%85-100%70-90%

能耗Kwh/Nm34.5-5.52.6-3.63.8-5.0

操作特征启停较快启停不便启停快

动态响应能

较强—强

力

电能质量需

稳定电源稳定电源稳定或波动

求

有腐蚀液体，后目前已技术研究

无腐蚀性液体，运

系统运维期运维复杂，成为主，尚无运维需

维简单，成本低

本高求

电堆寿命可达到120000h—已达到lOOOCOh

国外己商'也化，国

技术成熟度商业化实验室研发内处于研发走向

工业化前期阶段

碱液污染，石棉

有无污染一清洁无污染

致癌

电解槽成本

400-6001000-1500约2000

美元/kW

部分电能被热能可再生能源适应

最为成熟，商业取代，转化效率性，无污染，成本

特点化程度最高，成高,高温限制材料高（质子交换膜和

本低选择，尚未实现产伯电极催化），产

业化业化程度低

公共资料整理

2）降成本路径之二：以低成本电价为制氢原料

与其他国家相比，中国工业电价位于中低水平.根据数据统

计，中国工业电价平均为0.107美元/千瓦时，居世界第八，仅为第

一名的三分之一,相对较低的电价为中国发展电解水制氢提供了有

利条件

中国工业电价据世界第八.

公共资料整理

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.

西北地区省份大工业电价偏低

公共资料整理

1.天然气制氢：中西部地区天然气资源丰富，可降低制氢成

本

1）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%.

三种天然气制氢方法的比较

制氢技术优点缺点

应用最为广泛；无需氧气；

甲烷水蒸气反应温度最低；对于制氢通常需要过多蒸汽；设备

重整而言，有最佳的H2/C。比投资多；能量需求高

例

需要低能量；比部分氧化

过程的温度低；H2/C0比例商业应用有限；通常需要

自热重整

很容易受到CH4/02比例的氧气

调整

不适用于H2/C0需求比例

给料直接脱硫不需要蒸

大于20的场景；操作过程

部分氧化汽；较低的H2/C0比例

所需温度高；通常需要氧

常用于比例小于20的场景

气

公共资料整理

甲烷水蒸气重整制氢工艺流程

公共资料整理

2）降低成本应从天然气价格入手，中西部地区具备价格优势

中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，中国天然气琛明储量的80%以上分布在

鄂尔多斯、四川、塔里木、柴达木和莺一琼五大盆地.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.

各省天然气基本门站价格表（元/m3）

公共资料整理

2.煤制氢：成本较低，下降空间有限

1）煤气化制氢是最常用的一种煤制氢手段

2013年，中国超过美国成为世界第一大能源消费国，其中煤

炭产量为38.74亿吨标煤，之后几年煤炭产量略微走低至2017年的

35.2亿吨，但2018年煤炭产量有所回升至36.8亿吨标煤.煤炭可

以用于制备多种工业产品，其中煤制气的产能由2017年的51亿立方

米/年同比增长0.遥至2018年的5L05亿立方米/年.但目前在中国

氢气生产中占据主要地位的还是煤气化制氢.

三种煤制氢方法的比较

制氢技术过程产品

煤间接制

将煤转化为甲醇，再由甲醇重整制氢——

氢

焦炉煤气中氢气含

煤经过干燥、预热、软化等过程被炼

煤焦化制量55〜60%,其余是

制成焦炭，副产品的焦炉煤气中含有

氢甲烷、一氧化碳等气

氢气

体

煤炭先与氧气反应，后和水反应，得

到以氢气和一氧化碳为主要成分的变压吸附提纯后，氢

煤气化制

气态产品，脱硫净化后，一氧化碳和气纯度可以提高到

氢

水蒸气反应生成更多的氢气，最后分99.9%以上

离提纯得氢气。

公共资料整理

煤气化制氢工艺流程简图

公共资料整理

2）降成本应该从煤炭价格入手，西北部具有地区优势

中国煤炭资源较为丰富且分布广泛，全国32个省市（除上海

外）都有煤炭资源，但是区域分布极不均衡，主要的格局是西多东

少、北富南贫.

2018年上半年内蒙古和山西原煤产量远高于其他省份

一■原煤声量（万吨）

公共资料整理

现在煤炭储量和产量较多的地区比如内蒙古、山西等省份，相

同种类煤炭的价格也相对其他省份较低.全国部分省份动力煤价格

如下，其中需要重点关注的是内蒙古动力煤价格仅为360元/吨，而

混煤的价格是170元/吨.

内蒙古和山西动力煤价格偏低

公共资料整理

3.化工副产品制氢：未来将由氯碱制氢转向丙烷脱

1）氯碱制氢为主要生产方式，降本可从节能降耗方面入手

化工副产品制氢主要可以分为焦炉气制氢、氯碱副产品制氢、

丙烷脱氢和乙烷裂解等几种方式，其中氯碱副产品制氢的由于工艺

成本最为适中且所制取的氢气纯度较高等优势，成为目前化工副产

品中较为适宜的制氢方式.

氯碱制氢工艺简化流程

2）丙烷脱氢有未来潜在优势

2019年1月，中国已经建成的丙烷脱氢项目共计生产能力467

万吨/年，其中山东和江苏两个省份处于领先位置.行业内已经公布

的规划和在建的丙烷脱氢项目共计45个，涉及生产能力2605万吨/

年.若规划和在建的丙烷脱氢项目都已完成，预计可以副产并外售

86.8万吨氢能，未来发展空间巨大.

中国丙烷进口量增长迅速

16001000%