本文討論主要制氫技術（天然氣蒸汽重整制氫、甲醇裂解制氫、電解水制氫、煤氣化制氫）的成本特徵和制氫工藝的選擇，為制氫企業和產業資本提供決策依據。
一、什麼是制氫技術
氫氣的化學式是H2，由2個氫原子通過共價鍵結合而成，是世界上密度最小的氣體。地球上氫元素的儲量排第三，並且主要以水的形式存在，氫氣的原料來源非常豐富；氫氣可以通過水製備，且燃燒後僅生成水，零汙染，且實現了產業鏈的閉環，是一種可持續的燃料；氫氣是常見燃料中熱值最高的（142KJ/kg），約是石油的3倍、煤炭的4.5倍，正是這一系列優點，氫氣被認為是能源的終極解決方案。因此，近年來在環保及可持續發展理念驅動下氫燃料電池等氫能產業快速興起，社會對氫氣的需求不斷上升。在可以預見的將來，氫氣必將成為人類社會最重要的能源之一，而探索低成本、高效率、高純度的大規模工業化制氫技術成為構建“氫社會”的基礎。
圖1 制氫工藝分類圖
目前已知的制氫技術及工藝十分繁多，如上圖所示，按照所用原料的不同可以分為七大類：
（1）光解水制氫；
（2）天然氣或生物氣制氫；
（3）油類加工制氫；
（4）煤氣化制氫；
（5）乙醇或甲醇裂解制氫；
（6）電解水制氫；
（7）生物體熱解制氫。
二、主流制氫工藝介紹
這些制氫工藝在環保、氫氣純度、能量轉化效率、成本等方面各擅勝場，但在當前技術經濟環境下得到大規模工業化應用的主要有天然氣制氫、煤制氫、重油加工制氫、甲醇裂解制氫以及電解水制氫等五種。但近年來隨著石油價格不斷上漲，原有重油制氫裝置因原料利用率低，在成本效益上越來越難以體現經濟性，眾多企業紛紛停止使用。
圖2 商業化制氫產業中的工藝選擇
數據來源：Pacific Northwest National Laboratory
世界各國由於在資源分佈、技術基礎、環保要求等方面的差異，其制氫工業所選擇的工藝各有側重。在全球範圍內，天然氣制氫佔比最高，達到 48%；其次是醇類裂解制氫，佔比30%；焦爐煤氣第三，佔比 8%。日本由於化石燃料資源匱乏、環保要求高等原因，其制氫工業多數採用電解水。而中國煤資源豐富，煤炭開採及加工工業發達，因此煤氣化制氫及焦爐氣制氫工藝採用較多。
天然氣蒸汽重整制氫
天然氣通常是指儲存在地層較深部的一種富含碳氫化合物的可燃氣體，主要成分是甲烷（含量大於 85%）、乙烷、丙烷、硫化物、二氧化碳、氮氣和水汽等。天然氣制氫主要分為天然氣蒸氣重整法（SMR）制氫、天然氣部分氧化（POX）制氫及天然自熱重整（ATR）制氫。
圖3 天然氣SMR工藝流程
資料來源：玖牛研究院根據公開資料整理
目前多數天然氣制氫是通過蒸汽重整法（SMR）製備的。SMR 法是在一定的壓力、高溫及催化劑作用下，天然氣中烷烴和水蒸汽發生化學反應生成轉化氣，經過沸鍋換熱、進人變換爐使 C0 變換成 H2 和 CO2，然後進行 H2 提純。
甲醇裂解制氫
甲醇裂解制氫的工藝過程是甲醇和去離子水按一定的配比混合,加熱至 270℃左右的混合物蒸汽，在催化劑(Cu-Zn-Al)或者(Cu-Zn-Cr)的作用下,發生催化裂解和轉化反應，產生氫氣和二氧化碳，然後進入水洗吸收塔進行提純，即製備出產品氫氣。
圖4 甲醇裂解制氫工藝流程
資料來源：玖牛研究院根據公開資料整理
煤氣化制氫
以煤為原材料的制氫工藝包括煤焦爐氣制氫與煤氣化制氫。其中焦爐氣制氫是煤炭煉焦的副產品回收，其供應受制於煉焦廠產能。自 2016 年以來由於環保限產，全國煉焦廠產量下滑，焦爐氣制氫發展停滯。煤氣化制氫是煤粉、煤漿或煤焦與氣化劑（空氣、氧氣及水蒸氣等）在高溫下進行部分氧化（POX）反應，在高溫氣化爐中生成以ＣＯ、Ｈ２ 為主的合成氣，再經過變換、低溫甲醇洗工藝、氫氣提純等工序，得到高純度的產品氫氣的工藝過程。近年也有采用超臨界水進行煤氣化生產氫氣。
煤氣化制氫工藝主要包括氣化反應、水煤氣淨化、變換反應、變壓吸附制氫，其流程如圖5所示。
圖5 煤氣化制氫工藝流程
資料來源：玖牛研究院根據公開資料整理
電解水制氫
電解水制氫是一種較為方便的製取氫氣的方法。在充滿電解液的電解槽中通入直流電，水分子在電極上發生電化學反應，分解成氫氣和氧氣。電解水制氫技術成熟，汙染低，且原材料水來源廣泛，但是其應用較少，關鍵原因在於制氫成本高。
圖6 電解水制氫
三、不同工藝的制氫成本剖析
制氫的成本可以分為初始投資的固定成本及後續變動成本，其中固定成本主要是制氫裝置的投資成本及管理費用，後續變動成本包括製備氫氣過程中消耗的原材料費用、電能及動力煤費用、設備維修及保養費用等。制氫工藝是氫氣製備企業生產成本的戰略性決定因素，目前主流的制氫工藝在成本上表現到底如何？
天然氣蒸汽重整制氫成本分析
天然氣蒸汽重整制氫投資額較高，適合於中等以上規模工業化生產，以比較常見的中等規模，生產能力 2000立方/小時 的制氫廠為例，分析天然氣蒸汽重整制氫工藝成本。
固定成本
天然氣制氫的初始投資包括工藝設備、土建及配套設施費用等兩方面的投資。其中天然氣制氫工藝設備主要包括氫氣壓縮機、轉化爐、天然氣壓縮爐、變換爐、變壓吸附系統、脫硫槽、儀表、氫氣儲罐、電氣閥門及其他設備，固定設備投資分為設備採購費、運輸及安裝費，共 2300萬元。土建及配套設施投資土地及土建費、設計勘察費、前期工作費及其他費用。其中天然氣制氫工廠規劃面積 8000平方,土地及土建費按照 1800 元/平方計算，則可以計算得土地及土建費用為 1440萬元。計算工程一類費用（包括工藝設備費用、土地及土建費）為 3740萬元，設計勘察費按照工程一類費用的 4%計算，前期工作費用和其他費用均按照工程一類費用的 2%計算，具體計算結果如表 1 所示。
表1 天然氣制氫工藝設備投資額
數據來源：《煤氣與熱力》、玖牛研究院
表2 土建及配套設施費用
數據來源：《煤氣與熱力》、玖牛研究院
由上可知，一個2000立方/h產能的天然氣制氫項目的投資額是4040萬元。假設該項目運行期為20年，殘值率為0，按照直線法計提折舊，則每年折舊額為202萬元，此外設備維修保養費用按照工藝設備價值的3%計提，則每年設備維修保養費用為6.06萬元，該項目配備工人10名，技術人員1名，管理人員1名，每年員工的薪資支出為80萬元。所以，每年的固定成本支出=設備折舊+維修保養費+員工薪資支出 =288萬元。
變動成本分析
天然氣蒸汽重整制氫工藝需要使用原料天然氣（也作為燃料），同時在制氫過程中會消耗去離子水、冷卻水、電能等，這些資源費用即構成了天然氣制氫的變動成本。根據天然氣制氫工廠的實際運行情況，表3列出了天然氣制氫過程中，標準工況下每製備1立方氫氣時各類資源的消耗量及價格。
表3 製備1m3氫氣時各類資源的消耗量及價格表
數據來源：《煤氣與熱力》、玖牛研究院
因此，每製備1立方氫氣的變動成本=天然氣費用+去離子水費用+冷卻水費用+電費=0.07+0.48P1+0.35P2元。 其中P1、P2分別為天然氣與電力的價格。
總成本分析
綜上所述，每年製備氫氣的成本T1=3080000+（0.07+0.48P1+0.35P2）×Q1，其中P1為天然氣的價格，單位是元/立方，Q1為每年的氫氣產量，單位是立方。單位制氫成本（每立方）：
C1=3080000/Q1+0.07+0.48P1+0.35P2。
按照設計產能每年運營8000小時，則年產氫4.22000000立方，電價按照當前的工業用電0.725元/kwh，天然氣按照當前3.165元/立方，則天然氣制氫的單位成本為2.04元。
圖7 天然氣制氫成本結構圖
圖片來源：玖牛研究院根據公開資料整理
如上圖所示，天然氣制氫中主要成本為變動成本佔90.5%，而在變動成本中，佔比最高的是天然氣消耗成本佔82.43%，其次為電力成本13.77%。由此可知，天然氣制氫的成本敏感因素為天然氣及電力價格。
甲醇裂解制氫成本分析
甲醇裂解制氫適合於中小規模製氫，與大規模天然氣制氫相比其投資小，能耗低，工藝流程簡單，易於操作。
固定成本
甲醇裂解制氫的前期投資主要包括設備及原材料投資、土建配套設施投資。下面以市場常見的2000Nm3/h規模甲醇制氫報價為例說明甲醇裂解項目的投資成本。其中，甲醇制氫項目的設備及原材料包括非標設備、定型設備、三劑、程控閥、電氣、儀器儀表、分析系統及工程施工材料等， 具體如表4所示。
表4 甲醇裂解制氫項目設備及原材料
資料來源：玖牛研究院根據公開資料整理
初始投資費用主要包括硬件成本、工程施工、運輸保險、軟件費用、現場服務費以及土地及土建費用，實際設備佔地面積536平方米,設備佈局的容積率設為0.5，則整個項目的規劃面積以1200平方米計算，土地及土建費為1800元/平方米，計算得土地及土建費為216萬元，具體費用明細見表5。
表5 甲醇裂解制氫項目初始投資費用
資料來源：玖牛研究院根據公開資料整理
綜上所述，甲醇制氫項目的投資額是947.36萬元，假設該項目運行期為20年，殘值率為0，按照直線法計提折舊，則每年折舊額為47.37萬元，此外設備維修保養費用按照工藝設備價值的3%計提，則每年設備維修保養費用為1.42萬元，該項目每年運營及管理人員的薪資支出為80萬元。所以，每年的固定成本支出=設備折舊+維修保養費+員工薪資支出
=47.37×104+1.42×104+80×104=128.8萬元。
變動成本
甲醇裂解制氫的過程中會消耗原材料甲醇、脫鹽水、動力煤及電能等。這些資源的費用即構成了甲醇裂解制氫的變動成本，下表6列示了市場常見的2000 Nm3/h規模甲醇制氫項目的標準工況下每製備1立方米氫氣時各類資源的消耗量。
表6 製備1m3氫氣時各類資源的消耗量及價格表
資料來源：玖牛研究院根據公開資料整理
故每製備1立方米氫氣的變動成本=甲醇費用+脫鹽水費用+動力煤費用+電費
=0.54P1+0.022+0.14P2+0.094P3。
總成本
總體看,每年的制氫成本TC=固定成本+變動成本 =1288000+（0.54P1+0.022+0.14P2+0.094P3）×Q，其中P1為甲醇的價格，單位是元/kg，P2為煤炭價格，單位元/kg, P3為電力價格單位為元/kwh，Q為每年的氫氣產量，單位是立方米。單位制氫成本（每製備1立方米氫氣的成本）
C=1288000/Q+0.54P1+0.022+0.14P2+0.094P3
按照年設計產量及甲醇、煤炭與電力的當前價格，計算可得甲醇制氫的單位成本為1.92元/立方。
圖8 甲醇制氫成本結構圖
圖片來源：玖牛研究院根據公開資料整理
如圖8所示，甲醇制氫的成本中同樣變動成本為主，佔比95.8%。而在變動成本中以甲醇消耗成本為主，佔比90.84%。因此，甲醇制氫的成本敏感因素為原料甲醇價格。
電解水制氫成本分析
電解水制氫製備工藝簡單，氫氣純度高，規模經濟效應較弱。一般適合於中小規模製氫，但是由於電耗較高，其制氫成本較高。
固定成本
電解水制氫的前期投資主要包括工藝設備投資、土建配套設施投資。下面以市場常見2000Nm3/h規模電解水制氫項目報價書為例，說明電解水制氫項目的前期投資。項目的設備投資主要包括工藝設備、電氣設備、控制儀表、分析儀表和設備之間的安裝材料等，具體見表7所示。
表7 一套電解水制氫項目設備及原材料
資料來源：玖牛研究院根據公開資料整理
項目投資費用包括制氫系統設備費用、氫氣純化設備費用、安裝材料費用、服務費（包括安裝費、運輸費及售後服務費等）、土地及土建費，整個項目的規劃面積以786平方米計算（兩套制氫設備所佔車間面積），土地及土建費為1800元/平方米，計算得土地及土建費為141.48萬元，具體明細見表5。
表8 電解水制氫項目初始投資費用
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由上可知，電解水制氫項目的投資額是1821.48萬元。假設該項目運行期為20年，殘值率為0，按照直線法計提折舊，則每年折舊額為91.07萬元，此外設備維修保養費用按照工藝設備價值的3%計提，則每年設備維修保養費用為2.73萬元，該項目技術及管理人員每年薪資支出為80萬元。所以，每年的固定成本支出=設備折舊+維修保養費+員工薪資支出
=91.07×104+2.73×104+80×104=173.8萬元。
變動成本
電解水制氫的消耗主要為電力，根據當前項目的技術設計，每立方氫氣的電力消耗為4.4KWh,水消耗0.81kg。工業用水價格較為平穩一般為4.1元/噸，則電解水制氫的單位成本為：C=0.0033+4.4*P，其中P為電力價格元/KWh。
總成本
按設計產量2000標準立方米計算，年運行8000小時，則單位氫氣的固定成本為0.82元/m3，電力價格按照0.725元/KWh，則變動成本為3.193元/m3，單位總成本3.3元/m3。
圖9 電解水制氫成本結構圖
圖片來源：玖牛研究院根據公開資料整理
如圖9所示，電解水制氫的成本以變動成本為主，佔比96.71%。變動成本基本由電力消耗構成，因此電解水制氫的成本敏感因素為電力價格。
煤氣化制氫成本分析
相比其他制氫工藝，煤氣化制氫的規模效應更顯著，因而煤氣化制氫項目的設計產量及投資額往往更大，目前煤氣化制氫項目多采用煤氣化半氧化（POX）工藝。
固定成本
以90000立方米/h產能的煤制氫項目為例，其初始投資約為12.4億元。假設該項目運行期為10年，殘值率為0，按照直線法計提折舊，則每年折舊額為1.24億元，此外設備維修保養費用按照工藝設備價值的3%計提，則每年設備維修保養費用為0.372億元，項目管理費支出約為0.2464億元。所以，每年的固定成本支出=設備折舊+維修保養費+管理費支出1.87億元。
變動成本
煤氣化POX制氫，每一立方的資源耗費如表1所示。
表9 煤氣化制氫單位氫氣資源消耗
由此,制氫單位變動成本：
T=0.755P1+0.088+0.42P2+0.048P3，其中P1為煤炭的價格，單位是元/kg，P2為氧氣價格，單位元/m3, P3為電力價格單位為元/kwh。
總成本
總體看,每年的制氫成本TC=固定成本+變動成本=187000000+（0.755P1+0.088+0.42P2+0.048P3）×Q，按照年設計產量及煤炭、氧氣與電力的當前價格，計算可得煤氣化制氫的單位成本為0.9元/立方。
圖10 煤氣化制氫成本結構圖
圖片來源：玖牛研究院根據公開資料整理
如圖10所示，與其它工藝相比，煤氣化制氫的變動成本佔比較低，約為74.01%，而變動成本中主要為煤炭成本47.98%及氧氣成本32.78%。因此氧氣及煤炭價格是煤氣化制氫的成本敏感因素。
四、制氫工藝選擇建議
各工藝成本敏感性分析
（1）產能利用率對成本的影響
圖11 各工藝單位成本隨產能利用率變化曲線
圖片來源：玖牛研究院根據公開資料整理
前述成本測算均以各項目滿負荷運營為前提，但現實中項目的生產量往往達不到滿負荷運營，如市場需求不足、外部因素或管理因素導致項目生產中斷等。在非滿負荷運營情況下，固定成本的分攤將導致單位成本的提升，投資企業面臨產品市場風險。如圖11所示，各工藝的單位成本隨產能利用率的下降不斷上升，而在產能利用率下降到40%(即年運行3200小時)之後，單位成本會出現快速上升。各工藝成本對於產能利用率的敏感性有明顯差異，敏感程度最高的是煤氣化制氫工藝，其次是天然氣重整工藝，然後是電解水工藝，而甲醇裂解工藝成本受產能影響最小。
（2）主要原材料價格對成本的影響
圖12 各工藝單位成本隨原料價格增長率變化曲線
圖片來源：玖牛研究院根據公開資料整理
注：電解水制氫的成本決定因素
為電力，此處的原材料指電能。
在上述各工藝中，原材料成本佔總成本的比重均較高，因此原材料價格變化對成本具有顯著影響。如圖12所示，隨著原材料價格上漲，成本上升最為快速的是電解水制氫，其次是甲醇裂解，然後是天然氣重整，煤氣化單位成本對原材料煤價格的敏感性最為平緩。
成本敏感性因素的分佈特徵
圖13 2018年全國各地區天然氣、煤炭、電力、甲醇價格
圖片來源：玖牛研究院根據公開資料整理
（1）天然氣
近年我國天然氣產量增長速度滯後於需求增長，進口天然氣大幅增加， 天然氣的對外依存度不斷上升。工業用天然氣價格有震盪上升趨勢，尤其在冬季時天然氣供應緊張。另一方面由於較高的運輸成本，工業天然氣在全國各地區的價格很不均衡。如圖13所示，在珠三角、長三角及東北地區價格較高，而在西部、西北地區價格較低。地區之間的價格差異達到50%~185%。
（2）煤炭
我國煤炭資源儲量豐富，煤炭價格往往受經濟週期影響，在近年保持平穩態勢。同樣，煤炭運輸成本的存在導致其價格在地區之間分佈不均衡。如圖4示，在華南江浙等地區由於工業發達對煤炭需求旺盛而本地區並不產煤，煤炭價格較高。而在山西、陝西、安徽及山東等地區煤炭價格相對較低。各地區之間價格差異最高達到140%。
（3）電力
工業用電價格在近年保持較為平穩狀態，同時如圖4所示電力價格在經濟發達地區價格較高，而在西部、西北地區價格較低，但各地區之間的價格差異相對不大。
（4）甲醇
目前國內甲醇需求以甲醇制烯烴（MTO）以及燃料用途為主，需求量近年來一直保持溫和增長態勢，總量在2017年達到8000萬噸左右。如圖4，甲醇價格在各地區之間差異相對不大。
制氫投資工藝選擇建議
從前文分析可知，在目前技術經濟環境下，幾種主流的制氫工藝各具特點，可以從以下幾個維度進行評價：
（1）規模經濟，規模經濟效應越大的工藝在大規模投資項目中成本優勢明顯，而小規模投資適於規模經濟小的工藝；
（2）技術能力要求，由於煤氣、天然氣成分複雜，對於氫氣的提純及尾氣處理均有較高的技術要求，而電解水及甲醇制氫的工藝較為簡單。
（3）單位成本;
（4）需求風險抵禦能力，即隨著產銷量下降工藝的單位成本穩定性；
（5）原材料市場風險抵禦力，即隨著原材料價格增長單位成本的穩定性；
（6）原材料供應約束程度，即隨著產業規模的擴大，原材料市場供應能力的保障程度。
各制氫工藝在六個維度的特點如表10所示。
表10 各制氫工藝特點
資料來源：玖牛研究院根據公開資料整理
在未來隨著氫燃料電池技術的廣泛應用，氫能產業必將快速發展，整個社會對氫氣的需求量大幅增長。由於氫氣本身儲運成本高昂，未來氫氣製備產業的佈局將會出現大規模集中生產與小規模分佈式生產並存的局面。在東南沿海經濟發達地區，以大規模集中生產為主，而在中西部地區將以大規模生產與中小規模分佈式生產互相補充。
在大規模集中生產中，工藝的選擇必須綜合考慮生產成本及原材料供應等因素。由於天然氣及甲醇的供應約束程度較高，成本將隨原材料價格增長不斷升高，因而煤氣化制氫工藝具有明顯優勢，而且隨著超臨界水煤制氫技術的發展，制氫成本在未來將有進一步下降空間。同時，尾氣集中回收技術的發展，也使得煤氣化制氫能夠滿足日益提升的環保要求。
中小規模製氫投資的工藝選擇需要考慮工藝技術複雜性、自身技術能力及區域要素價格等因素。隨著分佈式能源的發展，在未來太陽能、風能及小水電得到廣泛採用的情況下，小規模製氫企業可以充分採用技術簡單投資小的電解水制氫工藝。在中西部地區由於天然氣及甲醇價格較低，天然氣制氫及甲醇制氫是合適的選擇。而分佈全國各地的煉廠焦爐氣制氫，也是中小規模製氫企業的有效補充。
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