新能源专题篇：氢能篇

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一、制氢市场规模

全球氢气制取方式以天然气SMR（蒸汽甲烷重整）为主，而我国以煤气化制氢为主。2020年，全球59%的氢气来源于蒸汽甲烷重整，其次21%的氢气来源于工业副产品，电解水制氢只占0.03%。对于我国来说，煤制氢仍为最主要的制氢方式，占比达到62%，其次是天然气制氢和工业副产氢，占比分别为19%和18%，占比最小的同样为电解水制氢。

全球氢气制取方式以天然气SMR（蒸汽甲烷重整）为主，而我国以煤气化制氢为主。

二、制氢技术路线

1、煤气化制氢

煤气化制氢是工业大规模制氢的首选方式之一，具有工艺成熟、成本低等优点。制造工艺为：煤炭经过高温气化生成合成气（H₂+CO）、CO与水蒸气经变换转变为H₂和CO₂、脱除酸性气体（CO₂+SO₂）、氢气提纯，得到不同纯度的氢气。煤制氢方法的技术设备结构复杂，运转周期相对较短，并且产氢效率偏低、二氧化碳的排放量较大，与可持续、低碳发展的目标相悖。

煤气化技术有十几种，根据气化炉的操作状态和流体力学状态的不同可以分为固定床气化、流化床气化和气流床气化三类。技术的低成本和低碳排放是关键。据华创证券测算，煤炭价格为950元/t时，煤制氢成本为1.11元/Nm³或12.46元/Kg。

2、天然气制氢

天然气制氢产量高，碳排放量低，是国外主要的制氢途径。制造工艺为：天然气预处理后与水蒸气高温重整制成合成气，经废热锅炉产生蒸汽回收热量，中温下合成气中的CO进一步通过水蒸气变换得到H₂和CO₂，变换气经换热冷凝除去水，再经过变压吸附（PSA）分离提纯得到氢气。

我国天然气产量较低，天然气制氢成本高于富产天然气的国家和地区。据华创证券测算，当天然气价格为2.87元/m³，天然气制氢成本为2.19元/m³或24.63元/kg。

3、工业副产氢

我国含氢工业尾气资源十分丰富，有氯碱副产氢、焦炉煤气制氢、炼厂重整制氢、轻烃裂解制氢（丙烷脱氢PDH和乙烷裂解）等多种途径。烧碱尾气通过电解饱和NaCl溶液制取，含氢量约为97%；焦炉煤气经煤炭高温蒸馏后获得，含氢量约为57%；丙烷脱氢副产气通过丙烷催化脱氢制取，含氢量为80-92%；炼厂气以石脑油为原料制取，含氢量为14-90%。

（1）氯碱工业副产氢

氯碱工业副产氢净化回收成本低，环保性较好，提纯后作为燃料电池车用燃料是一条较好的利用途径。制造工艺：以氯碱副产氢为原料时，氢中的主要杂质是氯、氯化氢、氧和氮等，具体制氢流程包括4个工序，即除氯工序、原料气压缩工序、脱氧干燥工序及变压吸附工序。来自电解工序的氢气经过淋洗塔，用硫化钠溶液喷淋洗涤，除去氢气中的氯气。除去氯气的含氢尾气通过旋风分离器除去夹带的水分，借助氢气压缩机加压至0.8MPa，进入汽水分离器除水，再进入脱氧器进行脱氧反应，除去氢气中的氧气。由于脱氧过程中放出大量热量，故从脱氧器出来的气体先通过氢气冷却器冷却，再通过冷却冷凝器用冷冻水进一步冷却。冷却后的气体通过变压吸附除去氮气和少量杂质气，最后输出纯度在99.99%以上的氢气。

（2）焦炉煤气副产氢

焦炉煤气约含55%氢气，主流制氢工艺是焦炉煤气压缩净化后采用变压吸附法直接分离提纯氢气。焦炉煤气是煤炼焦过程的副产品，初步净化后的焦炉煤气富含体积分数55%-60%H₂、23%-27%CH₄、5%-8%CO、1.5%-3%CO₂、3%-5%N₂、0.3%-0.5%O₂、2%-3%CnHm等常量组成，同时还含有大量杂质组份如焦油、苯、萘、氨、氢化氰、有机硫、无机硫等。变压吸附制氢工艺流程主要分为四个工序。第一阶段是压缩，将炼焦厂产生的焦炉煤气压缩，第二阶段是预处理与净化，焦炉煤气经过冷却进入预净化装置，预脱除有机物、H₂S、NH₃等杂质。再通过变温吸附（TSA）工艺进一步脱除易使吸附剂中毒的组分，如焦油、萘、硫化物。第三阶段是变压吸附（PSA），被认为是整个工艺的核心，用于除去氢气以外的绝大部分杂质组分。第四阶段是氢气精制，前一道工序获得的氢气一般含有少量氧气和水分，为了获得纯度达到99.999%的高纯氢还需要严格控制氧气含量。

根据华创证券测算，产氢量10000m³/h的焦炉煤气制氢装置的制氢成本约为1.39元/Nm³或15.57元/Kg。

4、电解水制氢

目前电解水制氢技术主要有三种，其中碱性电解水制氢技术（AKL）最悠久，市场化最成熟，制氢成本最低；质子交换膜（PEM）电解水制氢技术较为成熟，能适应可再生能源波动性，是重要的研究方向；固体氧化物电解水制氢（SOE）技术是能耗最低、能量转换效率最高的电解水制氢技术，尚处于不断改进阶段。技术关键是降低电解时的能量损耗及提高能源转换效率，研究表明最有效的方法是降低电极在反应过程中的过电位，其重点攻关领域主要在电极材料、催化剂及隔膜材料三大领域。

根据华创证券测算，对于额定产氢量为1000Nm³/h的电解水制氢装置，每年运行2000小时下，ALK、PEM电解水制氢单位成本分别为3.29、4.66元/Nm³或36.99、52.31元/Kg。

5、高温分解制氢

甲醇裂解制氢工艺简单，易于操作，是主要的高温分解制氢方法。制造工艺为：将加压汽化后的甲醇气与水蒸气混合后，在铜系催化剂的作用下，于250~300℃甲醇裂解转化生成氢气、二氧化碳及少量一氧化碳和甲烷的混合气体，作为制取氢气的原料气，再经变压吸附法提纯氢气，采取不同的操作方法可得到纯度不同的氢气，纯度最高可达99.9%以上。华创证券测算，对于额定产氢量2000Nm³/h的甲醇裂解制氢装置，制氢单位成本为2.50元/Nm³或28.06元/Kg。甲醇本身由化石能源制取，没必要用甲醇裂解制氢，甲醇裂解制氢的设备投资规模小，适合中小规模制氢。

6、生物质制氢方式

生物质制氢技术可分为热化学转化法和微生物法，前者已大规模应用。以热化学转化法中气化为例，其主要工艺流程为：气化剂(氧气、蒸汽)与生物质原料通过生物质预处理单元处理后送到生物质气化装置中进行生物质气化反应，并生成原料合成气，此时，合成气中仍含有焦油、氨气、苯酚等杂质，利用水蒸气将杂质洗去后送入水煤气变换单元。水煤气变换气通常包含酸性气体以及大量的杂质，需要进一步纯化。经过纯化后的合成气被送入变压吸附装置中进行气体分离。气化法H2产率远高于热解制氢法，总效率高达52%。

据华创证券测算，生物质制氢成本介于电解水和煤气化制氢之间，为2.28元/Nm³或25.59元/Kg。

从成本看，短期内化石燃料（煤气化、天然气）制氢的成本优势仍会在大多数地区继续存在。

三、储氢、运氢、加氢

1、储氢方式

储氢是氢能大规模推广应用的前提，其关键在于提高氢气能量密度的同时保证安全性。

（1）高压气态储氢是目前最成熟、最常用的储氢技术；

（2）低温液态储氢成本较高，主要应用于航空航天方面；

（3）固体储氢是指利用某些固体对于氢气的物理吸附或化学反应，将氢气储存在固体材料中，再根据需要随时将氢气释放出来的储氢技术，镁基储氢材料被认为是极具应用前景的一类固态储氢材料；

（4）有机液体储氢对有机液体氢载体催化加氢来储存氢能，常用材料（如环己烷和甲基环己烷等）在常温常压下即可实现储氢，安全性较高。

2、运氢方式

目前氢气的主要运输手段有三种：高压气氢运输、液氢运输和管道输氢，其中高压气氢运输是当前广泛使用的运输方式。

3、加氢站情况

相较于欧美、日本等发达国家，我国加氢站的建设起步较慢。截至2022年底，日本拥有165座加氢站位居全球第一；韩国排名第二，加氢站数量为149座；中国以138座加氢站拥有量位居全球第三。截至2022年12月底广东省在运加氢站25座，遥遥领先于其他省份，山东以20座排在第二位，其次是上海、江苏、湖北、北京等省份和直辖市，东部省份加氢站的数量远远多于西部省份。