【干货·史上最强】主流氢气制备成本经济分析
作者：Henry，财务学博士
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。
甲醇裂解制氢成本分析
甲醇裂解制氢适合于中小规模制氢，与大规模天然气制氢相比其投资小，能耗低，工艺流程简单，易于操作。
固定成本
甲醇裂解制氢的前期投资主要包括设备及原材料投资、土建配套设施投资。下面以市场常见的2000Nm3/h规模甲醇制氢报价为例说明甲醇裂解项目的投资成本。其中，甲醇制氢项目的设备及原材料包括非标设备、定型设备、三剂、程控阀、电气、仪器仪表、分析系统及工程施工材料等， 具体如表4所示。
表4 甲醇裂解制氢项目设备及原材料
资料来源：玖牛研究院根据公开资料整理
初始投资费用主要包括硬件成本、工程施工、运输保险、软件费用、现场服务费以及土地及土建费用，实际设备占地面积536平方米,设备布局的容积率设为0.5，则整个项目的规划面积以1200平方米计算，土地及土建费为1800元/平方米，计算得土地及土建费为216万元，具体费用明细见表5。
表5 甲醇裂解制氢项目初始投资费用
资料来源：玖牛研究院根据公开资料整理
综上所述，甲醇制氢项目的投资额是947.36万元，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47.37万元，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1.42万元，该项目每年运营及管理人员的薪资支出为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
=47.37×104+1.42×104+80×104=128.8万元。
变动成本
甲醇裂解制氢的过程中会消耗原材料甲醇、脱盐水、动力煤及电能等。这些资源的费用即构成了甲醇裂解制氢的变动成本，下表6列示了市场常见的2000 Nm3/h规模甲醇制氢项目的标准工况下每制备1立方米氢气时各类资源的消耗量。
表6 制备1m3氢气时各类资源的消耗量及价格表
资料来源：玖牛研究院根据公开资料整理
故每制备1立方米氢气的变动成本=甲醇费用+脱盐水费用+动力煤费用+电费
=0.54P1+0.022+0.14P2+0.094P3。
总成本
总体看,每年的制氢成本TC=固定成本+变动成本 =1288000+（0.54P1+0.022+0.14P2+0.094P3）×Q，其中P1为甲醇的价格，单位是元/kg，P2为煤炭价格，单位元/kg, P3为电力价格单位为元/kwh，Q为每年的氢气产量，单位是立方米。单位制氢成本（每制备1立方米氢气的成本）
C=1288000/Q+0.54P1+0.022+0.14P2+0.094P3
按照年设计产量及甲醇、煤炭与电力的当前价格，计算可得甲醇制氢的单位成本为1.92元/立方。
图8 甲醇制氢成本结构图
图片来源：玖牛研究院根据公开资料整理
如图8所示，甲醇制氢的成本中同样变动成本为主，占比95.8%。而在变动成本中以甲醇消耗成本为主，占比90.84%。因此，甲醇制氢的成本敏感因素为原料甲醇价格。
电解水制氢成本分析
电解水制氢制备工艺简单，氢气纯度高，规模经济效应较弱。一般适合于中小规模制氢，但是由于电耗较高，其制氢成本较高。
固定成本
电解水制氢的前期投资主要包括工艺设备投资、土建配套设施投资。下面以市场常见2000Nm3/h规模电解水制氢项目报价书为例，说明电解水制氢项目的前期投资。项目的设备投资主要包括工艺设备、电气设备、控制仪表、分析仪表和设备之间的安装材料等，具体见表7所示。
表7 一套电解水制氢项目设备及原材料
资料来源：玖牛研究院根据公开资料整理
项目投资费用包括制氢系统设备费用、氢气纯化设备费用、安装材料费用、服务费（包括安装费、运输费及售后服务费等）、土地及土建费，整个项目的规划面积以786平方米计算（两套制氢设备所占车间面积），土地及土建费为1800元/平方米，计算得土地及土建费为141.48万元，具体明细见表5。
表8 电解水制氢项目初始投资费用
资料来源：玖牛研究院根据公开资料整理
由上可知，电解水制氢项目的投资额是1821.48万元。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91.07万元，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2.73万元，该项目技术及管理人员每年薪资支出为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
=91.07×104+2.73×104+80×104=173.8万元。
变动成本
电解水制氢的消耗主要为电力，根据当前项目的技术设计，每立方氢气的电力消耗为4.4KWh,水消耗0.81kg。工业用水价格较为平稳一般为4.1元/吨，则电解水制氢的单位成本为：C=0.0033+4.4*P，其中P为电力价格元/KWh。
总成本
按设计产量2000标准立方米计算，年运行8000小时，则单位氢气的固定成本为0.82元/m3，电力价格按照0.725元/KWh，则变动成本为3.193元/m3，单位总成本3.3元/m3。
图9 电解水制氢成本结构图
图片来源：玖牛研究院根据公开资料整理
如图9所示，电解水制氢的成本以变动成本为主，占比96.71%。变动成本基本由电力消耗构成，因此电解水制氢的成本敏感因素为电力价格。
煤气化制氢成本分析
相比其他制氢工艺，煤气化制氢的规模效应更显著，因而煤气化制氢项目的设计产量及投资额往往更大，目前煤气化制氢项目多采用煤气化半氧化（POX）工艺。
固定成本
以90000立方米/h产能的煤制氢项目为例，其初始投资约为12.4亿元。假设该项目运行期为10年，残值率为0，按照直线法计提折旧，则每年折旧额为1.24亿元，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0.372亿元，项目管理费支出约为0.2464亿元。所以，每年的固定成本支出=设备折旧+维修保养费+管理费支出1.87亿元。
变动成本
煤气化POX制氢，每一立方的资源耗费如表1所示。
表9 煤气化制氢单位氢气资源消耗
数据来源：《石油炼制与化工》
由此,制氢单位变动成本：
T=0.755P1+0.088+0.42P2+0.048P3，其中P1为煤炭的价格，单位是元/kg，P2为氧气价格，单位元/m3, P3为电力价格单位为元/kwh。
总成本
总体看,每年的制氢成本TC=固定成本+变动成本=187000000+（0.755P1+0.088+0.42P2+0.048P3）×Q，按照年设计产量及煤炭、氧气与电力的当前价格，计算可得煤气化制氢的单位成本为0.9元/立方。
图10 煤气化制氢成本结构图
图片来源：玖牛研究院根据公开资料整理
如图10所示，与其它工艺相比，煤气化制氢的变动成本占比较低，约为74.01%，而变动成本中主要为煤炭成本47.98%及氧气成本32.78%。因此氧气及煤炭价格是煤气化制氢的成本敏感因素。
四、制氢工艺选择建议
各工艺成本敏感性分析
（1）产能利用率对成本的影响
图11 各工艺单位成本随产能利用率变化曲线
图片来源：玖牛研究院根据公开资料整理
前述成本测算均以各项目满负荷运营为前提，但现实中项目的生产量往往达不到满负荷运营，如市场需求不足、外部因素或管理因素导致项目生产中断等。在非满负荷运营情况下，固定成本的分摊将导致单位成本的提升，投资企业面临产品市场风险。如图11所示，各工艺的单位成本随产能利用率的下降不断上升，而在产能利用率下降到40%(即年运行3200小时)之后，单位成本会出现快速上升。各工艺成本对于产能利用率的敏感性有明显差异，敏感程度最高的是煤气化制氢工艺，其次是天然气重整工艺，然后是电解水工艺，而甲醇裂解工艺成本受产能影响最小。
（2）主要原材料价格对成本的影响
图12 各工艺单位成本随原料价格增长率变化曲线
图片来源：玖牛研究院根据公开资料整理
注：电解水制氢的成本决定因素
为电力，此处的原材料指电能。
在上述各工艺中，原材料成本占总成本的比重均较高，因此原材料价格变化对成本具有显著影响。如图12所示，随着原材料价格上涨，成本上升最为快速的是电解水制氢，其次是甲醇裂解，然后是天然气重整，煤气化单位成本对原材料煤价格的敏感性最为平缓。
成本敏感性因素的分布特征
图13 2018年全国各地区天然气、煤炭、电力、甲醇价格
图片来源：玖牛研究院根据公开资料整理
（1）天然气
近年我国天然气产量增长速度滞后于需求增长，进口天然气大幅增加， 天然气的对外依存度不断上升。工业用天然气价格有震荡上升趋势，尤其在冬季时天然气供应紧张。另一方面由于较高的运输成本，工业天然气在全国各地区的价格很不均衡。如图13所示，在珠三角、长三角及东北地区价格较高，而在西部、西北地区价格较低。地区之间的价格差异达到50%~185%。
（2）煤炭
我国煤炭资源储量丰富，煤炭价格往往受经济周期影响，在近年保持平稳态势。同样，煤炭运输成本的存在导致其价格在地区之间分布不均衡。如图4示，在华南江浙等地区由于工业发达对煤炭需求旺盛而本地区并不产煤，煤炭价格较高。而在山西、陕西、安徽及山东等地区煤炭价格相对较低。各地区之间价格差异最高达到140%。
（3）电力
工业用电价格在近年保持较为平稳状态，同时如图4所示电力价格在经济发达地区价格较高，而在西部、西北地区价格较低，但各地区之间的价格差异相对不大。
（4）甲醇
目前国内甲醇需求以甲醇制烯烃（MTO）以及燃料用途为主，需求量近年来一直保持温和增长态势，总量在2017年达到8000万吨左右。如图4，甲醇价格在各地区之间差异相对不大。
制氢投资工艺选择建议
从前文分析可知，在目前技术经济环境下，几种主流的制氢工艺各具特点，可以从以下几个维度进行评价：
（1）规模经济，规模经济效应越大的工艺在大规模投资项目中成本优势明显，而小规模投资适于规模经济小的工艺；
（2）技术能力要求，由于煤气、天然气成分复杂，对于氢气的提纯及尾气处理均有较高的技术要求，而电解水及甲醇制氢的工艺较为简单。
（3）单位成本;
（4）需求风险抵御能力，即随着产销量下降工艺的单位成本稳定性；
（5）原材料市场风险抵御力，即随着原材料价格增长单位成本的稳定性；
（6）原材料供应约束程度，即随着产业规模的扩大，原材料市场供应能力的保障程度。
各制氢工艺在六个维度的特点如表10所示。
表10 各制氢工艺特点
资料来源：玖牛研究院根据公开资料整理
在未来随着氢燃料电池技术的广泛应用，氢能产业必将快速发展，整个社会对氢气的需求量大幅增长。由于氢气本身储运成本高昂，未来氢气制备产业的布局将会出现大规模集中生产与小规模分布式生产并存的局面。在东南沿海经济发达地区，以大规模集中生产为主，而在中西部地区将以大规模生产与中小规模分布式生产互相补充。
在大规模集中生产中，工艺的选择必须综合考虑生产成本及原材料供应等因素。由于天然气及甲醇的供应约束程度较高，成本将随原材料价格增长不断升高，因而煤气化制氢工艺具有明显优势，而且随着超临界水煤制氢技术的发展，制氢成本在未来将有进一步下降空间。同时，尾气集中回收技术的发展，也使得煤气化制氢能够满足日益提升的环保要求。
中小规模制氢投资的工艺选择需要考虑工艺技术复杂性、自身技术能力及区域要素价格等因素。随着分布式能源的发展，在未来太阳能、风能及小水电得到广泛采用的情况下，小规模制氢企业可以充分采用技术简单投资小的电解水制氢工艺。在中西部地区由于天然气及甲醇价格较低，天然气制氢及甲醇制氢是合适的选择。而分布全国各地的炼厂焦炉气制氢，也是中小规模制氢企业的有效补充。
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