沈 威， 杨炜樱

(深圳市燃气集团股份有限公司，广东深圳518049)

1 概述

氢能作为一种清洁能源，是21世纪最具发展前景的二次能源之一。它既能有效解决可再生能源的消纳问题，又可解决环境污染等问题，将有效应用在交通、建筑和工业等领域。随着石油炼制工业以及以三大合成材料为中心的石油化学工业的飞速发展，氢消耗量迅速增加。很多有机合成工业、冶金工业、电子工业以及快速发展的燃料电池汽车，都迫切需要大量氢[1-2]。制氢也成为用氢企业的主要成本，进而决定了企业的赢利水平。因此，选择合适的制氢工艺，降低生产成本，成为人们普遍关注的课题。

本文在考虑碳排放的情况下，对化石能源制氢工艺、电解水制氢工艺的单位制氢成本进行比较。选取原料价格、设备投资、碳税税率作为敏感因素，对单位制氢成本进行敏感性分析。

2 化石能源制氢工艺

2.1 制氢工艺

① 煤制氢

煤制氢一般包括煤气化、煤气净化、一氧化碳变换以及氢气提纯等主要生产环节，核心技术在于先经过不同的气化技术将煤转变为气态产物，再经过低温甲醇洗等分离过程，进一步转换成高纯度的氢气。与传统的石油化工所采用的烃类蒸气转化制氢相比，国内采用的煤制氢工艺原料成本低，装置规模大，但设备投资大。优势：技术成熟，成本低。劣势：投资高，碳排放量大。制氢规模：适合大规模制氢。

② 天然气制氢

与煤制氢相比，天然气制氢的产量高，成本低，温室气体排放少。天然气制氢的本质是以甲烷中的碳取代水中的氢，碳起到化学试剂作用并为置换反应提供热量，产生的氢大部分来自于水，小部分来自天然气本身。为了防止转化过程发生析碳反应，反应过程中需加入过量的水蒸气。优势：技术成熟，成本低，氢气转化率高。劣势：天然气在作为化工原料方面的应用受到严格限制。制氢规模：适合各种规模制氢。

③ 甲醇制氢

与煤和天然气相比，甲醇原料丰富，更容易储存和运输，因而近年来得到迅速推广。随着甲醇制氢工艺和催化剂的不断改进，甲醇制氢的规模不断扩大，制氢成本也在不断降低，成为中小规模制氢的首选方案。甲醇制氢具有反应温度低、分离简单等优点，单位质量甲醇的理论氢气收率(质量分数)为18.8%。优势：原料丰富，更容易储存和运输；制氢反应温度低，分离简单。劣势：甲醇属于二次能源产品，原料成本较高。制氢规模：适合小规模制氢。

2.2 制氢成本

李庆勋等人[3]在生产规模为9×104m3/h条件下，对煤制氢、天然气制氢工艺的设备投资及制氢成本进行了测算。①设备投资。煤制氢：设备投资约12.4×108元，单位生产规模设备投资约1.38×104元/(m3·h-1)。天然气制氢：设备投资约6×108元，单位生产规模投资约0.67×104元/(m3·h-1)。②制氢成本。煤炭、天然气价格分别按600 元/t、2.5 元/m3测算，氢气密度按89.9 g/m3计算。煤制氢、天然气制氢工艺的制氢成本分别为10.67、13.44 元/kg。

张佩兰等人[4]在生产规模为4 000 m3/h条件下，对甲醇制氢工艺的设备投资及制氢成本进行了测算。设备投资约1 500×104元，单位生产规模设备投资约0.375×104元/(m3·h-1)。煤基甲醇的市场价格取2 500 元/t,生产1 kg氢气按消耗6 kg甲醇考虑，甲醇制氢的制氢成本为19.45 元/kg。

3种制氢工艺制备1 kg氢气产生二氧化碳的质量(以下简称碳排放强度)[5-6]以及单位制氢碳税见表1，碳税税率按照175 元/t计算[7]。在考虑碳税后，煤制氢、天然气制氢、甲醇制氢的制氢成本分别为14.52、14.28、20.89 元/kg。

表1 3种制氢工艺的碳排放强度、单位制氢碳税

在相同生产规模下，煤制氢的单位生产规模设备投资远高于天然气制氢。甲醇制氢的生产规模比较小，但单位生产规模设备投资是3种制氢工艺中最低的。在未考虑碳税前，煤制氢的制氢成本最低，天然气制氢居中，甲醇制氢最高。在考虑碳税后(煤制氢、天然气制氢、甲醇制氢的制氢成本分别为14.52、14.28、20.89 元/kg)，煤制氢的优势将不存在，而甲醇制氢的制氢成本仍最高。

2.3 敏感性分析

在进行制氢成本敏感性分析时，敏感因素选取原料价格、设备投资、碳税税率。3种制氢工艺各敏感因素占制氢成本的比例见表2[3-4]。原材料成本为生产1 kg氢气消耗的煤炭、天然气、甲醇的成本。制氢设备折旧10 a后残值为设备投资的5%。计算贷款利息时，贷款额按设备投资的70%考虑，年利率取5%。年维修保养费按设备投资的3%计算。将设备折旧费、贷款利息、年维护保养费折算成使用寿命(取10 a)内的制氢成本，并将与设备投资相关的费用统称为设备成本。其他成本包括辅助材料成本、燃料及动力成本、人员工资等。对于煤制氢工艺，考虑了副产品收益(煤气化中产生的苯酚、氨氮、焦油等可利用化工产品产生的收益)。

表2 3种制氢工艺各敏感因素占制氢成本的比例

① 煤制氢

煤制氢工艺的制氢成本敏感性分析见图1。由图1可知，对于煤制氢工艺，敏感因素的影响程度依次为煤价、碳税税率、设备投资，煤价和碳税税率对总成本的影响程度基本接近。

图1 煤制氢工艺的制氢成本敏感性分析

② 天然气制氢

天然气制氢工艺的制氢成本敏感性分析见图2。由图2可知，对于天然气制氢工艺，敏感因素的影响程度依次为天然气价、设备投资、碳税税率，天然气价的影响程度远大于其他两个敏感因素。

图2 天然气制氢工艺的制氢成本敏感性分析

③ 甲醇制氢

甲醇制氢的制氢成本敏感性分析见图3。由图3可知，对于甲醇制氢工艺，敏感因素的影响程度依次为甲醇价格、设备投资、碳税税率，甲醇价格的影响程度远大于其他两个敏感因素。

图3 甲醇制氢工艺的制氢成本敏感性分析

3 电解水制氢

① 低谷电

目前，电解水制氢工艺每制取1 m3氢气的耗电量约5.5 kW·h。若采用谷电(火电)，电价约0.3元/(kW·h)，加上电费以外的固定成本(0.3～0.5 元/m3)，综合成本在1.95～2.15 元/m3。氢气密度仍按89.9 g/m3计算，则低谷电电解水制氢成本为21.7～23.9 元/kg。

2018年，我国火电机组(净效率为39.9%)平均供电煤耗为308 g/(kW·h)，二氧化碳排放强度约841 g/(kW·h)。制取1 m3氢气仍按耗电量约5.5 kW·h计算，则采用电解水的碳排放强度为51.5 kg/kg。碳税税率仍按175 元/t计算，低谷电电解水制氢成本取22.9 元/kg，则制氢成本为31.91 元/kg。

② 可再生能源弃电

若利用可再生能源弃电电解水制氢，可再生能源弃电电价按0.1 元/(kW·h)计算，则制氢成本可下降至10.6 元/kg左右。可再生能源弃电电解水制氢需考虑氢气的输送成本，而不存在碳排放。当输送距离按我国已经建成的输氢管道长度130 km计算时(130 km也基本符合光伏电站到市区的平均距离)，输送成本为2.47 元/kg[8]。则可再生能源弃电电解水制氢的制氢成本为13.07 元/kg，比煤制氢、天然气制氢更具竞争力。

4 碳税税率的影响

在其他条件不变的情况下，低谷电电解水制氢工艺的制氢总成本对碳税税率最为敏感，其次为煤制氢、甲醇制氢。碳税税率对天然气制氢工艺的制氢成本的影响非常小。由于可再生能源弃电电解水制氢没有碳排放，碳税税率对其制氢成本没有影响。

5 结论

① 在未考虑碳税前，制氢成本由低到高依次为煤制氢、可再生能源弃电电解水制氢、天然气制氢、甲醇制氢、低谷电电解水制氢。在考虑碳税后，制氢成本由低到高依次为可再生能源弃电电解水制氢、天然气制氢、煤制氢、甲醇制氢、低谷电电解水制氢。

② 对于煤制氢工艺，敏感因素的影响程度依次为煤价、碳税税率、设备投资，煤价和碳税税率对成本的影响程度基本接近。对于天然气制氢工艺，敏感因素的影响程度依次为天然气价格、设备投资、碳税税率，天然气价格的影响远大于其他两个敏感因素。对于甲醇制氢工艺，敏感因素的影响程度依次为甲醇价格、设备投资、碳税税率，甲醇价格的影响远大于其他两个敏感因素。

③ 在其他条件不变的情况下，低谷电电解水制氢工艺的制氢成本对碳税税率最为敏感，其次为煤制氢、甲醇制氢。碳税税率对天然气制氢工艺的制氢成本的影响非常小。由于可再生能源弃电电解水制氢没有碳排放，碳税税率对其制氢成本没有影响。