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不同制氫路徑的成本比較

核心提示:1. 煤/天然氣制氫成本較低,采取 CCUS 技術(shù)有望成為長期制氫路徑煤制氫和天然氣制氫屬于化石能源制氫,是現(xiàn)階段發(fā)展較為成熟、應(yīng)

1. 煤/天然氣制氫成本較低,采取 CCUS 技術(shù)有望成為長期制氫路徑

煤制氫和天然氣制氫屬于化石能源制氫,是現(xiàn)階段發(fā)展較為成熟、應(yīng)用較為廣泛的制氫方式。煤制氫以煤氣化制氫為主,煤氣化以煤或煤焦為原料,以氧氣(空氣、富氧或工業(yè)純氧)、水蒸氣為氣化劑,在高溫高壓下通過化學(xué)反應(yīng)將煤或煤焦中的可燃部分轉(zhuǎn)化為可燃性氣體的工藝過程。一臺投入2000噸/天的煤氣化爐,可提供1560-2340kg/天氫氣。天然氣制氫的方式較多,包括天然氣水蒸氣重整制氫、絕熱轉(zhuǎn)化制氫、部分氧化制氫、高溫裂解制氫、自熱重整制氫以及脫硫制氫等技術(shù)路線,其中SMR工藝發(fā)展較為成熟。

SMR的工作原理是將脫硫后的天然氣和蒸汽引入反應(yīng)器,加熱燃燒天然氣和多余的空氣,天然氣被轉(zhuǎn)化為氫和一氧化碳,然后通過水煤氣變換反應(yīng)器和變壓吸附器將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳,隨后將氫氣從合成氣中分離出來。煤制氫和天然氣制氫成本構(gòu)成比例差異較大。天然氣制氫的成本主要是天然氣,占比超過70%,燃料氣、制造費用等其他成本占比相對較低。煤氣化制氫的成本中占比最大的是煤炭,占比為36.9%;由于需要采取部分氧化工藝,氧氣為占比第二高的成本,占比達到25.9%;煤制氫需要大型氣化設(shè)備,一次性投入較高,較為依賴規(guī)模化攤低固定成本。

經(jīng)過測算,煤炭價格在450-950元/噸時,煤制氫價格介于9.73-13.70元/kg;天然氣價格在1.67-2.74元/m3時,天然氣制氫價格介于9.81-13.65元/kg。煤制氫和天然氣制氫均易受到主要原材料價格波動的影響,考慮到我國煤炭產(chǎn)量較為充足,天然氣對外依存度較高,在我國大部分地區(qū)煤制氫更易于具備規(guī)模經(jīng)濟性。

CCUS技術(shù)長期降本空間足,煤制氫/天然氣制氫配套CCUS有望成為長期制氫的路線。煤制氫和天然氣制氫的碳排放均較大,利用二氧化碳捕集、封存和利用(CCUS)技術(shù)可以有效降低生產(chǎn)過程的碳排放水平,減排比例可達到90%以上。采用CCS和CCU技術(shù)后,煤制氫的成本分別增加10%和38%,即煤炭價格為450元/噸時,氫氣成本約上升至約14.4元/kg,若考慮到碳稅,采用CCS和CCU技術(shù)的煤制氫的生產(chǎn)成本可能會具有優(yōu)勢。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟的數(shù)據(jù),未來隨著規(guī)模的不斷提高和技術(shù)的迭代升級,CCUS各環(huán)節(jié)的成本有望相應(yīng)降低,預(yù)計到2025年和2035年結(jié)合CCUS技術(shù)的成本將分別降至2.85-7.6元/kg和2.28-5.32元/kg,經(jīng)濟性有望逐步顯現(xiàn)。

2. 工業(yè)副產(chǎn)制氫具有規(guī)模成本優(yōu)勢,有望成為氫能綠色化的過渡方案

工業(yè)復(fù)產(chǎn)制氫指的是將富含氫氣的工業(yè)尾氣通過變壓吸附等技術(shù)將其中的氫氣分離提純的制氫方式,主要包括了焦爐煤氣、氯堿化工、輕烴利用(丙烷脫氫、乙烷裂解)、合成氨/甲醇等工藝的副產(chǎn)氫。工業(yè)副產(chǎn)制氫的流程并不復(fù)雜,以焦爐煤氣為例,對焦爐煤氣進行提純處理后進入變壓吸附(PSA)進行提純,可獲得99.9%-99.999%純度的氫氣。

焦爐煤氣提純制氫相比于焦爐煤氣轉(zhuǎn)化制氫,初始投資成本較低,但產(chǎn)氫規(guī)模較少,綜合比較具有一定的成本優(yōu)勢。工業(yè)副產(chǎn)氫的成本約為9.29-22.40元/kg。工業(yè)副產(chǎn)氣體中除了氫氣外含有較多的雜質(zhì),除去雜質(zhì)提純得到氫氣是關(guān)鍵的工藝流程,因此提純成本是除生產(chǎn)成本外較為重要的一項成本。除焦爐煤氣外,其他工業(yè)副產(chǎn)氫的生產(chǎn)成本約為0.8-1.5元/標方,各項工業(yè)副產(chǎn)氫的提純成本約為0.1-1.33元/標方,綜合成本約為9.29-22.40元/kg。

我國現(xiàn)有工業(yè)副產(chǎn)氫產(chǎn)能規(guī)模大,成為氫能綠色化過渡方案的可行性較高。相比于化石燃料制氫,工業(yè)副產(chǎn)氫在一定程度上能夠降低環(huán)境污染,提高資源利用效率和經(jīng)濟效益。我國作為工業(yè)大國,具有豐富的工業(yè)副產(chǎn)氫資源,在工廠附近建設(shè)加氫站,為周邊的氫燃料電池汽車供應(yīng)氫氣可有效將供應(yīng)端和需求端鏈接起來。

根據(jù)工業(yè)副產(chǎn)氫的放空量測算,我國工業(yè)副產(chǎn)氫的規(guī)模約在450萬噸/年,按照車輛氫耗7kg/100km、日均行駛200km計算,可供應(yīng)97.6萬輛公交車的運營。在雙碳目標下,未來我國的鋼鐵、化工等工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)能或?qū)⑾陆担鄳?yīng)的副產(chǎn)氫產(chǎn)能或許也將下降,但基于現(xiàn)階段的成本優(yōu)勢和規(guī)模優(yōu)勢,工業(yè)副產(chǎn)氫有望成為氫產(chǎn)業(yè)綠色化可行的過渡方案。

3. 隨著規(guī)模提升和技術(shù)迭代升級,電解水制氫的經(jīng)濟性將逐步凸顯

目前主要的四種電解水技術(shù)分別是堿性電解水、質(zhì)子交換膜電解水(PEM)、固體氧化物電解水(SOE)和陰離子交換膜電解水(AEM)。常壓堿性電解水技術(shù)是目前最為成熟的電解水制氫工藝,加壓系統(tǒng)也進入市場,能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模制氫應(yīng)用,但電耗較大,對穩(wěn)定的輸出電源要求較高;設(shè)備的國產(chǎn)化率約95%,性能接近國際先進水平,國內(nèi)已實現(xiàn)兆瓦級制氫應(yīng)用,因此堿性電解水制氫是國內(nèi)現(xiàn)階段電解水制氫路線中最具經(jīng)濟性的。

PEM制氫在過去十年發(fā)展迅速,成為國際上另外一種實現(xiàn)商業(yè)化的電解水制氫工藝,相比于堿性電解水工藝,其占地面積較小,間歇性電源適配性高,因此與可再生能源的適配度更高;設(shè)備的國產(chǎn)化率約80%,但核心部件仍較為依賴進口,國內(nèi)目前已實現(xiàn)規(guī)模較小的商業(yè)化運作。SOE制氫的主要特點是工作溫度高、效率高、蒸汽替代液態(tài)水,且可以反向運作,充當燃料電池,目前國際上已實現(xiàn)商業(yè)化,但規(guī)模落后于堿性和PEM電解水制氫,國內(nèi)已在實驗室完成驗證示范。AEM是最新提出的電解水工藝,設(shè)計方面與PEM類似,可使用更便宜的耗材,目前尚未實現(xiàn)商業(yè)化。

經(jīng)過測算,假設(shè)工業(yè)用電價格為0.4元/kWh,在現(xiàn)有條件下堿性電解水制氫成本為29.9元/kg,PEM電解水制氫成本為39.87元/kg。現(xiàn)階段堿性電解和PEM電解水的電耗成本占到總成本的比例分別是74.91%和50.56%,是成本支出端最大的部分,此外由于PEM電解水的商業(yè)規(guī)模化不及堿性電解水,國產(chǎn)堿性電解槽價格在2000-3000元/kW,PEM電解槽的價格則在7000-12000元/kW,導(dǎo)致現(xiàn)階段PEM電解水的折舊成本高出堿性電解水。整體上看,在現(xiàn)有條件下的堿性電解水和PEM電解水制氫成本的經(jīng)濟性與化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫相差較遠。

經(jīng)過測算,當可再生能源電價降至0.16元/kWh,堿性電解和PEM系統(tǒng)電解設(shè)備價格分別降至1000元/kW和2750元/kW時,堿性電解水制氫和PEM電解水制氫成本分別是11.64元/kg和14.34元/kg,與化石能源制氫(+CCUS技術(shù))的成本相當;當可再生能源電價降至0.13元/kWh,堿性電解和PEM系統(tǒng)電解設(shè)備價格分別降至800元/kW和1400元/kW時,堿性電解水制氫和PEM電解水制氫成本分別是9.21元/kg和10.02元/kg,與現(xiàn)階段的化石能源制氫成本相當。

電解水制氫的經(jīng)濟性依賴于可再生能源發(fā)電成本的降低,以及隨著技術(shù)迭代和規(guī)模增長帶來的設(shè)備成本降低。預(yù)計到2025年、2035年、2050年,我國新增光伏裝機發(fā)電成本將降至0.3元/kWh、0.2元/kWh和0.13元/kWh;預(yù)計到2030年我國電解水制氫設(shè)備成本將降低60%-80%;隨著規(guī)模的增長,單位運營成本和制氫系統(tǒng)的耗電量亦將有所降低,整體推動綠氫的經(jīng)濟性逐步凸顯。可再生能源電解水制氫是未來實現(xiàn)綠氫生產(chǎn)的重點環(huán)節(jié),除電解槽以及核心零部件的研發(fā)、制造以提升電解效率、降低能耗外,不同電解水技術(shù)之間的搭配使用亦將促成大規(guī)模綠氫生產(chǎn)。

目前堿性電解槽和PEM電解槽均實現(xiàn)商業(yè)化,堿性電解適用于可再生能源電網(wǎng)制氫,而PEM電解能夠更好地適配波動性更強的可再生能源離網(wǎng)制氫,兩者組合可適用于不同場景,實現(xiàn)陸上和海上的電解制氫,提升整體制氫規(guī)模。



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