氢能产业链解析——制氢篇

　　毕马威中国于9月15日发布《一文读懂氢能产业》报告，为助力大家深入了解氢能这一重要清洁能源，我们将在报告基础上陆续推出氢能产业链解析、海外氢能战略和中国氢能战略等微信文章。此为微信系列的第一篇，聚焦氢能产业链上游制氢环节。

　　氢能产业链主要包括上游制氢，中游氢储运、加氢站，以及下游多元化的应用场景，例如交通、工业、发电以及建筑等领域（图1）。

　　自2020年“双碳”目标提出后，我国氢能产业热度攀升，发展进入快车道。2021年中国年制氢产量约3,300万吨，同比增长32%，成为目前世界上最大的制氢国。

　　从产量结构来看（图2），2020年我国氢气总产量达到2,500万吨，主要来源于化石能源制氢（煤制氢、天然气制氢）；其中，煤制氢占我国氢能产量的62%，天然气制氢占比19%，而电解水制氢受制于技术和高成本，占比仅1%。从全球2020年的制氢结构来看（图3），化石能源也是最主要的制氢方式，其中天然气占比59%，煤占比19%。

　　目前主要的制氢方式包括化石燃料制氢、工业副产制氢和电解水制氢等三类。化石燃料制氢目前仍是主流，电解水制氢是未来最有发展潜力的绿色氢能生产方式（表1）。

　　化石燃料制氢是传统的制氢方法，也是目前国际及我国的主流制氢方式。该方式由于离不开对化石燃料的依赖，仍会排出二氧化碳等温室气体，因此所制氢气不属于清洁氢能范畴。化石能源制氢主要包括煤制氢、天然气制氢、石油制氢、甲醇制氢等，其中煤和天然气制氢又是化石能源制氢的主要方式。

　　煤炭目前仍是我国的主要能源之一， 也是我国制氢的主要原料。虽然煤焦化副产的焦炉气也可用于制氢，但煤气化制氢目前在国内氢气生产中占据主导地位。煤气化制氢技术的工艺过程一般包括煤气化、煤气净化、CO变换以及氢气提纯等主要生产环节。煤制氢经过多年的发展，技术成熟，被广泛应用于煤化工、石化、钢铁等领域。特别是化工和化肥行业一直在使用这项技术生产氨。但煤制氢工艺的二氧化碳排放量约是天然气制氢的4倍，需结合碳捕集与封存(CCS)技术才能实现减排。据IEA数据，在煤制氢生产中加入CCS预计将使资本支出和燃料成本分别增加5%和130%。中国煤炭资源相对丰富、成本较低，配备CCS的煤制氢工艺可以是向清洁制氢中的一个合理过渡。

　　天然气制氢是目前全球氢气的主要来源，在北美和中东等地区被广泛使用。与煤制氢装置相比，用天然气制氢产量高，排放的温室气体少，是化石原料制氢路线中较为理想的制氢方式。工业上由天然气制氢的技术主要有蒸汽转化法、部分氧化法以及天然气催化裂解制氢。然而，我国国内目前天然气约40%依赖进口。国内主流的工业制氢方式仍然是煤制氢，天然气制氢之路仍然需要契机。降本和技术突破也是天然气制氢的两大关卡。

　　工业副产制氢是指将富含氢气的工业尾气作为原料，主要采用变压吸附法（PSA法），回收提纯制氢。目前主要尾气来源有氯碱工业副产气、焦炉煤气、轻烃裂解副产气。与其他制氢方式相比，工业副产品制氢的最大优势在于几乎无需额外的资本投入和化石原料投入，所获氢气在成本和减排方面有显著优势。由于其丰富的潜在供应量，被广泛认为是燃料电池发展现阶段可行的供氢解决方案。

　　电解水制氢是在直流电下将水分子分解为氢气和氧气，分别在阴、阳极析出，所产生的氢气纯度高（99%）。这是目前最有发展潜力的绿色氢能生产方式，特别是利用可再生能源进行电解水制氢是目前众多氢气来源方案中碳排放最低的工艺，与全球低碳减排的能源发展趋势最为一致。

　　目前电解水制氢主要有3种技术路线：碱性电解（AWE）、质子交换膜（PEM）电解和固体氧化物（SOEC）电解。其中碱性电解水制氢技术相对最为成熟、成本最低，更具经济性，已被大规模应用。PEM电解水制氢技术已实现小规模应用，且适应可再能源发电的波动性，效率较高，发展前景好。固体氧化物电解水制氢目前以技术研究为主，尚未实现商业化。

　　PEM电解装置的双极板需使用镀金或镀铂的钛材料，电堆核心也要使用稀有金属。考虑到阳极侧容易氧化，为增强耐用性，还要使用铱这种地球上最稀有的金属，目前全球的年产能仅7吨左右。阴极侧也需要使用稀有金属铂。稀有金属占PEM电解系统整体成本的近10%，其高成本和供应链的局限性成为了目前推广PEM电解技术的主要瓶颈。为避免关键材料供应短缺和降低成本，PEM电解技术的发展也将努力减少稀有材料的使用，并用价格低廉的常见材料来替代稀有金属。

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