考慮碳排放的化石能源和電解水制氫成本

沈 威， 楊煒櫻

(深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司，廣東深圳518049)

1 概述

氫能作為一種清潔能源，是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的二次能源之一。它既能有效解決可再生能源的消納問題，又可解決環(huán)境污染等問題，將有效應(yīng)用在交通、建筑和工業(yè)等領(lǐng)域。隨著石油煉制工業(yè)以及以三大合成材料為中心的石油化學(xué)工業(yè)的飛速發(fā)展，氫消耗量迅速增加。很多有機(jī)合成工業(yè)、冶金工業(yè)、電子工業(yè)以及快速發(fā)展的燃料電池汽車，都迫切需要大量氫[1-2]。制氫也成為用氫企業(yè)的主要成本，進(jìn)而決定了企業(yè)的贏利水平。因此，選擇合適的制氫工藝，降低生產(chǎn)成本，成為人們普遍關(guān)注的課題。

本文在考慮碳排放的情況下，對(duì)化石能源制氫工藝、電解水制氫工藝的單位制氫成本進(jìn)行比較。選取原料價(jià)格、設(shè)備投資、碳稅稅率作為敏感因素，對(duì)單位制氫成本進(jìn)行敏感性分析。

2 化石能源制氫工藝

2.1 制氫工藝

① 煤制氫

煤制氫一般包括煤氣化、煤氣凈化、一氧化碳變換以及氫氣提純等主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，核心技術(shù)在于先經(jīng)過(guò)不同的氣化技術(shù)將煤轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)產(chǎn)物，再經(jīng)過(guò)低溫甲醇洗等分離過(guò)程，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成高純度的氫氣。與傳統(tǒng)的石油化工所采用的烴類蒸氣轉(zhuǎn)化制氫相比，國(guó)內(nèi)采用的煤制氫工藝原料成本低，裝置規(guī)模大，但設(shè)備投資大。優(yōu)勢(shì)：技術(shù)成熟，成本低。劣勢(shì)：投資高，碳排放量大。制氫規(guī)模：適合大規(guī)模制氫。

② 天然氣制氫

與煤制氫相比，天然氣制氫的產(chǎn)量高，成本低，溫室氣體排放少。天然氣制氫的本質(zhì)是以甲烷中的碳取代水中的氫，碳起到化學(xué)試劑作用并為置換反應(yīng)提供熱量，產(chǎn)生的氫大部分來(lái)自于水，小部分來(lái)自天然氣本身。為了防止轉(zhuǎn)化過(guò)程發(fā)生析碳反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中需加入過(guò)量的水蒸氣。優(yōu)勢(shì)：技術(shù)成熟，成本低，氫氣轉(zhuǎn)化率高。劣勢(shì)：天然氣在作為化工原料方面的應(yīng)用受到嚴(yán)格限制。制氫規(guī)模：適合各種規(guī)模制氫。

③ 甲醇制氫

與煤和天然氣相比，甲醇原料豐富，更容易儲(chǔ)存和運(yùn)輸，因而近年來(lái)得到迅速推廣。隨著甲醇制氫工藝和催化劑的不斷改進(jìn)，甲醇制氫的規(guī)模不斷擴(kuò)大，制氫成本也在不斷降低，成為中小規(guī)模制氫的首選方案。甲醇制氫具有反應(yīng)溫度低、分離簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，單位質(zhì)量甲醇的理論氫氣收率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為18.8%。優(yōu)勢(shì)：原料豐富，更容易儲(chǔ)存和運(yùn)輸；制氫反應(yīng)溫度低，分離簡(jiǎn)單。劣勢(shì)：甲醇屬于二次能源產(chǎn)品，原料成本較高。制氫規(guī)模：適合小規(guī)模制氫。

2.2 制氫成本

李慶勛等人[3]在生產(chǎn)規(guī)模為9×104m3/h條件下，對(duì)煤制氫、天然氣制氫工藝的設(shè)備投資及制氫成本進(jìn)行了測(cè)算。①設(shè)備投資。煤制氫：設(shè)備投資約12.4×108元，單位生產(chǎn)規(guī)模設(shè)備投資約1.38×104元/(m3·h-1)。天然氣制氫：設(shè)備投資約6×108元，單位生產(chǎn)規(guī)模投資約0.67×104元/(m3·h-1)。②制氫成本。煤炭、天然氣價(jià)格分別按600 元/t、2.5 元/m3測(cè)算，氫氣密度按89.9 g/m3計(jì)算。煤制氫、天然氣制氫工藝的制氫成本分別為10.67、13.44 元/kg。

張佩蘭等人[4]在生產(chǎn)規(guī)模為4 000 m3/h條件下，對(duì)甲醇制氫工藝的設(shè)備投資及制氫成本進(jìn)行了測(cè)算。設(shè)備投資約1 500×104元，單位生產(chǎn)規(guī)模設(shè)備投資約0.375×104元/(m3·h-1)。煤基甲醇的市場(chǎng)價(jià)格取2 500 元/t,生產(chǎn)1 kg氫氣按消耗6 kg甲醇考慮，甲醇制氫的制氫成本為19.45 元/kg。

3種制氫工藝制備1 kg氫氣產(chǎn)生二氧化碳的質(zhì)量(以下簡(jiǎn)稱碳排放強(qiáng)度)[5-6]以及單位制氫碳稅見表1，碳稅稅率按照175 元/t計(jì)算[7]。在考慮碳稅后，煤制氫、天然氣制氫、甲醇制氫的制氫成本分別為14.52、14.28、20.89 元/kg。

表1 3種制氫工藝的碳排放強(qiáng)度、單位制氫碳稅

在相同生產(chǎn)規(guī)模下，煤制氫的單位生產(chǎn)規(guī)模設(shè)備投資遠(yuǎn)高于天然氣制氫。甲醇制氫的生產(chǎn)規(guī)模比較小，但單位生產(chǎn)規(guī)模設(shè)備投資是3種制氫工藝中最低的。在未考慮碳稅前，煤制氫的制氫成本最低，天然氣制氫居中，甲醇制氫最高。在考慮碳稅后(煤制氫、天然氣制氫、甲醇制氫的制氫成本分別為14.52、14.28、20.89 元/kg)，煤制氫的優(yōu)勢(shì)將不存在，而甲醇制氫的制氫成本仍最高。

2.3 敏感性分析

在進(jìn)行制氫成本敏感性分析時(shí)，敏感因素選取原料價(jià)格、設(shè)備投資、碳稅稅率。3種制氫工藝各敏感因素占制氫成本的比例見表2[3-4]。原材料成本為生產(chǎn)1 kg氫氣消耗的煤炭、天然氣、甲醇的成本。制氫設(shè)備折舊10 a后殘值為設(shè)備投資的5%。計(jì)算貸款利息時(shí)，貸款額按設(shè)備投資的70%考慮，年利率取5%。年維修保養(yǎng)費(fèi)按設(shè)備投資的3%計(jì)算。將設(shè)備折舊費(fèi)、貸款利息、年維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)折算成使用壽命(取10 a)內(nèi)的制氫成本，并將與設(shè)備投資相關(guān)的費(fèi)用統(tǒng)稱為設(shè)備成本。其他成本包括輔助材料成本、燃料及動(dòng)力成本、人員工資等。對(duì)于煤制氫工藝，考慮了副產(chǎn)品收益(煤氣化中產(chǎn)生的苯酚、氨氮、焦油等可利用化工產(chǎn)品產(chǎn)生的收益)。

表2 3種制氫工藝各敏感因素占制氫成本的比例

① 煤制氫

煤制氫工藝的制氫成本敏感性分析見圖1。由圖1可知，對(duì)于煤制氫工藝，敏感因素的影響程度依次為煤價(jià)、碳稅稅率、設(shè)備投資，煤價(jià)和碳稅稅率對(duì)總成本的影響程度基本接近。

圖1 煤制氫工藝的制氫成本敏感性分析

② 天然氣制氫

天然氣制氫工藝的制氫成本敏感性分析見圖2。由圖2可知，對(duì)于天然氣制氫工藝，敏感因素的影響程度依次為天然氣價(jià)、設(shè)備投資、碳稅稅率，天然氣價(jià)的影響程度遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)敏感因素。

圖2 天然氣制氫工藝的制氫成本敏感性分析

③ 甲醇制氫

甲醇制氫的制氫成本敏感性分析見圖3。由圖3可知，對(duì)于甲醇制氫工藝，敏感因素的影響程度依次為甲醇價(jià)格、設(shè)備投資、碳稅稅率，甲醇價(jià)格的影響程度遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)敏感因素。

圖3 甲醇制氫工藝的制氫成本敏感性分析

3 電解水制氫

① 低谷電

目前，電解水制氫工藝每制取1 m3氫氣的耗電量約5.5 kW·h。若采用谷電(火電)，電價(jià)約0.3元/(kW·h)，加上電費(fèi)以外的固定成本(0.3～0.5 元/m3)，綜合成本在1.95～2.15 元/m3。氫氣密度仍按89.9 g/m3計(jì)算，則低谷電電解水制氫成本為21.7～23.9 元/kg。

2018年，我國(guó)火電機(jī)組(凈效率為39.9%)平均供電煤耗為308 g/(kW·h)，二氧化碳排放強(qiáng)度約841 g/(kW·h)。制取1 m3氫氣仍按耗電量約5.5 kW·h計(jì)算，則采用電解水的碳排放強(qiáng)度為51.5 kg/kg。碳稅稅率仍按175 元/t計(jì)算，低谷電電解水制氫成本取22.9 元/kg，則制氫成本為31.91 元/kg。

② 可再生能源棄電

若利用可再生能源棄電電解水制氫，可再生能源棄電電價(jià)按0.1 元/(kW·h)計(jì)算，則制氫成本可下降至10.6 元/kg左右?？稍偕茉礂夒婋娊馑茪湫杩紤]氫氣的輸送成本，而不存在碳排放。當(dāng)輸送距離按我國(guó)已經(jīng)建成的輸氫管道長(zhǎng)度130 km計(jì)算時(shí)(130 km也基本符合光伏電站到市區(qū)的平均距離)，輸送成本為2.47 元/kg[8]。則可再生能源棄電電解水制氫的制氫成本為13.07 元/kg，比煤制氫、天然氣制氫更具競(jìng)爭(zhēng)力。

4 碳稅稅率的影響

在其他條件不變的情況下，低谷電電解水制氫工藝的制氫總成本對(duì)碳稅稅率最為敏感，其次為煤制氫、甲醇制氫。碳稅稅率對(duì)天然氣制氫工藝的制氫成本的影響非常小。由于可再生能源棄電電解水制氫沒有碳排放，碳稅稅率對(duì)其制氫成本沒有影響。

5 結(jié)論

① 在未考慮碳稅前，制氫成本由低到高依次為煤制氫、可再生能源棄電電解水制氫、天然氣制氫、甲醇制氫、低谷電電解水制氫。在考慮碳稅后，制氫成本由低到高依次為可再生能源棄電電解水制氫、天然氣制氫、煤制氫、甲醇制氫、低谷電電解水制氫。

② 對(duì)于煤制氫工藝，敏感因素的影響程度依次為煤價(jià)、碳稅稅率、設(shè)備投資，煤價(jià)和碳稅稅率對(duì)成本的影響程度基本接近。對(duì)于天然氣制氫工藝，敏感因素的影響程度依次為天然氣價(jià)格、設(shè)備投資、碳稅稅率，天然氣價(jià)格的影響遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)敏感因素。對(duì)于甲醇制氫工藝，敏感因素的影響程度依次為甲醇價(jià)格、設(shè)備投資、碳稅稅率，甲醇價(jià)格的影響遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)敏感因素。

③ 在其他條件不變的情況下，低谷電電解水制氫工藝的制氫成本對(duì)碳稅稅率最為敏感，其次為煤制氫、甲醇制氫。碳稅稅率對(duì)天然氣制氫工藝的制氫成本的影響非常小。由于可再生能源棄電電解水制氫沒有碳排放，碳稅稅率對(duì)其制氫成本沒有影響。