天然气制氢、甲醇制氢与水电解制氢的经济性对比探讨

王周

（佛山市燃气集团股份有限公司，广东佛山 528000）

天然气制氢、甲醇制氢与水电解制氢的经济性对比探讨

王周

（佛山市燃气集团股份有限公司，广东佛山 528000）

氢气作为无碳绿色新能源是应对日趋严峻环境危机和构建清洁低碳能源体系的重要载体。目前天然气、甲醇、水制氢是最有竞争力的技术手段，但生物能、太阳能、风能等可再生能源制氢是未来的趋势。对天然气制氢、甲醇制氢及水电解制氢进行了对比探讨，分别从技术特点、制氢纯度、场地要求、投资规模、运行费用及制氢成本等方面进行了分析，认为天然气制氢、甲醇制氢及水电解制氢分别适用于大、中、小规模，制氢成本依次为低、中、高，且分别受天然气价格、甲醇价格及电价影响较大。

天然气制氢 甲醇制氢 水电解制氢 经济性

0 引言

氢气作为无碳绿色新能源，具有环保安全、能量密度大、转化效率高、储量丰富和适用范围广等特点，可实现从开发到利用全过程的零排放、零污染，是应对日趋严峻环境危机和构建清洁低碳能源体系的重要载体。随着石油资源的日益枯竭和能源价格的不断上涨，寻找不依赖化石燃料、储量丰富的廉价可替代能源制氢成为大家共同面临的难题，从长远来看，生物能、太阳能、风能等可再生能源制氢在21世纪将开始逐步具有竞争力，但目前从天然气、甲醇、水等资源中制氢仍然是最有竞争力的技术手段［1］，煤制氢对水和大气污染严重，笔者暂不讨论。目前国内制氢原料路线的选择，主要取决于原料资源的可得性和原料成本的高低，笔者将以华南某区域的制氢状况来进行分析探讨。

1 不同制氢方式的比较

1.1 技术特点

天然气制氢工艺复杂，操作条件严格，设备设计制造要求高，技术成熟；甲醇制氢工艺流程简单，相对易操作维护，主体设备为常见化工设备，技术也较为成熟；水电解制氢流程简单，操作简便，甚至可实现无人值守全自动操作。

1.2 制氢纯度

天然气制氢与甲醇制氢一般纯度可达到99.999%，而水电解制氢纯度高时可达到99.999 9%。天然气制氢杂质一般含CO2、CO、CH4，甲醇制氢含CO2、CO等，水电解制氢含O2、H2O等［2］。

1.3 场地要求

天然气制氢需要考虑管道天然气或槽车CNG的供应方便与否，甲醇制氢在原料方面则供应充足，运输及储存都很方便，水电解制氢条件更加宽裕［3］。制氢设备占地面积从大到小依次为：天然气制氢、水电解制氢、甲醇制氢。

1.4 投资及规模

天然气制氢一次性投资高，一般适合1 000 Nm3/h以上的制氢规模；甲醇制氢投资较低，适用于2 500 Nm3/h以下的制氢规模；水电解制氢投资较高，单槽适合300 Nm3/h以下的制氢规模［4］。

1.5 制氢成本

不同原料制氢的成本决定因素也不同，天然气及甲醇制氢主要取决于天然气、甲醇的价格，水电解制氢则主要取决于电价的高低。

2 制氢经济分析

2.1 天然气制氢

1）设备投资

按照生产1 Nm3氢气需要消耗0.6 Nm3天然气来计算，天然气价格取3.2元/Nm3。其中设备按10年折旧，土建按20年折旧，按总投资70%贷款，年利率6%，等额本息法10年还贷进行估算，设备年运行时间按照8 000 h来计算，设备安装按照设备价格的4%计算，土建工程及其他按照设备购置及安装费的13%计算，维修费用按照设备购置及安装费的2%来计算，工作人员按照9人考虑，暂未考虑土地费用、气体增压运输等费用，设备自身运行耗电费用。

以天然气裂解制氢（制氢规模1000 Nm3/h）为例，制氢装置采用水蒸气转化法加变压吸附净化工艺，如表1所示。

2）成本估算

成本估算如表2所示。

表1 天然气制氢投资情况表

表2 天然气制氢的成本情况表

天然气制氢设备、安装、土建及其他总投资1 528万元，以华南某区域天然气气价为3.2元/Nm3时为例，每年天然气等费用为1 536万元，每年成本合计1 863万元，对应氢气成本2.33元/Nm3。

现分别计算不同制氢成本情况下，对应的天然气价格，如表3所示。

氢气成本与天然气的价格成正比关系，如果要求氢气成本低于2元/Nm3，则天然气价格要低于2.65元/Nm3。

表3 制氢成本与天然气价格的对应关系表

2.2 甲醇制氢

1）设备投资

按照生产1 Nm3氢气需要消耗0.72 kg甲醇来计算，甲醇价格取2 200元/t，工作人员按照9人考虑，其他同上。

以甲醇裂解制氢（制氢规模1000 Nm3/h）为例，制氢装置采用甲醇裂解加变压吸附联合工艺，如表4所示。

2）成本估算

成本估算如表5所示。

表4 甲醇制氢投资情况表

表5 甲醇制氢的成本情况表

甲醇制氢设备、安装、土建及其他总投资1 058万元，以华南某区域甲醇价格为2 200元/t时，每年甲醇等费用为1 267万元，每年成本合计1 531万元，对应氢气成本1.91元/Nm3。

现分别计算不同制氢成本情况下，对应的甲醇价格，如表6所示。

表6 制氢成本与甲醇价格的对应关系表

氢气成本与甲醇的价格成正比关系，如果要求氢气成本低于2元/Nm3，则甲醇价格要低于2 319元/t。

2.3 水电解制氢

1）设备投资

按照生产1 Nm3氢气需要消耗5 kW·h电来计算，用电价格取0.8元/kW·h，工作人员按照5人考虑，其他同上。

以水电解制氢（制氢规模1 000 Nm3/h）为例，制氢装置采用电解槽技术及三塔流程纯化工艺，如表7所示。

2）成本估算

成本估算如表8所示。

表7 水电解制氢投资情况表

表8 水电解制氢的成本情况表

水电解制氢设备、安装、土建及其他总投资1 410万元，以华南某区域用电价格为0.8元/Kw·h时，每年用电等费用为3 200万元，每年成本合计3 451万元，对应氢气成本4.31元/Nm3。

现分别计算不同制氢成本情况下，对应的用电价格，如表9所示。氢气成本与用电价格成正比关系，如果要求氢气成本低于2元/Nm3，则用电价格要低于0.34元/kW·h。

表9 制氢成本与用电价格的对应关系表

3 结论

1）华南某区域天然气制氢成本为2.33元/Nm3，甲醇制氢成本为1.91元/Nm3，水电解制氢成本为4.31元/Nm3。

2）如果要求氢气成本低于2元/Nm3，采用天然气制氢、甲醇制氢及水电解制氢等方式时需满足条件如下：天然气价格低于2.65元/Nm3，甲醇价格要于2 319元/t，用电价格低于0.34元/kW·h。天然气制氢适合于国内西北地区天然气价格较低的区域，甲醇价格大部分区域都可满足，水电解则要水利发电等方式才能达到较低的电价要求。

3）天然气、甲醇等资源有限，而水是自然界广泛存在的物质，用水生产大量氢气是人类获取能源理想的方式，但是水电解制氢这一转化过程又需要大量能源，成本太高，应优先考虑低谷电价水电解、水利发电水电解及太阳能发电水电解等方式。

［1］李庆勋，刘晓彤，刘克峰，等.大规模工业制氢工艺技术及其经济性比较［J］.天然气化工，2015，40（1）：78-82.

［2］刘一鸣.工业制氢方法的比较与选择［J］.化学与生物工程，2007，24（3）：72-74.

［3］汤金华.几种工业制氢方案的比选［J］.有色冶金设计与研究，2014，35（5）：43-45.

［4］李言浩，马沛生，郝树仁.中小规模的制氢方法［J］.化工进展，2001，20（9）：22-25.

（编辑：周娟）

B

2095-1132（2016）06-0047-03

10.3969/j.issn.2095-1132.2016.06.013

修订回稿日期：2016-10-22

王周（1983-），工程师，负责天然气产业链延伸方面的工作。E-mail：wangzhou@fsgas.com。