中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)在近幾年呈現(xiàn)快速發(fā)展，作為氫能產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，加氫站正在全國(guó)多個(gè)重點(diǎn)城市布局建設(shè)。截至2021年底，中國(guó)已經(jīng)建成加氫站191座，其中已運(yùn)營(yíng)174座。隨著國(guó)家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃、五大氫燃料電池汽車示范城市群、山東“氫進(jìn)萬家”、“成渝氫走廊”等規(guī)劃的落地，加氫站建設(shè)的步伐將會(huì)加快。但是目前加氫站氫氣的供應(yīng)主要依靠長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸，受制于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，運(yùn)輸氫氣的氣瓶壓力多為20MPa。由于氫氣密度很小，而儲(chǔ)氫容器自重大，所運(yùn)輸氫氣的質(zhì)量約占總運(yùn)輸質(zhì)量的1％，整體運(yùn)輸效率很低，運(yùn)輸成本較高。

根據(jù)測(cè)算，當(dāng)運(yùn)輸距離為100km時(shí)，運(yùn)氫成本約8.7元/kg；而當(dāng)運(yùn)輸距離為200km時(shí)，成本增加至19元/kg。運(yùn)輸效率低、運(yùn)輸成本高、裝卸時(shí)間長(zhǎng)等因素使得加氫站的氫氣供應(yīng)問題日益突出，大大制約了氫能交通產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。分布式制氫由于可以在加氫站內(nèi)或者周圍制取氫氣，儲(chǔ)運(yùn)優(yōu)勢(shì)明顯，在日本、美國(guó)、歐洲等地均有成熟應(yīng)用。國(guó)內(nèi)分布式制氫發(fā)展相對(duì)緩慢，主要是因?yàn)橄鄳?yīng)規(guī)范缺失、審批困難等因素，但目前安徽省、廣東佛山、四川成都、遼寧大連、山東淄博、內(nèi)蒙古鄂爾多斯等省市明確支持分布式制氫或已出臺(tái)相應(yīng)的政策，預(yù)計(jì)近兩年將會(huì)有一批分布式制氫項(xiàng)目落地。中國(guó)石化銷售股份有限公司及中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司（簡(jiǎn)稱石科院）系統(tǒng)研究了氫氣的制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加注等氫能產(chǎn)業(yè)鏈上主流技術(shù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前適合分布式制氫的技術(shù)主要包括甲醇制氫、天然氣制氫、堿性電解水制氫、ＰＥＭ電解水制氫和氨分解制氫。下面主要介紹分布式制氫方式及其成本。

分布式甲醇制氫

甲醇作為二次能源，是高氫含量的氫載體，以分子式CH3OH計(jì)，氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.5％，遠(yuǎn)高于DOE（美國(guó)能源部）要求的氫載體儲(chǔ)氫質(zhì)量密度7.5％。在甲醇蒸汽裂解制氫的真實(shí)反應(yīng)條件下，甲醇的儲(chǔ)氫量比理論值更高，考慮到化學(xué)反應(yīng)，甲醇的理論產(chǎn)氫質(zhì)量為其自身質(zhì)量的18.75％。在實(shí)際生產(chǎn)中，需考慮燃燒部分甲醇為反應(yīng)供熱，以及生產(chǎn)高純氫氣、副產(chǎn)低濃度氫解吸氣的實(shí)際情況，甲醇產(chǎn)氫量與理論產(chǎn)氫量有一定差別。甲醇制氫工藝技術(shù)比較成熟，甲醇蒸汽裂解生產(chǎn)1m3工業(yè)氫需消耗甲醇約0.55kg。如果考慮燃燒部分甲醇為反應(yīng)供熱及生產(chǎn)高純氫氣需要，生產(chǎn)1m3高純氫的甲醇消耗量約為0.67kg。雖然利用甲醇生產(chǎn)氫氣從原料利用和能源利用上不盡合理，但價(jià)格上有一定優(yōu)勢(shì)，并且其生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高。與天然氣制氫相比，甲醇制氫不需要設(shè)置轉(zhuǎn)化爐，只需要導(dǎo)熱油提供反應(yīng)所需的熱量，反應(yīng)溫度不到300℃，此外甲醇轉(zhuǎn)化制氫便于撬裝模塊化及小型化，液體甲醇也便于槽車運(yùn)輸。因此，在一些特定的場(chǎng)合，如沒有廉價(jià)天然氣資源，沒有煤炭指標(biāo)，當(dāng)?shù)仉妰r(jià)高，且制氫規(guī)模不大的地方，可建設(shè)分布式甲醇制氫裝置。

甲醇是現(xiàn)有的大宗商品，近3年甲醇價(jià)格最低1510元/ｔ，最高3370元/ｔ，均價(jià)約2200元/ｔ，以此均價(jià)為基礎(chǔ)分析1t/d分布式甲醇蒸汽裂解制氫的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果如表１所示。在現(xiàn)有供銷價(jià)格體系下，分布式甲醇裂解制燃料電池級(jí)氫氣的成本價(jià)為20.4元/kg。

顯然甲醇的價(jià)格是氫氣成本的最主要構(gòu)成部分，甲醇原料成本約占制氫成本的75％，甲醇價(jià)格對(duì)成本的影響見表２。

當(dāng)按照近3年甲醇最低價(jià)1510元/ｔ計(jì)算時(shí)，甲醇站內(nèi)制氫成本可降至15.2元/ｋｇ（燃料電池級(jí)氫氣）；當(dāng)按照近3年甲醇最高價(jià)3370元/ｔ計(jì)算時(shí)，甲醇站內(nèi)制氫成本為29.2元/kg（燃料電池級(jí)氫氣）。因此，分布式甲醇制氫作為起步階段的低成本制氫方式有一定現(xiàn)實(shí)意義。

甲醇制氫要排放大量的CO2，生產(chǎn)1kgH2約排放30kgCO2。雖然已有“液態(tài)陽光”生產(chǎn)甲醇的技術(shù)，但由于其成本相對(duì)較高，甲醇當(dāng)前階段作為綠色儲(chǔ)氫載體仍不成熟，因此仍需考慮甲醇的碳排放。碳排放交易對(duì)分布式甲醇制氫經(jīng)濟(jì)性的影響見表3，當(dāng)甲醇價(jià)格為2200元/ｔ時(shí)，加上碳稅，甲醇裂解制氫的成本價(jià)為21.6元/kg（燃料電池級(jí)氫氣）。

隨著甲醇制氫技術(shù)的進(jìn)步和裝置制造成本的降低，甲醇制氫生產(chǎn)成本會(huì)有一定下降，但是降幅有限。到2025年，預(yù)測(cè)裝備投資降低至600萬元，假定甲醇原料價(jià)格為2200元/ｔ，制氫成本為20.2元/kg（燃料電池級(jí)氫氣）。考慮到碳稅的上漲，預(yù)計(jì)制氫成本為23.2元/kg（燃料電池級(jí)氫氣）。

分布式天然氣制氫天然氣除了廣泛用于集中式制氫，也適合做分布式制氫。分布式天然氣制氫有一個(gè)相對(duì)明顯的優(yōu)勢(shì)是原料獲取方便，只需連接到城市天然氣管網(wǎng)。分布式天然氣制氫在工藝流程上與集中式天然氣制氫沒有明顯區(qū)別，考慮到能效利用，一般小型天然氣制氫裝置生產(chǎn)１ｍ３氫氣的甲烷消耗量為0.5～0.6ｍ３。日本三菱公司開發(fā)了ＨyGeia系列50～1000ｍ３/ｈ天然氣制氫系統(tǒng)，已經(jīng)推廣６０余套，部分用作加氫站現(xiàn)場(chǎng)制氫。美國(guó)Airproduct、Powertap以及德國(guó)Linde公司均已開發(fā)出分布式天然氣制氫裝置，部分裝置附帶碳捕集設(shè)施。中國(guó)做分布式天然氣制氫的企業(yè)較多，比如亞聯(lián)高科、石科院、漢興能源、四川天一、上海億維、四川蜀泰等。表４測(cè)算的是1t/ｄ天然氣制氫裝置的制氫成本。

由表４可以看出，分布式天然氣制氫的主要成本構(gòu)成是燃料（天然氣）消耗。天然氣價(jià)格對(duì)成本的影響如表５所示，當(dāng)天然氣價(jià)格為1.88元/ｍ3時(shí)，制氫成本為16.0元/kg（燃料電池級(jí)氫氣）；當(dāng)天然氣價(jià)格為2.63元/ｍ3時(shí)，制氫成本為20.5元/kg（燃料電池級(jí)氫氣）；而當(dāng)天然氣價(jià)格為3.73元/ｍ3時(shí)，制氫成本為27.1元/kg（燃料電池級(jí)氫氣）。需要說明的是當(dāng)前因國(guó)際形勢(shì)發(fā)生諸多變化，作為大宗商品的天然氣價(jià)格波動(dòng)較大，站內(nèi)制氫成本變化也較大。

分布式天然氣制氫的天然氣單耗比集中式制氫的天然氣單耗要高，這里按照生產(chǎn)１kg的H2排放12kg的ＣＯ２計(jì)，碳排放交易對(duì)天然氣制氫經(jīng)濟(jì)性的影響見表６。由表６可知：當(dāng)天然氣價(jià)格為1.88元/ｍ３時(shí)，加上碳稅后的制氫成本為16.5元/ｋｇ（燃料電池級(jí)氫氣）；當(dāng)天然氣價(jià)格為2.63元/ｍ３時(shí)，加上碳稅后的制氫成本為21.0元/ｋｇ（燃料電池級(jí)氫氣）；當(dāng)天然氣價(jià)格為3.73元/ｍ３時(shí)，制氫成本為27.6元/ｋｇ（燃料電池級(jí)氫氣）。

與分布式甲醇制氫類似，未來天然氣制氫生產(chǎn)成本降幅有限。到2025年，預(yù)測(cè)裝備投資降低至600～800萬元，假設(shè)天然氣原料價(jià)格為2.63元/ｍ３，則制氫成本約為19.6元/kg（燃料電池級(jí)氫氣）?？紤]到碳稅的上漲，預(yù)計(jì)天然氣制氫價(jià)格約為20.8元/kg（燃料電池級(jí)氫氣）。

分布式電解水制氫

目前商業(yè)化的電解水制氫技術(shù)主要有堿性電解水制氫和質(zhì)子交換膜（PEM）電解水制氫兩類。技術(shù)分析在文獻(xiàn)中已有介紹，這里不再贅述。2.5ＭＷ級(jí)分布式堿性電解水制氫裝置的經(jīng)濟(jì)性分析如表７所示。在此不考慮土地、土建、設(shè)備安裝費(fèi)等費(fèi)用。

由表７可以看出，電價(jià)是影響制氫成本的關(guān)鍵因素，占比超過80％以上。當(dāng)電價(jià)為0.3元/（ｋＷ·ｈ）時(shí)，堿性電解水制氫的成本是20.84元/ｋｇ。堿性電解水制氫技術(shù)發(fā)展歷史悠久，技術(shù)相對(duì)比較成熟，市場(chǎng)占有率絕對(duì)領(lǐng)先。并且和國(guó)外的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，我國(guó)技術(shù)水平相當(dāng)甚至在部分指標(biāo)上領(lǐng)先。綜上，堿性電解水制氫設(shè)備的成本下降空間有限。預(yù)測(cè)至2025年，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和機(jī)加工水平的提高（目前堿性電解槽主要依靠人工組裝，發(fā)展趨勢(shì)必然是機(jī)械組裝），制氫設(shè)備制造成本有望下降約20％。

當(dāng)前及2025年不同綜合電價(jià)制氫成本如表８所示，由于制氫設(shè)備的成本相較于運(yùn)營(yíng)成本占比很小，同等電價(jià)下2025年的制氫成本與當(dāng)前相比下降較小。

對(duì)于PEM電解水制氫，經(jīng)濟(jì)性分析如表９所示。設(shè)備利用率是影響成本的一個(gè)因素，為了方便與堿水制氫比較，統(tǒng)一按照年開工時(shí)間8000ｈ計(jì)算。從表９可以看出，2.5ＭＷ的PEM電解水制氫設(shè)備初始投資較高，是堿性電解水制氫設(shè)備的5倍，因此當(dāng)電價(jià)為0.3元/（ｋＷ·ｈ）時(shí)，PEM電解水制氫的成本是23.91元/ｋｇ，較堿性電解水制氫成本高3.07元/ｋｇ。目前PEM電解水制氫設(shè)備的部分關(guān)鍵材料和組件需要從國(guó)外進(jìn)口，比如催化劑、質(zhì)子交換膜。

PEM電解水制氫設(shè)備成本的60％～70％集中在電解槽，而電解槽的制造成本中催化劑占比最高，因此PEM制氫設(shè)備成本的降低主要依靠提高各個(gè)組件的國(guó)產(chǎn)化率和降低貴金屬的擔(dān)載量。預(yù)測(cè)到2025年，隨著PEM電解設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，加上技術(shù)的進(jìn)步，制造成本有望下降30％以上，當(dāng)前及2025年不同綜合電價(jià)下的制氫成本如表10所示。

作為新一代電解水制氫技術(shù)，PEM電解水制氫與堿性電解水制氫相比，雖然初始投資高，但設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積低于堿性電解水制氫設(shè)備，對(duì)于土地面積緊缺的特殊場(chǎng)景如加氫站更有優(yōu)勢(shì)。此外，PEM電解水制氫設(shè)備產(chǎn)生的氫氣出氫壓力可達(dá)到3.0ＭＰａ，而堿性電解水制氫設(shè)備的出氫壓力一般為0.8～1.0ＭＰａ；PEM電解水制氫設(shè)備對(duì)電力變化秒級(jí)快速響應(yīng)，非常適用于不穩(wěn)定的可再生能源，設(shè)備冷啟動(dòng)僅需要20～30ｍｉｎ，堿性電解水制氫設(shè)備在運(yùn)行過程中需要穩(wěn)定的電力輸入，設(shè)備冷啟動(dòng)需要2～3ｈ；PEM制氫裝置電解效率高，用工數(shù)少等。因此，預(yù)測(cè)PEM電解水制氫在小規(guī)模分布式制氫領(lǐng)域具有更好的應(yīng)用前景。

分布式氨分解制氫

與甲醇類似，氨同樣可以作為液態(tài)氫載體。氨作為儲(chǔ)氫載體的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：①氨氣在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的液化溫度為－33℃，易于運(yùn)輸；②液氨儲(chǔ)氫量為17.6％，高于甲醇；③已有成熟的合成氨工業(yè)；④高溫氨分解制氫技術(shù)成熟。美國(guó)、日本、澳大利亞等國(guó)均已積極布局“氨經(jīng)濟(jì)”，在“碳中和”愿景下，通過“氫－氨－氫”這一流程完成“綠氫”運(yùn)輸。例如，日本多家研究單位和企業(yè)組成氨氫站團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開發(fā)了氨分解/高純氫供應(yīng)系統(tǒng)，可制造FCV氫燃料；國(guó)內(nèi)科研院所正在開展綠色合成氨、低溫氨分解制氫示范項(xiàng)目。氨分解制氫工藝流程比較簡(jiǎn)單，裝置主要包括液氨儲(chǔ)罐、汽化器、氨分解反應(yīng)器、產(chǎn)物冷卻及PSA分離等單元。

目前一般采用Ｎｉ或Ｆｅ基催化劑，操作溫度為750～800℃，反應(yīng)壓力約為0.5ＭＰａ，轉(zhuǎn)化率可達(dá)99.9％以上。福州大學(xué)和石科院正在開發(fā)低溫稀貴金屬催化劑，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)500℃以下運(yùn)行。作為生產(chǎn)硝酸、化肥、炸藥的重要原料，液氨現(xiàn)階段價(jià)格在4000元/ｔ以上，近3年價(jià)格波動(dòng)較大，均價(jià)大約為3200元/ｔ，以此均價(jià)為基礎(chǔ)估算１ｔ/ｄ分布式氨分解制氫的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果如表１１所示。當(dāng)液氨價(jià)格為3200元/ｔ時(shí)，分布式氨分解制氫的成本價(jià)為27.1元/ｋｇ（燃料電池級(jí)氫氣）。氨分解制氫成本與氨價(jià)格呈線性關(guān)系，液氨成本占總成本的75％以上。

分布式氨分解制氫具有制備的氫氣純度高、無碳排放、制氫設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單、操作較為方便、制氫設(shè)備投資較低等優(yōu)勢(shì)，但是當(dāng)前階段仍存在以下挑戰(zhàn)：①受制于原料液氨的價(jià)格，制氫成本高于甲醇制氫；②主流商用技術(shù)氨分解溫度較高（采用電爐加熱至800℃左右）；③液氨儲(chǔ)存、分解制氫行政審批手續(xù)較為復(fù)雜；④整體占地面積大［液氫儲(chǔ)罐液氨儲(chǔ)罐超過10ｔ是重大危險(xiǎn)源，需專門設(shè)計(jì)安全儀表系統(tǒng)（SIS）系統(tǒng)，并保持較大安全間距］。

結(jié)　論

分布式甲醇制氫的生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)單，反應(yīng)溫度較低，并且便于撬裝化及小型化，雖然碳排放最高，難以滿足低碳?xì)涞呐欧乓?，但其作為氫能起步階段的低成本制氫方式更具有現(xiàn)實(shí)意義；天然氣制氫同樣技術(shù)相對(duì)成熟，原料獲取方便，滿足低碳?xì)渑欧乓?，但是工藝流程比甲醇制氫?fù)雜，反應(yīng)溫度更高，制氫成本受天然氣價(jià)格的影響波動(dòng)較大；分布式堿性電解水制氫技術(shù)發(fā)展歷史悠久，可靠穩(wěn)定，市場(chǎng)占有率最高，電價(jià)是影響制氫成本的關(guān)鍵因素；而PEM電解水制氫設(shè)備投資較高，是堿性電解水制氫設(shè)備價(jià)格的５倍左右，從而導(dǎo)致同等電價(jià)下氫氣的生產(chǎn)成本高２～３元/ｋｇ（燃料電池級(jí)氫氣），但由于PEM電解水制氫具有啟停方便、占地面積小、對(duì)電力變化響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，隨著技術(shù)水平的進(jìn)步和設(shè)備制造成本的降低，未來具有更好的應(yīng)用前景；分布式氨分解制氫的高溫分解制氫技術(shù)比較成熟，設(shè)備投資低、制備的氫氣純度高、無碳排放，是一種清潔氫生產(chǎn)技術(shù)，但受制于較高的液氨價(jià)格，制氫成本高于甲醇制氫，未來需致力于開發(fā)低溫高效催化劑，并改善工藝系統(tǒng)。