氫能市場前景廣闊，電解水制氫是未來發展重點，當期制氫方式主要有四種：化石燃料制氫、工業副產物制氫、電解水制氫、生物質制氫及其他。其中化石燃料制氫與工業副產物制氫憑借較低的成本占據制氫結構的主體地位，然而隨著化石燃料產量下降、可持續發展理念的深化，氫能俱樂部氫能市場在遠期（2050 年左右）將形成以可再生能源為主體、煤制氫+CCS（碳捕獲）與生物質制氫為補充的多元供氫格局。為測算與汽油價格相比具有競爭力的氫氣售價，本文將氫氣的理想成本定為 2.6 元/ Nm3。

電解水成本偏高，降成本主要依賴電價

由于電費占整個水電解制氫生產費用的 80%左右，因此水電解制氫成本的關鍵在于耗能問題。存在兩條降成本途徑：一是降低電解過程中的能耗，可通過開發 PEM（質子交換膜電解） 及 SOEC（固體氧化物電解） 技術來實現；二是采用低成本電力為制氫原料，關鍵在于依靠光伏和風電的發展。以大工業電價均價 0.61 元/ kW·h 計算，當前電解水制氫的成本為 3.69 元/Nm3。當用電價格低于 0.50 元/kW·h 時，電解水制備的氫氣成本才可與汽油相當。光伏系統發電成本 0.5930 元/kWh，風電度電成本約為 0.3656 元/kWh，且在未來仍有一定的下降空間。

日本福島縣太陽能制氫項目（全球最大的光伏制氫項目）

天然氣制氫是目前主要制氫方式，降成本應關注天然氣價格

天然氣制氫中的甲烷水蒸氣重整（SMR）是工業上最為成熟的制氫技術，約占世界制氫量的 70%（IEA數據）。我國天然氣價格受資源稟賦影響，天然氣資源主要分布集中的中西盆地也是價格最低的地區。尤其是新疆、青海等地區天然氣基本門站價格低至 1.2 元/千立方米左右。據測算，當天然氣價格為 2 元/Nm3 時，測算出制氫成本為 1.35 元/Nm3，相比電解水制氫具有明顯的成本優勢。

 天津石化10萬標立/時天然氣制氫裝置

煤制氫成本最低，降成本空間較小

我國煤炭資源主要的格局是西多東少、北富南貧。內蒙古、山西原煤產量領先，煤價也相對偏低。當煤炭價格為 600 元時，大規模煤氣化生產氫氣的成本為 1.1 元/ Nm3。如果在煤資源豐富的地區，當煤炭價格降低至 200 元 /噸時，制氫氣的成本可能降低為 0.34 元/ Nm3。但由于煤炭價格下降空間有限，且煤氣化制氫企業已形成較大規模，未來煤制氫降成本空間較小。

茂名石化投建的國內單產能力最大的煤制氫裝置

氫能：未來動力系統的替代能源

三大優勢支持氫能發展

與傳統化工燃料汽油、柴油相比，氫能具有三大優勢。

一是較高的含能特性：除核燃料外，氫的燃燒熱值據所有化工燃料榜首，燃燒 1kg 氫可放出 12MJ（28.6Mcal）的熱量，約為汽油的三倍。

二是較高的能源轉化效率：氫能可以通過燃料電池直接轉變為電，過程中的廢熱可以進一步利用，其效率可達到 83%。氫氣燃燒不僅熱值高，而且火焰傳播速度快，點火能量低，所以氫能汽車比汽油汽車總的燃料利用效率可高 20%。

三是碳的零排放：與化石能源的利用相比，氫燃料電池在產生電能的過程中不會產生碳排放，可以實現良性循環。

氫的燃燒熱值居所有化工燃料榜首

資料來源：前瞻產業研究院、廣證恒生

以汽油內燃機的綜合熱效率和 CO2 排放量為基準來對比。氫燃料電池的綜合熱效率最高，同時 CO2排放量少，是替代石油供給車輛動力的最佳燃料。

氫燃料電池的綜合熱效率最高且 CO2排放量少

數據來源：《氫與氫能》、廣證恒生

四種制氫方式各存優劣，天然氣制氫是主要來源

目前以四類制氫方式為主：化石燃料制氫、工業副產物制氫、電解水制氫、生物質及其他制氫方式。雖然制氫方法多樣，但各存優劣。

1、天然氣制氫：雖然適用范圍廣，但是原料利用率低，工藝復雜，操作難度高，并且生成物中的二氧化碳等溫室氣體使之環保性降低。

2、工業尾氣制氫：利用工業產品副產物，成本較低。但是以焦爐氣制氫為例，不僅受制于原料的供應，建設地點需依靠焦化企業，而且原料具有污染性。

3、電解水制氫：產品純度高、無污染，但是高成本了限制其推廣。

4、光解水與生物質制氫：技術尚未成熟，實現商業化還需一定的時間。

從制氫成本方面看，煤制氫和天然氣制氫成本相對更低。就目前四類制氫方式來說，天然氣制氫經濟性最顯著。

幾種制氫方式對比

數據來源：網絡資料整理

目前，天然氣制氫仍是我國最主要的制氫來源，占總制氫量的 48%。醇類重整制氫及煤制氫也占有相當大的比重，來自電解水的制氫量最低，僅為 4%。

資料來源：中國氫能源網、廣證恒生

未來供氫主體以電解水制氫為主

可再生能源電解水制氫將上升為未來供氫主體。在氫能市場發展初期（2020-2025 年），化石燃料制氫與工業副產物制氫憑借較低的成本占據制氫結構的主體地位，隨著化石燃料產量下降，這兩種方式占比逐漸下降；

到氫能市場發展中期（2030 年左右），煤制氫配合 CCS（碳捕獲）技術、工業副產物、可再生能源電解水制氫將成為有效供氫主體，同時開發生物質制氫等其他技術；在氫能市場發展遠期（2050 年左右），我國將形成以可再生能源為主體、煤制氫+CCS 與生物質制氫為補充的多元供氫格局。

中國氫氣供給結構預測

數據來源：2019 中國氫能源及燃料電池產業白皮書、廣證恒生

氫氣與汽油成本平衡性分析

氫氣成本占加氫站氫氣售價的 70%。制約氫能推廣的一個主要原因是氫氣相比汽油等傳統能源更高的價格。加氫站銷售的氫氣價格中，包括制氫和儲運氫氣在內的氫氣成本占 70%，其中氫氣原材料的價格為50%，是最重要的一部分，因此制氫環節能否降低成本是降低氫氣售價的關鍵因素。

氫氣成本占氫氣售價的 70%

資料來源：《天然氣化工》、廣證恒生

2L 汽油車百公里耗油為 6-8 升，按照 7.3 元/L 的汽油售價，百公里燃料費用最多為 58.4 元。以豐田Mirai 氫燃料電池汽車為例，其百公里氫耗平均水平為 1kg，意味著氫氣的售價需降到 58.4 元/kg 以下才可與汽油等同，說明氫氣成本需降到 29.2 元/kg。由于氫氣接近理想氣體，根據理想氣體方程 PV=nRT 可估算出 1Kg 氫氣約為 11.19Nm3。因此氫氣的理想成本大約是 2.6 元/ Nm3。

一、電解水制氫

電解水制氫是通過電能給水提供能量，破壞水分子的氫氧鍵來制取氫氣的方法。其工藝過程簡單、無污染，制取效率一般在 75%-85%，每立方米氫氣電耗為 4-5 kW·h。由于電費占整個水電解制氫生產費用的 80%左右，導致其競爭力并不高。更多干貨請關注微信公眾號：氫能俱樂部。因此水電解制氫成本的關鍵在于耗能問題。由此引出兩條降成本的途徑：一是降低電解過程中的能耗，二是采用低成本電力為制氫原料。

電解水制氫過程

降本路徑一：降低過程能耗，提高電解效率

目前主流的電解水制氫技術有三種類型：包括堿性電解水制氫、質子交換膜電解水(PEM)制氫和固態氧化物電解水(SOEC)制氫，其中堿性電解水制氫是最為成熟、產業化程度最廣的制氫技術，但其電解效率僅為 60-75%，國外研發的 PEM技術與 SOEC 技術均能有效提高電解效率，尤其是 PEM 技術已引入國內市場。

三種電解池性能對比

資料來源：《氫氣生產及熱化學利用》、高工鋰電、廣證恒生

降本路徑二：以低成本電價為制氫原料

① 我國大工業電價低于世界平均水平，國內西北地區電價最低
與其他國家相比，我國工業電價位于中低水平。根據 2016 年統計數據，我國工業電價平均為 0.107 美 元/千瓦時，居世界第八，僅為第一名的三分之一。相對較低的電價為我國發展電解水制氫提供了有利條件。

各國工業電價

西北地區大工業電價偏低。分省份來看，波谷、波峰電價在全國排名第一的分別是河北省和安徽省，青海省無論是波峰還是波谷電價均為最低，全國波谷電價平均為 0.33 元/千瓦時，波峰電價平均為 0.90 元 /千瓦時。西南地區、西北地區的大工業用電價格普遍在全國平均線以下，對于發展電解水制氫節約能耗更為有利。

西北地區省份大工業電價偏低

② 西北地區棄風棄電可用于電解水制氫
我國棄風棄電問題突出，利好電解水制氫。近年來，新能源的持續快速發展已經遠遠超過電網承載能力，新能源消耗矛盾十分突出。棄風、棄水電量呈逐年增加趨勢。我國目前正大力推進可再生能源，由大量棄風、棄水產生的棄電是發展電解水制氫的有利條件。

各地區棄風電量比例

西北地區棄風棄電量居首位。隨著我國可再生能源裝機量逐年增長，每年可再生能源棄電量驚人。2018年我國全國棄風棄電量 277 億千瓦時，其中西北地區為 166.9 億千瓦時，占全國的 60.25%，其次是華北地區（占全國 33.68%），東北地區占少量份額（全國 5.45%）。如果按照每立方氫氣耗電 5 千瓦時來計算，全國棄風電量可生產 55.4 億立方高純度氫氣。
2018年各省棄風量（億千瓦時）

2018 年棄風棄電量排名前三的省份分別為新疆、內蒙古和甘肅，全國平均棄風棄電率為 7%，這三個省份均超過了 10%。由于可再生資源豐富，西北省份也是電價最低的地區。

③ 長期來看，低成本電力主要來自光伏和風電

雖然我國每年產生大量的棄風棄電，但由于棄風棄電產生的電壓不穩定、難以大規模推廣等原因，其終究不是解決電解水制氫成本問題的最優選擇。長期來看，光伏和風電是電解水制氫企業獲得低成本電力的主要來源。

電解水制氫成本測算

為測算電解水制氫的成本，假定制氫規模 1000 Nm3/h，年產氫 100 萬 Nm3。測算過程及假設如下表：

資料來源：《天然氣制氫、甲醇制氫與水電解制氫的經濟性對比探討》、廣證恒生

據測算，水電解制氫設備、安裝、土建及其他總投資 1410 萬元，每年用電等費用為 2700 萬元，每年成本合計 2954 萬元，對應氫氣成本 3.69 元/Nm3?，F分別計算不同制氫成本情況下，對應的用電價格，如下表所示。

資料來源：廣證恒生

測算氫氣成本與用電價格成正比關系，如果要求氫氣成本低于 2.6 元/Nm3，則用電價格要低于 0.50 元/kW·h。

二、天然氣制氫

天然氣制氫方法中甲烷水蒸氣重整最為成熟

天然氣的主要成分是甲烷（體積含量大于 85%），因此一般說的天然氣制氫就是甲烷制氫。甲烷制氫方法主要有甲烷水蒸氣制氫（SMR），甲烷部分氧化（POX）和甲烷自熱重整（ATR）。其中甲烷水蒸氣重整（SMR）是工業上最為成熟的制氫技術，約占世界制氫量的 70%，因此本文重點針對此方法進行降成本測算。

資料來源：《氫與氫能》、廣證恒生

甲烷水蒸氣重整是指在催化劑存在及高溫條件下，使甲烷與水蒸氣發生反應生成合成氣。為防止催化劑中毒，原料天然氣需進行脫硫預處理至硫的質量分數小于 1×10-7，然后經過重整反應制備合成氣，再經過水煤氣變換反應將 CO 進一步轉化為氫氣和 CO2，最后將 CO2 通過變壓吸附（PSA）脫除得到氫氣。

 甲烷水蒸氣重整示意圖

資料來源：《從碳到氫能源：昨天、今天、明天》、廣證恒生
甲烷水蒸氣重整制氫工藝流程

降成本應從天然氣價格入手，中西部地區具備價格優勢

對于天然氣制氫來說，天然氣成本是占比最大的部分，約占生產成本的 45-75%（IEA）。因此其降成本策略應首先關注天然氣價格。

我國天然氣資源主要分布在中西盆地。受地質條件影響，地下天然氣通常呈聚集區分布，我國天然氣探明儲量的 80 %以上分布在鄂爾多斯、四川、塔里木、柴達木和鶯—瓊五大盆地。從 2017 年天然氣產量分布數據來看，陜西、四川、新疆三個省份的天然氣產量占全國的 73%，天然氣氣源分布十分集中。

22017年各省份天然氣產量

沿海地區天然氣價格偏高，西北地區價格最低。天然氣價格很大程度上受資源稟賦的影響，天然氣資源豐富的地區，價格相應偏低。非居民天然氣價格目前正在逐步市場化。2019 年 3 月 27 日，國家發改委宣布調整各省天然氣基本門站價格，經價格調整后，上海、廣東、浙江等東南沿海地區天然氣價格普遍高于平均價 1.68 元/千立方米，新疆、青海等西北地區價格則低至 1.2 元/千立方米左右。

各省天然氣基本門站價格表（元/m3）

資料來源：國家發改委、廣證恒生

天然氣重整制氫成本測算

假定制氫規模 1000 Nm3/h，年產氫 100 萬 Nm3。測算過程及假設如下：

天然氣制氫成本測算

資料來源：《天然氣制氫、甲醇制氫與水電解制氫的經濟性對比探討》、廣證恒生

天然氣制氫設備、安裝、土建及其他總投資 1528 萬元，每年天然氣費用為 672 萬元（占總成本的62.11%），每年成本合計 1082.4 萬元，對應氫氣成本 1.35 元/Nm3?，F分別計算不同制氫成本情況下，對應的天然氣價格：

天采科技在制氫方面卓有成效，主要的制氫方式有天然氣制氫、甲醇制氫、煤制氫、沼氣制氫等，在保證低成本的同時，又要保證氫氣的高收率以及高純度，技術達世界先進水平。