中国制氢行业发展现状分析报告.docx
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中国制氢行业发展现状分析报告
2019年深度行业分析研究报告
图表目录
图表1氢的燃烧热值据所有化工燃料榜首4
图表2氢燃料电池的综合热效率最高且CO2排放量少5
图表3几种制氢方式对比5
图表4天然气制氢占我国制氢来源的48%6
图表5中国氢气供给结构预测6
图表6氢气原材料成本占氢气售价的50%7
图表7电解水制氢过程8
图表8三种电解池性能对比8
图表9我国工业电价据世界第八9
图表10西北地区省份大工业电价偏低10
图表11西北、华北地区弃风电量超过全国的83%10
图表122018年各省份弃风弃电量（亿千瓦时）11
图表132018年各省份弃风弃电率（%）11
图表14目前光伏系统发电度电成本0.5930元/kWh，已低于大工业平均电价11
图表15风电度电成本0.3556元/kWh12
图表16电解水制氢成本测算12
图表17制氢成本与用电价格对应表13
图表18三种天然气制氢方法的比较13
图表19甲烷水蒸气重整示意图14
图表20甲烷水蒸气重整制氢工艺流程14
图表212017年各省份天然气产量15
图表222017年各省份天然气产量分布图15
图表23各省天然气基本门站价格表（元/m3）15
图表24天然气制氢成本测算15
图表25制氢成本与天然气价格对应表16
图表26三种煤制氢方法的比较16
图表27煤气化制氢工艺流程简图17
图表282018年上半年内蒙古和山西原煤产量远高于其他省份18
图表29内蒙古和山西动力煤价格偏低18
图表30煤气化制氢成本测算19
图表31氯碱制氢工艺简化流程20
图表32中国丙烷进口量增长迅速20
1.氢能：
未来动力系统的替代能源
1.1三大优势支持氢能发展
与传统化工燃料汽油、柴油相比，氢能具有三大优势。
一是较高的含能特性。
除核燃料外，氢的燃烧热值据所有化工燃料榜首，燃烧1kg氢可放出12MJ（28.6Mcal）的热量，约为汽油的三倍。
二是较高的能源转化效率。
氢能可以通过燃料电池直接转变为电，过程中的废热可以进一步利用，其效率可达到83%。
氢气燃烧不仅热值高，而且火焰传播速度快，点火能量低，所以氢能汽车比汽油汽车总的燃料利用效率可高20%。
三是碳的零排放。
与化石能源的利用相比，氢燃料电池在产生电能的过程中不会产生碳排放，可以实现良性循环。
图表1氢的燃烧热值据所有化工燃料榜首
160
142
140
120
100
80
56
6048
403327
20
20
0
氢气天然气汽油煤乙醇甲醇
资料来源：
前瞻产业研究院、
以汽油内燃机的综合热效率和CO2排放量为基准来对比。
氢燃料电池的综合热效率最高，同时CO2排放量少，是替代石油供给车辆动力的最佳燃料。
综合热效率综合CO2排出量
1.2四种制氢方式各存优劣，天然气制氢是主要来源
目前以四类制氢方式为主：
化石燃料制氢、工业副产物制氢、电解水制氢、生物质及其他制氢方式。
虽然制氢方法多样，但各存优劣。
天然气制氢虽然适用范围广，但是原料利用率低，工艺复杂，操作难度高，并且生成物中的二氧化碳等温室气体使之环保性降低。
工业尾气制氢利用工业产品副产物，成本较低。
但是以焦炉气制氢为例，不仅受制于原料的供应，建设地点需依靠焦化企业，而且原料具有污染性。
电解水制氢产品纯度高、无污染，但是高成本了限制其推广。
光解水与生物质制氢技术尚未成熟，实现商业化还需一定的时间。
从制氢成本方面看，煤制氢和天然气制氢成本相对更低。
就目前四类制氢方式来说，天然气制氢经济性最显著。
图表3几种制氢方式对比
制氢方式
优点
缺点
能源效率
氢气价格
（美元/kg）
氢气成本
（元/NM3）
化石燃料制氢
天然气
制氢
产量高，成本低
排放温室气体
83
0.75
0.6-1.2
煤制氢
产量高，成本低，
商业化技术成熟
排放温室气体
63
0.92
1-1.2
工业
副产物制氢
焦炉气
制氢
利用副产物，成本
低
焦炉气具有污染性，建
设地点受制于原料供应
-
-
1.2
氯碱制
氢
产品纯度高，原料
丰富
建设地点受制于原料供
应
-
-
1.3-1.5
电解水制氢
环保，产品纯度高
耗电量大，成本高
45-55
1.95
3-5
光解水制氢
无污染、零排放
技术不成熟，转化率低
10-14
4.98
-
生物质制氢
环保，产量高
技术不成熟，产品纯度
低
40-50
1.21-2.42
-
资料来源：
网络资料整理、
目前，天然气制氢仍是我国最主要的制氢来源，占总制氢量的48%。
醇类重整制氢及煤制氢也占有相当大的比重，来自电解水的制氢量最低，仅为4%。
图表4天然气制氢占我国制氢来源的48%
4%
18%天然气
醇类
48%
焦炉煤气
电解水
30%
资料来源：
中国氢能源网、
1.3未来供氢主体以电解水制氢为主
可再生能源电解水制氢将上升为未来供氢主体。
在氢能市场发展初期（2020-2025年），化石燃料制氢与工业副产物制氢凭借较低的成本占据制氢结构的主体地位，随着化石燃料产量下降，这两种方式占比逐渐下降；到氢能市场发展中期（2030年左右）煤制氢配合CCS（碳捕获）技术、工业副产物、可再生能源电解水制氢将成为有效供氢主体，同时开发生物质制氢等其他技术；在氢能市场发展远期（2050年左右），我国将形成以可再生能源为主体、煤制氢+CCS与生物质制氢为补充的多元供氢格局。
图表5中国氢气供给结构预测
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
2020203020402050
化石能源制氢工业副产氢可再生能源电解制氢生物制氢等其他技术
资料来源：
2019中国氢能源及燃料电池产业白皮书、
1.4氢气与汽油成本平衡性分析
氢气成本占加氢站氢气售价的70%。
制约氢能推广的一个主要原因是氢气相比汽油等传统能源更高的价格。
加氢站销售的氢气价格中，包括制氢和储运氢气在内的氢气成本占70%，其中氢气原材料的价格为50%，是最重要的一部分，因此制氢环节能否降低成本是降低氢气售价的关键因素。
图表6氢气成本占氢气售价的70%
其他固定资产,8%
压缩机,氢气生产固定成
6%本,17%
储压器,氢气成本,70%氢气原材料
4%成本,50%
加氢站可变成本,2%
加氢站维护,10%
氢气生产运输可变
成本,3%
资料来源：
《天然气化工》、
2L汽油车百公里耗油为6-8升，按照7.3元/L的汽油售价，百公里燃料费用最多为58.4元。
以丰田Mirai氢燃料电池汽车为例，其百公里氢耗平均水平为1kg，意味着氢气的售价需降到58.4元/kg以下才可与汽油等同，说明氢气成本需降到29.2元/kg。
由于氢气接近理想气体，根据理想气体方程PV=nRT可估算出1Kg氢气约为11.19Nm3。
因此氢气的理想成本大约是2.6元/Nm3。
2.电解水制氢：
降成本主要依靠电价，低成本电力来自光伏和风电
电解水制氢气是通过电能给水提供能量，破坏水分子的氢氧键来制取氢气的方法。
其工艺过程简单、无污染，制取效率一般在75%-85%，每立方米氢气电耗为4-5kW·h。
由于电费占整个水电解制氢生产费用的80%左右，导致其竞争力并不高。
因此水电解制氢成本的关键在于耗能问题。
由此引出两条降成本的途径：
一是降低电解过程中的能耗，二是采用低成本电力为制氢原料。
图表7电解水制氢过程
资料来源：
《氢气生产及热化学利用》、
2.1降成本路径之一：
降低过程能耗，提高电解效率
碱性水解技术最为成熟但效率低，高效率的PEM与SOEC技术待推广。
目前主流的电解水制氢技术有三种类型：
包括碱性电解水制氢、质子交换膜电解水（PEM）制氢和固态氧化物电解水（SOEC）制氢，其中碱性电解水制氢是最为成熟、产业化程度最广的制氢技术，但其电解效率仅为60-75%，国外研发的PEM技术与SOEC技术均能有效提高电解效率，尤其是PEM技术已引入国内市场。
图表8三种电解池性能对比
电解池类型
碱水电解池
固体氧化物电解池
（SOEC）
质子交换膜电解池
（PEM）
电解质
20-30%KOH
Y2O3/ZrO2
PEM（常用Nafion）
工作温度℃
70-90
700-1000
70-80
电流密度A/cm2
1~2
1~10
0.2~0.4
电解效率
60-75%
85-100%
70-90%
能耗Kwh/Nm3
4.5-5.5
2.6-3.6
3.8-5.0
操作特征
启停较快
启停不便
启停快
动态响应能力
较强
强
电能质量需求
稳定电源
稳定电源
稳定或波动
系统运维
有腐蚀液体，后期运维
复杂，成本高
目前已技术研究为主，
尚无运维需求
无腐蚀性液体，运维简
单，成本低
电堆寿命
可达到120000h
-
已达到100000h
技术成熟度
商业化
实验室研发
国外已商业化，国内处
于研发走向工业化前期阶段
有无污染
碱液污染，石棉致癌
无污染
清洁无污染
电解槽成本
美元/kW
400-600
1000-1500
约2000
特点
最为成熟，商业化程度最高，成本低
部分电能被热能取代，转化效率高，高温限制
可再生能源适应性，无污染，成本高（质子交
材料选择，尚未实现产
业化
换膜和铂电极催化），
产业化程度低
国外代表企业
法国Mcphy公司、美
国Teledyne公司、挪威Nel公司
-
Proton公司、
Hydrogenics公司
国内代表企业
苏州竞立制氢、天津大陆制氢、中船重工718所
-
中船重工718所、中电
丰业、中科院大连化物所、安思卓、山东赛克赛斯氢能、中国航天科技集团公司507所
资料来源：
《氢气生产及热化学利用》、高工锂电、
2.2降成本路径之二：
以低成本电价为制氢原料
2.2.1我国大工业电价低于世界平均水平，国内西北地区电价最低
与其他国家相比，我国工业电价位于中低水平。
根据2016年统计数据，我国工业电价平均为0.107美元/千瓦时，居世界第八，仅为第一名的三分之一。
相对较低的电价为我国发展电解水制氢提供了有利条件。
图表9我国工业电价据世界第八
0.350.328
0.3
0.25
0.20.1880.179
0.157
0.150.1310.1260.122
0.1070.101
0.10.07
0.05
0
意大利日本德国英国土耳其法国墨西哥中国韩国美国
电价（美元/千瓦时）
资料来源：
网络资料、
西北地区大工业电价偏低。
分省份来看，波谷、波峰电价在全国排名第一的分别是河北省和安徽省，青海省无论是波峰还是波谷电价均为最低，全国波谷电价平均为0.33元/千瓦时，波峰电价平均为0.90元
/千瓦时。
西南地区、西北地区的大工业用电价格普遍在全国平均线以下，对于发展电解水制氢节约能耗更为有利。
图表10西北地区省份大工业电价偏低
资料来源：
wind、
2.2.2西北地区弃风弃电可用于电解水制氢
我国弃风弃电问题突出，利好电解水制氢。
近年来，新能源的持续快速发展已经远远超过电网承载能力，新能源消耗矛盾十分突出。
弃风、弃水电量呈逐年增加趋势。
我国目前正大力推进可再生能源，由大量弃风、弃水产生的弃电是发展电解水制氢的有利条件。
西北地区弃风弃电量居首位。
随着我国可再生能源装机量逐年增长，每年可再生能源弃电量惊人。
2018年我国全国弃风弃电量277亿千瓦时，其中西北地区为166.9亿千瓦时，占全国的60.25%，其次是华北地区（占全国33.68%），东北地区占少量份额（全国5.45%）。
如果按照每立方氢气耗电5千瓦时来计算，全国弃风电量可生产55.4亿立方高纯度氢气。
图表11西北、华北地区弃风电量超过全国的83%
华北地区东北地区西北地区华南地区
资料来源：
wind、
2018年弃风弃电率排名前三的省份分别为新疆、内蒙古和甘肃，全国平均弃风弃电率为7%，这三个省份均超过了10%。
由于可再生资源丰富，西北省份也是电价最低的地区。
图表122018年各省份弃风弃电量（亿千瓦时）
图表132018年各省份弃风弃电率（%）
120106.9
100
8072.4
6054
40
2015.57.7
5.84.432.41.6
0
25.0022.90
20.0019.00
15.00
10.30
10.006.80
5.204.40
5.002.301.40
1.101.00
0.00
资料来源：
wind，
资料来源：
wind、
2.2.3长期来看，低成本电力主要来自光伏和风电
虽然我国每年产生大量的弃风弃电，但由于弃风弃电产生的电压不稳定、难以大规模推广等原因，其终究不是解决电解水制氢成本问题的最优选择。
长期来看，光伏和风电是电解水制氢企业获得低成本电力的主要来源。
全国大工业电价的均价为0.61元/kWh。
以光伏系统投资成本5元/W，全国平均年有效利用小时1150小时计算，目前光伏系统发电成本0.5930元/kWh，已经低于大工业电价。
受益于PERC、双面等技术的应用推广，光伏系统投资不断降低，预计2019年将低至4元/W，部分地项目可以达到3.5-3.6元/W的水平。
当光伏系统投资为4元/W时，对应度电成本为0.5121元/kWh。
2019年4月，国家发改委下发《关于完善光伏发电上网电价机制有关问题的通知》，将标杆上网电价改为指导价，并确定I-III类资源区新增光伏发电站指导价分别为每千瓦时0.40元、0.45元、0.55元，进一步推行光伏行业平价上网。
图表14目前光伏系统发电度电成本0.5930元/kWh，已低于大工业平均电价
利用小时
（h/年）投资成本
（元/w）
950
1000
1050
1100
1150
1200
1250
1300
1350
1400
1450
1500
3.5
0.5709
0.5424
0.5166
0.4931
0.4716
0.4520
0.4339
0.4172
0.4018
0.3874
0.3741
0.3616
4
0.6199
0.5889
0.5608
0.5354
0.5121
0.4907
0.4711
0.4530
0.4362
0.4206
0.4061
0.3926
4.5
0.6688
0.6354
0.6051
0.5776
0.5525
0.5295
0.5083
0.4888
0.4707
0.4539
0.4382
0.4236
5
0.7178
0.6819
0.6494
0.6199
0.5930
0.5683
0.5455
0.5245
0.5051
0.4871
0.4703
0.4546
5.5
0.7668
0.7284
0.6937
0.6622
0.6334
0.6070
0.5827
0.5603
0.5396
0.5203
0.5024
0.4856
6
0.8157
0.7749
0.7380
0.7045
0.6739
0.6458
0.6199
0.5961
0.5740
0.5535
0.5344
0.5166
6.5
0.8647
0.8214
0.7823
0.7468
0.7143
0.6845
0.6572
0.6319
0.6085
0.5867
0.5665
0.5476
7
0.9136
0.8680
0.8266
0.7890
0.7547
0.7233
0.6944
0.6677
0.6429
0.6200
0.5986
0.5786
7.5
0.9626
0.9145
0.8709
0.8313
0.7952
0.7621
0.7316
0.7034
0.6774
0.6532
0.6307
0.6096
资料来源：
wind、
2018年全国风电平均利用小时数2095小时，考虑到7%的弃风率，实际平均利用小时数1948小时，
以7500元/kW投资成本测算，目前全国风电度电成本约为0.3656元/kWh，低于光伏发电度电成本。
图表15风电度电成本0.3556元/kWh
利用小时
（h/年）投资成本
（元/kw）
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
8400
0.5108
0.4541
0.4087
0.3715
0.3405
0.3143
0.2919
0.2724
8200
0.4989
0.4434
0.3991
0.3628
0.3326
0.3070
0.2851
0.2661
8000
0.4869
0.4328
0.3895
0.3541
0.3246
0.2996
0.2782
0.2597
7800
0.4749
0.4222
0.3799
0.3454
0.3166
0.2923
0.2714
0.2533
7600
0.4630
0.4115
0.3704
0.3367
0.3086
0.2849
0.2645
0.2469
7500
0.4570
0.4062
0.3656
0.3323
0.3047
0.2812
0.2611
0.2437
7400
0.4510
0.4009
0.3608
0.3280
0.3007
0.2775
0.2577
0.2405
7200
0.4390
0.3903
0.3512
0.3193
0.2927
0.2702
0.2509
0.2342
7000
0.4271
0.3796
0.3417
0.3106
0.2847
0.2628
0.2440
0.2278
6800
0.4151
0.3690
0.3321
0.3019
0.2767
0.2554
0.2372
0.2214
6600
0.4031
0.3583
0.3225
0.2932
0.2688
0.2481
0.2304
0.2150
单位：
元/kWh，关键假设：
折旧年限20年，折现率5.88%，维修费+保险费1.1%/年，人工8万元/10MW*年，所得税率
15.00%，残值率5.00%，资本金比例20%，贷款年限15年，贷款利率6.125%
资料来源：
wind、
2.3电解水制氢成本测算
项目
数值（万元）
基本假设
初始投资
设备成本
1200
设备安装费用
48
取设备价格的4%
土建工程
162
总投资
1410
成本估算
用电费用
2700
按照1Nm3氢气消耗4.5kW·h电
力计算，电价取2018年各省波峰波谷价格平均值0.6元/kW·h
用水费用
3.2
按照1Nm3氢气消耗0.8吨水计
算，水费取4元/吨
设备及土建折旧
132.9
设备按10年折旧，土建按20年
折旧，采用直线折旧法
维修费
24.9
取设备成本与安装费用的2%
人工及管理费
60
按5个工作人员计算
财务费用
33
按总投资70%贷款，年利率为
6%，等额本息法10年还贷估算
合计
2954
对应每标方氢气成本（元/Nm3）
2.95
对应每标方氢气售价（元/Nm3）
3.69
假设毛利率为20%
为测算电解水制氢的成本，假定制氢规模1000Nm3/h，年产氢100万Nm3。
测算过程及假设如下表：
图表16电解水制氢成本测算
资料来源：
《天然气制氢、甲醇制氢与水电解制氢的经济性对比探讨》、测算
据测算，水电解制氢设备、安装、土建及其他总投资1410万元，每年用电等费用为2700万元，每
年成本合计2954万元，对应氢气成本3.69元/Nm3。
现分别计算不同制氢成本情况下，对应的用电价格，如下表所示。
图表17制氢成本与用电价格对应表
氢气成本（元/Nm3）
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
用电价格（元/kW·h）
0.17
0.26
0.37
0.48
0.59
0.71
0.82
0.93
1.04
资料来源：
测算
氢气成本与用电价格成正比关系，如果要求氢气成本低于2.6元/Nm3，则用电价格要低于0.50元
/kW·h。
3.天然气制氢：
中西部地区天然气资源丰富，可降低制氢成本
3.1天然气制氢方法中甲烷水蒸气重整最为成熟
天然气的主要成分是甲烷（体积含量大于85%），因此一般说的天然气制氢就是甲烷制氢。
甲烷制氢方法主要有甲烷水蒸气制氢（SMR），甲烷部分氧化（POX）和甲烷自热重整（ATR）。
其中甲烷水蒸气重整（SMR）是工业上最为成熟的制氢技术，约占世界制氢量的70%，因此本文重点针对此方法进行降成本测算。
图表18三种天然气制氢方法的比较
制氢技术
优点
缺点
甲烷水蒸气重整
应用最为广泛；无需氧气；反应
温度最低；对于制氢而言，有最佳的H2/CO比例
通常需要过多蒸汽；设备投资多；能量需求高
自热重整
需要低能量；比部分氧化过程的
温度低；H2/CO比例很容易受到
CH4/O2比例的调整
商业应用有限；通常需要氧气
部分氧化
给料直接脱硫不需要蒸汽；较低
的H2/CO比例，常用于比例小于
20的场景
不适用于H2/CO需求比例大于
20的场景；操作过程所需温度高；通常需要氧气
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