​上一篇我们梳理了氢能源的整个产业链（《终极能源氢能助力碳中和，带你梳理下一个“锂电”的全产业链！》），建立了一个大的框架。

这一次我们分别从上中下游分别再来看一下氢能源的一些细分领域，这一篇主要关于氢气制取的梳理。

目前，我国现阶段主要用来制氢的方法是化石燃料制氢法。

从分布的情况来看，国内氢气制造业在东部沿海地区发展较快，内陆地区缓慢。

其中以北京市、山东省、江苏省、上海市、广东省最为集中，占全国制氢总量超60%。

01 常用的制氢方式

1.电解水制氢：

在由电极、电解质与隔膜组成的电解槽中，在电解质水溶液中通入电流，水电解后，在阴极产生氢气，在阳极产生氧气。

优点：技术成熟、产氢杂质少、电力资源丰富、制氢过程碳排放量低、环境友好。

缺点：能耗高，有能量损失、成本较高、减排效果受电力来源结构影响。

它可以利用核能、风能、水能、太阳能等可再生能源，在谷峰时制取氢气作为储备的二次清洁能源。

2.化石原料制氢：

化石原料目前主要指天然气、石油和煤，其他还有页岩气和可燃冰等。

天然气、页岩气和可燃冰的主要成分是甲烷，甲烷水蒸气重整制氢是目前采用最多的制氢技术。

优点：技术成熟、成本低、适合大规模制氢。

缺点：排放量高、气体杂质多需要提纯。

这是我国现阶段最主要的制氢方法。

3.煤气化制氢：

以煤在蒸汽条件下气化产生含氢和一氧化碳的合成气，合成气经变换和分离制得氢。

由于石油量少，现在很少用石油重整制氢。

化合物高温热分解制氢、甲醇裂解制氢、氨分解制氢等都属于含氢化合物高温热分解制氢含氢化合物由一次能源制得。

工业尾气制氢、合成氨生产尾气制氢、石油炼厂回收富氢气体制氢、氯碱厂回收副产氢制氢、焦炉煤气中氢的回收利用等。

优点：成本低、来源广泛、提纯技术成熟、回收过程碳排放量低、环境友好、适合大规模制氢。

缺点：提纯工艺相对复杂。

4.新型制氢方法：

包括生物质制氢、光化学制氢、热化学制氢等技术。

生物质制氢：指生物质通过气化和微生物催化脱氢方法制氢，在生理代谢过程中产生分子氢过程的统称。

光化学制氢：将太阳辐射能转化为氢的化学自由能，通称太阳能制氢。

热化学制氢：指在水系统中，不同温度下，经历一系列化学反应，将水分解成氢气和氧气，不消耗制氢过沉重添加的元素或化合物，可与高温核反应堆或太阳能提供的温度水平匹配。

优点：环境友好、原料丰富。

缺点：尚未实用化、转化率低、成本高。

02 灰氢

灰氢主要来源有化石能源制氢、工业副产制氢两种，具有生产成本较低、技术成熟、效率高等优点，但其制备过程中的碳排量较高，不利于实现“双碳”目标。

其中，化石能源制氢主要包括煤、天然气、甲醇制氢；

工业副产氢主要包括焦炉煤气、氯碱尾气、PDH、乙烷裂解等为主的工业副产气制氢。

1.化石能源制氢

我国煤制氢产量最大，成本最低。煤制氢是通过将煤炭与气化剂混合后在高温高压条件下进行反应生成混合气体，通过后续工艺提纯除杂后，获得高纯氢气。

2019年我国煤制氢产量达到2124万吨/年，占我国氢气总产量的64%。

煤制氢是工业大规模制氢的首选，是我国目前成本最低的制氢方式，该技术路线成熟高效、可稳定制备，但其设备结构复杂、运转周期相对较低、投资高、配套装置多，且碳排放量较高。

比起于煤制氢来说，天然气制氢是化石能源制氢的理想方式。

天然气制氢是将预处理后的天然气与水蒸气高温重整制合成气，在中温下进一步变换成氢气与二氧化碳，再经冷凝、变压吸附最终得到产品氢气。

天然气在各类化合物中氢原子质量占比最大，储氢量为25%，故以天然气为原料的制氢技术具有耗水量小、二氧化碳排放低、氢气产率高、对环境影响相对较小的优点，是化石能源制氢路线中理想的制氢方式。

2019年我国利用天然气制氢产量为460万吨/年，占我国氢气总产量14%。

甲醇制氢运输简便、即产即用，但成本较高。

甲醇制氢是甲醇和水蒸气在200℃条件下通过催化反应，生成氢气和二氧化碳的混合气体，而后经过变压吸附得到高纯度的氢气。

该工艺投资少、污染相对较小，且甲醇常温下为液体、便于储存运输，氢气可“即产即用”。

但由于甲醇制氢总体成本较高，只适合小规模制氢。

2.工业副产制氢

由于氢气在焦炭、氯碱、PDH和乙烷裂解工艺中并非首要产物，若仅考虑其原料消耗和少量制造费用，以及氢气提纯成本，测算的副产气体用于氢的综合成本为5-6元/kg，明显低于化石能源制氢。

焦炉煤气主要成分为氢气和甲烷，通过压缩工序、预处理工序、变压吸附工序和净化工序后制得氢气。

同时为使系统排放的污水能达到环保要求，一般配有一套污水处理工序。

2020年我国焦炭产量为4.71亿吨，按1吨焦炭副产400立方米焦炉煤气、回炉自用50%计算，全国焦炉煤气产量 942 亿立方米；

按照含55%左右的氢气、PSA 氢气回收率 92%估算，我国焦炉煤气可副产氢气 428.5万吨，是未来我国工业副产氢最大的供给来源。

氯碱工艺相对来说是在灰氢制造工艺中产生碳排放最少的一种方式。

氯碱工业以食盐水为原料，利用隔膜法或离子交换膜法生产烧碱、聚氯乙烯（PVC)、氯气和氢气等产品。

氯碱副产氢具有氢气提纯难度小（提纯前氢气纯度可达99%左右）、耗能低、自动化程度高等优点。

特别是使用该法获取氢气的过程中不产生二氧化碳，相对绿色无污染。

2020年我国烧碱产量3643万吨/年，按每生产1吨烧碱副产280立方米氢气测算，每年副产氢总量可达91万吨。

其中60%的氢气被配套的PVC和盐酸装置所利用，可对外供氢约36万吨。

未来我国氯碱装置新增产能有限，副产氢潜在增量有限。

PDH是制备丙烯的重要方式，2020年占比达 17%。

丙烷在催化剂条件下通过脱氢生成丙烯，其中氢气作为丙烷脱氢的副产物，可作为产品外售，从而提高装置整体盈利水平。

2020年我国已经投产的PDH装置合计产能776万吨/年，按装置平均开工率 80%、1吨PDH 副产38千克高纯氢气计算，PDH 副产氢达23.6 万吨/年。

预计未来我国PDH扩产将超过3000万吨/年，即使按3000万吨/年测算，预计将带来90万吨/年以上的副产氢潜在增量。

整体来看，在灰氢制取中，由于工业副产制氢的成本更低，因此煤制氢占比趋势有望下降，而工业副产制氢它的增量空间更大。

03 蓝氢

蓝氢是在灰氢的基础上面提炼的，简单来说，就是将灰氢通过一系列工艺处理，将其中的含碳杂质过滤，变成不含碳的氢气，目前主流使用CCS技术纯化氢气。

具体的原理比较复杂，不展开细说，但是可以看下工艺图。

蓝氢的制取比起于灰氢来说，多了一个纯化的过程，所以整体成本有所上升，但仍低于电解水制氢成本。

在不考虑碳交易价格时，两种采用 CCS 的化石能源制氢方式中，无、有CCS 天然气制氢（SMR，蒸汽甲烷重整）成本分别约为18、24元/kg，结合CCS 后成本上升约 33.3%；

无、有CCS煤制氢成本分别约为 11、20元/kg，结合CCS后成本上升约 81.8%，但仍低于电解水制氢成本。

04 绿氢

“绿氢”全称可再生能源电解水制氢，电解水制氢的原理是在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。

根据电解槽隔膜材料的不同，电解水制氢主要分为碱性电解水、质子交换膜电解水（PEM）和固体氧化物电解水（SOE）三类。

其中，碱性电解水技术已经实现工业规模化产氢，技术成熟；PEM处于产业化发展初期；SOE还处在实验室开发阶段。

预计在较长时间内，碱性电解水制氢仍是主要的电解水制氢手段。

碱性电解水制氢技术成熟，配套成本低，但耗电量高于其他技术路线；

PEM在耗电量和产氢纯度方面都占优，但由于质子交换膜等核心部件依赖进口，电解槽成本昂贵，因此总体成本比电解水制氢高40%左右。

随着核心部件国产化、技术进步及规模效应降本，根据中国电动汽车百人会的预计，2030年PEM在电解水中的市占率将达到 10%。

从成本方面来看，电解水制氢成本主要来源于电费、固定成本、设备维护和水费这四项开支。

其中，电价高是造成电解水成本高的主要原因。

电价占总成本的85.3%，而电价的下降将带来制氢成本下降。

同时，技术发展、规模化效应，都会使氢气成本下降，因而电解水制氢法是更理想的制氢方式。

在绿氢这一块，增量空间比较大的市场在于电解槽，即制氢的设备。

电解水制氢根据电解质的不同可分为碱性电解水制氢、PEM电解水制氢、固体氧化物电解水制氢三种。

碱性电解水制氢技术最成熟，占据主导地位;

PEM电解水制氢效率高，但还处于产业化早期，设备生产成本较高。

固体氧化物电解水制氢还处于实验室阶段。

碱性电解水设备成熟，国内主要厂商包括中船重工718所、考克利尔竞立（苏州）、天津大陆等。

国外主要厂商包括 NEL（挪威）、Mcphy（法国）、IHT（瑞士）等；

PEM 电解水仍在商业化初期，降本增效是后续目标，上述龙头企业也积极参与 PEM 电解水设备的研发和改进。

但目前成熟的碱性电解槽存在一个问题，碱性电解槽启动准备时间长，负荷响应慢，还必须时刻保持电解池的阳极和阴极两侧上的压力均衡，防止氢氧气体穿过多空的石棉膜混合，进而引起爆炸。

因此，碱性电解槽难以与具有快速波动特性的可再生能源配合。

通过一些机构的测算，目前电解槽设备每kw电解槽年平均制氢量为18.16kg。

假设到2030年，可再生能源电力储能技术进一步突破，全球发电量的0.5%被氢能储存，则需要150GW电解槽设备，对应电解槽市场规模为3750亿。

另外，像光伏、石化等跨界龙头也纷纷入局。隆基股份、阳光电源、中国石化、宝丰能源等跨界龙头企业都已经开始布局光伏制氢赛道，从技术研发、工程建设、商业模式等多方面展开探索。

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