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制氢技术进展及经济性分析

氢作为一种能源载体，不仅能满足全球能源需求，还能降低CO2

的排放，在未来能源行业发展中扮演着重要角色。目前，全球氢气需

求约7000万吨/年，在今后5年里，预计将以每年4%~5%的速度增长。

国际能源机构（IEA）预计，2025年全球炼油行业氢气需求3500万

吨，交通运输行业需求200万吨，建筑业需求330万吨，合成燃料行

业需求1000万吨。同时，国际氢能委员会预计，2030年清洁氢气产

量将达1100万吨，比2020年增加64%；预计2030年氢能领域投资

将达5000亿美元。中国宣布了53项大规模清洁氢能项目，投资总额

高达1800亿元人民币。IHSMarkit表示，预计2025年前全球氢气消

耗量年增长率将达3.4%，同时2025年绿氨（绿氢载体）增长率将比

2022年增加79%。东北亚、北美和中东将成为氢气消耗的主要地区，

预计氢气消耗量分别为3330亿，1550亿，1300亿m3/年。

1、化石能源制氢技术

为满足日益增长的氢气需求，研究人员正在探索和开发制氢技术。

目前全球97%氢气生产来自化石能源，生产的氢气主要分为灰氢、蓝

氢和绿氢。其中，灰氢和蓝氢均是通过传统化石能源制取的。灰氢通

常是焦炉煤气、氯碱尾气的副产气，生产1kg的灰氢伴有5.5~11.0kg

的CO2产生。

蓝氢通常由煤或天然气等化石燃料转化，并结合碳捕集、利用与

封存（CCUS）技术获取。蓝氢制造过程中的碳捕集成本非常昂贵，相

对于灰氢来说，可能会增加10%的燃料消耗，而最大CO2捕集量是90%。

CCUS技术可用于从灰氢到绿氢的过渡期，帮助减少当前制氢过程的

碳排放，但目前还无法满足行业对脱碳的需求。

蒸汽甲烷转化（SMR）技术已经成熟，提高效率的空间有限，CCUS

是降低蓝氢平准化成本（LCOH）的关键部分。CCUS并不是一项新技

术，而是CO2提取、压缩、运输和最终注入地下等成熟行业的组合。

根据天然气价格和劳动力成本等因素的变化，目前蓝氢LCOH在

1.50~3.50美元/kg。以目前天然气价格计算，在低成本地区，SMR和

碳捕集的生命周期成本均约占蓝氢LCOH的30%，而运输和储存通常

只占蓝氢LCOH的约5%，其余部分为原料成本。

在假定原料气价格固定的情况下，节约成本的重点是降低现有

SMR改造后的新碳捕集装置成本，以及改进SMR的效率。可通过低温

和吸附剂技术进行物理捕集和膜分离技术降低碳捕集设施成本。除了

SMR工艺本身的设计变化外，改进其他持续工艺和热效率也可小幅降

低SMR成本。截至2030年，SMR的生命周期成本可降低10%~25%，碳

捕集的生命周期成本最多可降低20%。这使蓝氢的总单位成本降低

15%~20%，预计2030年蓝氢的成本为1.25~3.00美元/kg。

2、可再生能源制绿氢技术

我国的可再生能源发电装机容量逐年提高，然而，由于可再生能

源发电的间歇性、区域分布不均匀，每年都会产生大量弃电，仅2018

年共产生三弃电量（弃水、风、光电量）1022.9亿kWh，占可再生能

源发电总量的5.5%，造成巨大浪费。

电解水装置可以直接与电网相连，利用可再生能源的弃电进行规

模化产氢，可避免能源浪费。绿氢通过可再生能源电解水产生，其生

产方式和自身燃烧基本是零碳排放，符合未来对于能源的要求。随着

氢能研究的日益深入，水电解制氢技术也取得了较大进展。目前，主

要可再生能源制氢的电解槽技术包括：碱性电解槽、质子交换膜电解

槽、离子交换膜电解槽和固体氧化物电解槽。随着技术不断进步，电

解槽效率逐渐提高。

2.1碱性电解槽制氢

碱性电解槽制氢是较成熟的电解制氢技术，碱性电解槽安全可靠，

寿命长达15年，已广泛商业化使用。碱性电解槽工作效率一般为

42%~78%。在过去几年里，碱性电解槽主要取得两方面进展，一方面，

改进后的电解槽效率得到提高，降低了与用电有关的运营成本；另一

方面，操作电流密度增加，投资成本降低。

碱性电解槽的工作原理如图1所示。电池由两个电极组成，两个

电极由气密隔膜分开。电池装配时浸没在高浓度的碱性液体电解质

KOH（20%~30%）中，使离子电导率最大化，NaOH和NaCl溶液也可作

电解液，但不常用，电解