中國氫能源產業(yè)鏈概述及未來市場需求預測

中國氫能源產業(yè)鏈概述及未來市場需求預測

一、政策頻出，推進氫能源發(fā)展

在2019年的全國兩會上，汽車產業(yè)界的全國人大代表提交了一系列關于發(fā)展氫燃料汽車的議案建議。在兩會期間，氫燃料這種節(jié)能、環(huán)保、便捷性又高的能源被寫進《政府工作報告》。2019年3月26日工信部等4部委發(fā)布《關于進一步完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》，提出地方應完善政策，過渡期后不再對新能源汽車（新能源公交車和燃料電池汽車除外）給予購臵補貼，轉為用于支持充電（加氫）基礎設施“短板”建設和配套運營服務等方面。

2006-2014年是我國氫能及燃料電池的推廣階段。2006年我國將氫能及燃料電池寫入《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中，提出重點研究高效低成本的化石能源和可再生能源制氫技術，經濟高效氫儲存和輸配技術，燃料電池基礎關鍵部件制備和電堆集成技術，燃料電池發(fā)電及車用動力系統(tǒng)集成技術，形成氫能和燃料電池技術規(guī)范與標準。2006-2014年我國出臺一系列政策推廣使用氫能及燃料電池汽車。

2015年以來我國對氫能及燃料電池汽車政策扶持力度加大。2015年財政部等4部委發(fā)布《關于2016-2020年新能源汽車推廣應用財政支持政策的通知》，說明了燃料電池汽車推廣應用補助標準。2016年10月中國標準化研究員和全國氫能標準化技術委員會聯(lián)合發(fā)布《中國氫能產業(yè)基礎設施發(fā)展藍皮書（2016）》，提出了更加明確的產業(yè)規(guī)劃目標：2020年率先實現(xiàn)氫能汽車及加氫站的規(guī)?；茝V應用，建成加氫站100座，燃料電池發(fā)電站達20萬kW,達到1萬輛燃料電池運輸車輛，燃料電池有軌電車達50列；到2030年，建成加氫站1000座，燃料電池發(fā)電站達1億千瓦，燃料電池車輛保有量達到200萬輛。2017年國家對于加氫站、加氣站的建設提出規(guī)范要求，進一步表明了我國發(fā)展氫能源的戰(zhàn)略方向。我國氫能及燃料電池相關政策

二、氫能源產業(yè)鏈概述

在能源短缺和環(huán)境惡化雙重壓力下，可持續(xù)清潔能源的開發(fā)日益迫切。氫能是一種二次能源，可以通過一定的方法利用其它能源制取，被視為21世紀極具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?。氫能具有以下特點：（1）熱值高，氫的熱值為142351kJ/kg，是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，大約是汽油熱值的3倍；（2）燃燒性能好，與空氣混合時有廣泛的可燃范圍，且燃點高，燃燒速度快；（3）氫本身無毒，屬于清潔能源，而且燃燒生成的水還可繼續(xù)制氫，反復循環(huán)使用；（4）利用形態(tài)和形式多，可以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)金屬氫化物出現(xiàn)，能適應貯運及不同應用環(huán)境的要求。

氫能源產業(yè)鏈逐漸完善。氫能源產業(yè)鏈上游是氫氣的制備，主要技術方式有傳統(tǒng)能源的熱化學重整、電解水和光解水等；中游是氫氣的儲運環(huán)節(jié)，主要技術方式包括低溫液態(tài)、高壓氣態(tài)和固體材料儲氫；下游是氫氣的應用，氫氣應用可以滲透到傳統(tǒng)能源的各個方面，包括交通運輸、工業(yè)燃料、發(fā)電等，主要技術是直接燃燒和燃料電池技術。氫能源產業(yè)鏈概況

全球氫工業(yè)規(guī)模不斷增長，呈現(xiàn)區(qū)域性分布。2017年全球氫工業(yè)市場規(guī)模為2514.93億美元，同比增長1.03%，2011-2017年復合增速為5.05%。2017年亞太地區(qū)、北美、歐洲工業(yè)氫氣的市場規(guī)模分別為1071.36、555.80、517.57億美元，占全球的比重分別為42.6%、22.1%、20.6%，合計占比達85.3%，區(qū)域性分布明顯。中國和印度等亞太發(fā)展中國家經濟快速增長帶動了亞太地區(qū)對氫能等清潔能源的需求。

1、上游：化石燃料制氫、工業(yè)副產氫有望成為低成本氫來源

我國工業(yè)氫氣產消旺盛，基本自給自足。我國是氫能利用大國，2017年工業(yè)氫氣（不包括工業(yè)副產氫氣，下同）產量和需求量分別為1915、1910萬噸，同比分別增長3.51%、3.58%，基本維持供需平衡狀態(tài)，2009-2017年復合增速分別為7.21%、7.20%。

1）人工制氫工藝及成本分析

人工制氫的方法主要包括化石燃料制氫、電解水制氫、光解水制氫以及微生物制氫等，其中化石燃料制氫原料主要包括煤、石油、天然氣等。目前化石燃料制氫方法較為成熟，并且具備產量高、成本較低的優(yōu)點，但制氫過程都有溫室氣體排放；電解水是一種制取純氫的最簡單的方法，但是其消耗的電能太高導致不夠經濟，因而其發(fā)展受到很大限制；光解水被視為最理想的制氫途徑，但目前技術尚不成熟。不同人工制氫技術對比

目前人工制氫工藝主要以化石燃料制氫為主。2017年全球制氫原料約96%來源于化石燃料（由于甲醇主要原料為煤炭和天然氣，因此本文將甲醇制氫歸類于化石燃料制氫）的熱化學重整，僅有4%源于電解水。我國制氫原料主要以煤炭和天然氣為主，占比分別為62%和19%，電解水制氫也僅占4%。

化石燃料制氫具備成本優(yōu)勢。我們假設不同人工制氫工藝原料天然氣、甲醇、電價的采購成本（扣除增值稅）分別為2.8元/方、2500元/噸、0.63元/kWh，測算天然氣制氫、甲醇制氫和電解水制氫成本分別為2.09、2.13、3.46元/立方米。相對于電解水制氫，目前化石燃料制氫具備明顯的成本優(yōu)勢。不同工藝制氫成本分析

不同工藝制氫成本敏感性分析。假設不同工藝制氫成本與原料價格線性相關，根據(jù)我們測算，如果要讓單位制氫成本低于2元/方，天然氣、甲醇、工業(yè)用電購臵成本（扣除增值稅）應分別不高于2.65元/方、2319元/噸、0.34元/kWh。不同工藝制氫成本敏感性分析

2）工業(yè)副產氫有望成為重要氫供給來源

除了人工制氫以外，工業(yè)副產氫也有望成為重要氫能供給來源，我國工業(yè)企業(yè)，包括煉焦企業(yè)、鋼鐵企業(yè)、化工企業(yè)等，每年副產數(shù)百萬噸氫氣。目前這些副產氫氣很多都排放到空氣中，污染環(huán)境的同時也成為危險因素。變壓吸附（PSA）技術分離提純氫氣的技術在我國已經非常成熟，若能充分利用好這些低品位能源，化工副產氫氣將成為我國的重要氫氣源，對氫能源發(fā)展有著重要意義。

焦爐煤氣是提純氫潛力最大的工業(yè)尾氣。我國是焦炭生產大國，2018年焦炭產量4.38億噸，同比增長1.6%。煉焦工業(yè)的副產品焦爐氣中氫氣含量約占57%，是最主要的組成成分。按照每生產1噸焦炭可副產425.6立方米焦爐氣，1立方米焦爐氣通過PSA技術可以產生0.44立方米氫氣計算，2018年我國煉焦工業(yè)副產氫氣約733萬噸。焦爐煤氣主要成分構成

我國焦炭和副產氫氣產量變化趨勢

氯堿工業(yè)年副產氫氣約為80萬噸。氯堿工業(yè)是通過電解飽和NaCl溶液來制取NaOH、Cl2和H2，并以此為原料合成鹽酸、聚氯乙烯等化工產品。我國是世界燒堿產能最大的國家，2018年產量為3420萬噸，同比增長1.6%。以生產1噸燒堿產生270立方米氫氣計算得到，2018年我國氯堿工業(yè)副產氫氣約82.5萬噸。我國燒堿和副產氫氣產量變化趨勢

我國PDH副產氫產能約30萬噸。截至2018年6月30日，我國共有18家企業(yè)具有PDH產能，總產能達858.5萬噸/年，主要位于山東、浙江和江蘇等地。我們按照1噸PDH副產0.038噸氫氣計算，2018年我國PDH副產氫氣產能約33萬噸。國內現(xiàn)有PDH裝臵及未來產能規(guī)劃（截至2018年6月30日）

合成氨、合成甲醇等也可副產氫氣。合成氨、合成甲醇每年副產氫氣在50萬噸左右，考慮到其分離出的氫氣返回原料單元補充燃料消耗，最后分離獲得氫氣產量相對較小。此外，我們認為隨著我國乙烯原料輕質化的推進，未來乙烷脫氫項目也有望成為化工副產氫氣的來源。

根據(jù)我們上面的分析，我國工業(yè)副產氫氣主要來自焦爐煤氣、氯堿工業(yè)及PDH項目等，2018年合計副產氫氣在800萬噸以上?；剂现茪?、工業(yè)副產氫有望成為低成本氫來源。

2、中游：液態(tài)氫儲運或將成為發(fā)展重點

氫氣儲運成本較高。廉價的氫氣來源和儲運是實現(xiàn)氫能產業(yè)化的基礎。雖然氫氣具有較高熱值，但是在標準狀態(tài)下其密度遠低于天然氣，因此相同體積氫氣的能量大約只有天然氣的三分之一，若要實現(xiàn)氫能產業(yè)化減少儲運體積非常重要，這就使得氫氣的儲運成本更加昂貴。氫氣與天然氣基本參數(shù)比較

1）氫儲存方式比較

氫能的存儲方式主要包括低溫液態(tài)儲氫、高壓氣態(tài)儲氫、固態(tài)儲氫等，不同的儲氫方式具有不同的儲氫密度，其中氣態(tài)儲氫方式的儲氫密度最小，金屬氫化物儲氫方式的儲氫密度最大。不同儲氫方式的儲氫密度對比（單位摩爾原子/cm3）

我國目前加氫站一般采用高壓氣態(tài)儲氫。目前低溫液態(tài)氫主要作為航天火箭推進器燃料，其儲罐和拖車已在我國航天等領域應用，隨著技術的不斷成熟，液態(tài)儲氫有望成為工業(yè)氫氣的主要儲存形式；高壓氣態(tài)儲氫是目前最常用、最成熟的儲氫技術，其儲存方式是將工業(yè)氫氣壓縮到耐高壓容器中，鋼瓶是最常用的高壓氣態(tài)儲氫容器，具有結構簡單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快等優(yōu)點，但也存在著安全性能較差和體積比容量低等不足，目前我國加氫站一般采用高壓氣態(tài)儲氫；固態(tài)儲氫方式是極具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N儲氫方式，能有效克服高壓氣態(tài)和低溫液態(tài)兩種儲氫方式的不足，具有能量密度大、操作容易、運輸方便、成本低、安全程度高等優(yōu)點，適合對體積要求較嚴格的場合，如氫能燃料電池汽車。主要氫儲存方式比較

2）氫的運輸和配送

根據(jù)生產和消費地點不同，生產和基礎設施組織形式也有差異，可以分為分布式和集中式兩種形式。分布式是指在消費氫氣當?shù)鼗蛘呤侨紵姵仄嚹茉垂揪偷匦∫?guī)模制造氫氣，這樣可以避免為運輸和配送氫氣設臵基礎設施的費用；集中式是指氫氣集中生產，生產地不同于消費地，集中式生產因規(guī)模效益將減少制氫的單位成本，但同時必須為運輸和配送氫氣建造基礎設施，其成本較高。我們認為隨著未來氫能源產業(yè)鏈的發(fā)展，集中式的優(yōu)勢將得以顯現(xiàn)，在此之前輸配環(huán)節(jié)基礎設施有待發(fā)展。

輸配氫氣主要分為管道運輸和道路運輸。管道運輸是實現(xiàn)長距離大規(guī)模運輸氫的重要環(huán)節(jié)，我國正處于起步階段，目前氫氣管網僅有300-400公里（美國、歐洲已分別建成2400公里、1500公里的輸氫管道），最長的輸氫管線為“巴陵-長嶺”氫氣管道，全長約42公里、壓力為4MPa。壓縮氫公路運輸運輸量小、距離短，成本相對較高；液態(tài)氫公路運輸距離相對較長，運輸量大于壓縮氫。目前國內加氫站的外進氫氣均采用壓縮氣體氫運輸，隨著液態(tài)儲氫加氫站的加快建設，我們認為未來液態(tài)氫運輸將成為發(fā)展重點。主要輸配氫方式比較

3）我國加氫站進入發(fā)展快車道

我國加氫站加快發(fā)展。截至2018年全球已建成369座加氫站，日本、德國、美國數(shù)量較多，合計占全球比重達54%。我國排名第四，已建成加氫站23座，占比為6%。根據(jù)2016年10月發(fā)布的《中國氫能產業(yè)基礎設施發(fā)展藍皮書（2016）》，到2020年我國建成加氫站將達100座，2030年將達到1000座。全球建成投運加氫站情況（截至2018年底）

液氫儲氫加氫站有望迎來快速發(fā)展期。目前全球加氫站主要以高壓儲氫和低溫液態(tài)儲氫為主，全球加氫站中約1/3為液態(tài)加氫站，日本約半數(shù)加氫站為低溫液態(tài)儲氫配套低溫泵加氫站。加氫量在500kg/天時，高壓儲氫加氫站比液氫儲氫加氫站設備投資方面更有優(yōu)勢；加氫量規(guī)模超1000kg/天時，液氫儲氫加氫站比高壓儲氫加氫站設備投資要低20%左右。我們認為隨著未來氫燃料電池車的發(fā)展，液氫儲氫加氫站有望迎來快速發(fā)展期。高壓儲氫加氫站和液氫儲氫加氫站工作原理

我國目前運營的加氫站均為高壓儲氫加氫站。目前我國加氫站建設還屬于發(fā)展初期，加氫量在300kg/天以下的試驗和示范項目較多，運輸距離基本在200公里以內，現(xiàn)階段國內運營的加氫站均為高壓儲氫加氫站。高壓儲氫加氫站的主要設施包括儲氫裝臵、壓縮設備、加注設備和站控系統(tǒng)等。我國一個加氫站的建設成本約為200~250萬美元，其中壓縮機成本占比最高，約占總成本的30%。因此，加快工業(yè)氫氣壓縮機國產化進程有助于降低加氫站建設成本，從而促進氫能源產業(yè)鏈的發(fā)展。

3、下游：燃料電池車是氫能源應用的主要方向之一

氫能源的應用主要有直接燃燒（氫內燃機）和采用燃料電池技術兩種（目前我國氫能主要以工業(yè)原料消費為主），燃料電池技術相比氫內燃機效率更高，更具有發(fā)展?jié)摿?。目前以燃料電池技術為基礎的應用已經很廣闊，現(xiàn)階段主要分布在交通運輸式、固定式和便攜式三個方面，燃料電池車正在大力推進中，是氫能源應用的主要方向之一，未來有望進一步遍及能源相關下游包括汽車、發(fā)電和儲能等領域。質子交換膜燃料電池（PEMFC）適用于機動車。燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝臵，可以分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）。質子交換膜燃料電池（PEMFC）使用固體聚合物作為電解質，含有鉑或者鉑合金催化劑的多孔碳作為電極，由于其主要采用氫氣作為燃料，因此又被稱為氫燃料電池。與其他燃料電池相比，PEMFC可以在相對較低的溫度下運行，使得其能夠更快的啟動、對其他部件損害小，延長了使用壽命。PEMFC被用作機動車的動力電池，成為燃料電池的主要研發(fā)方向。燃料電池分類對比

質子交換膜燃料電池（PEMFC）成本較高。PEMFC雖然在性能上適合車用，但其成本仍然偏高。PEMFC主要由膜電極組件（MEA）、雙極板和密封圈組成，而膜電極是其中關鍵部件組件，它由質子交換膜、催化劑和擴散層組成。催化劑目前主要用的是鉑金，占燃料電池總成本的36%，這是PEMFC成本居高不下的主要原因。質子交換膜燃料電池主要部件構成

質子交換膜燃料電池成本構成

日韓技術領先，我國燃料電池車加快發(fā)展。從全球氫燃料電池汽車的量產規(guī)模和市場商業(yè)化份額看，日本和韓國的氫燃料電池汽車技術處于領先水平，市場份額占據(jù)主導地位。2015-2018年，全球氫燃料電池車銷量呈現(xiàn)逐年成倍的增長趨勢。目前在國際上真正實現(xiàn)量產的主要有豐田Mirai、本田ClarityFuelCell、現(xiàn)代ix35FCEV、現(xiàn)代NEXO四款車型。2018年我國燃料電池車銷量為1527輛，其中客車銷量1418輛、貨車銷量109輛。到2020年達到1萬輛燃料電池運輸車輛，燃料電池有軌電車達50列；到2030年燃料電池車輛保有量達到200萬輛，我國燃料電池車將迎來快速發(fā)展期。全球氫燃料電池乘用車銷量（輛）

燃料電池車補貼落地，依然保持高標準。3月26日工信部等4部委發(fā)布《關于進一步完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》，提出地方應完善政策，過渡期后不再對新能源汽車（新能源公交車和燃料電池汽車除外）給予購臵補貼，轉為用于支持充電（加氫）基礎設施“短板”建設和配套運營服務等方面，過渡期期間銷售上牌的燃料電池汽車按2018年對應標準的0.8倍補貼。我國對燃料電池車補貼依然保持高標準。燃料電池汽車補貼標準

三、燃料電池車產業(yè)發(fā)展有望拉動千萬噸氫氣需求，對應萬億氫能產值

2050年中國氫氣需求中性情況下將達到近6000萬噸，主要增量來自于交通運輸?shù)娜剂想姵剀?。?030年中國的氫氣需求量將達到3500萬噸/年，產能缺口約10