氫能源行業(yè)專題研究：氫能重點產業(yè)鏈介紹

氫能源行業(yè)專題研究：氫能重點產業(yè)鏈介紹 第一章：氫能產業(yè)鏈上游我國氫能產業(yè)具備長期發(fā)展?jié)摿Ω鶕?jù)中國氫能聯(lián)盟的預測，在2030年碳達峰愿景下，我國氫氣的年需求量預期達到3,715萬噸，在終端能源消費中占比約為5%；可再生氫產量約為500萬噸，部署電解槽裝機約80GW。在2060年碳中和愿景下，我國氫氣的年需求量將增至1.3億噸左右，在終端能源消費中占比約為20%。其中，工業(yè)領域用氫占比仍然最大，約7,794萬噸，占氫總需求量60%；交通運輸領域用氫4,051萬噸，建筑領域用氫585萬噸，發(fā)電與電網(wǎng)平衡用氫600萬噸。制氫——路徑及成本比較當前全球氫氣年產能約7000萬噸，我國氫氣產能約3342萬噸；國外市場以天然氣制氫為主，占比約為75%；我國以煤制氫為主，占60%以上。全球可再生能源制氫占比極小，卻是降低燃料電池汽車全生命周期碳排放量的主要途徑，因此正在得到全球范圍的大力推動。我國堿性水電解制氫技術較為成熟，應用比較廣泛，但存在單體制氫能力較小、電流密度小、占地面積大等問題。質子交換膜電解制氫技術國內外均處于研發(fā)和小量應用階段，我國質子交換膜制氫技術在設備成本、催化劑技術、質子交換膜本身等方面與國際先進水平差距較大。因此，短期以成熟的堿性水電解制氫技術為主，中長期為堿性、質子交換膜等多種制氫方式并存。其他制氫方式包括生物質制氫、光解水制氫、核能制氫等，但目前仍處于實驗研發(fā)階段，尚無規(guī)?；瘧?。制氫——工業(yè)副產氫亟待有效利用我國工業(yè)副產氫資源豐富，可作為我國氫能發(fā)展初期的過渡性氫源?；茉粗茪溥^程碳排放巨大，而在工業(yè)副產物中提取氫氣既可減少碳排，又可以提高資源利用率與經(jīng)濟效益。目前我國排空的工業(yè)副產氫產量約為450萬噸，可供97萬輛氫燃料公交車全年運營。其中，PDH以及乙烷裂解副產氫約為30萬噸，主要分布在華東及沿海地區(qū)；氯堿副產氫約為33萬噸，主要分布在新疆、山東、內蒙古、上海、河北等省市；焦爐煤氣副產氫約為271萬噸，主要分布在華北、華中地區(qū)；合成氨醇等副產氫約為118萬噸，主要分布在山東、陜西、河南等省份。制氫——電解水制氫成本分析電解水制氫成本一般包括設備成本、能源成本（電力）、原料費用（水）以及其他運營費用。與化石能源制氫和工業(yè)副產氫相比，堿性和PEM制氫技術在生產運行成本與設備投資成本上均較為昂貴。隨著未來可再生能源發(fā)電平價上網(wǎng)，尤其是對局部區(qū)域棄風棄光的充分利用，可再生能源電價有望持續(xù)降低。以目前的電解水平，當可再生能源電價降至0.2元/kWh時，電解水制氫成本將接近于化石原來制氫成本。同時，隨著制氫項目的規(guī)?；l(fā)展、關鍵核心技術的國產化突破、電解槽能耗和投資成本的下降以及碳稅等政策的引導下，電解制氫技術在降低成本方面極具發(fā)展?jié)摿?。儲氫運氫——三種形式的結合應用前景對于高壓氣態(tài)運氫運輸，當運輸距離為50km時，運輸成本為3.6元/kg，隨著距離的增加長管拖車運輸成本大幅上升，當運輸距離為500km時，氫氣的運輸成本達到29.4元/kg。因此，長管拖車只適合短距離運輸（小于200km）。液氫槽罐車運氫成本對距離不敏感，當加氫站距離氫源點50-500km時，運輸價格在10.4-11.0元/kg范圍內，這是由于液氫成本主要來源于液化過程中的耗電費用，僅與載氫量有關，而與距離無關。因此，液氫罐車在長距離運輸下更具成本優(yōu)勢。管道運氫成本主要來源于與輸送距離正相關的管材折舊及維護費用，當輸送距離為100km時，運氫成本僅為0.5元/kg。但管道運氫成本很大程度上受到需求端的影響，在當前加氫站尚未普及、站點較為分散的情況下，管道運氫的成本優(yōu)勢并不明顯。但隨著氫能產業(yè)逐步發(fā)展，氫氣管網(wǎng)終將成為低成本運氫方式的最佳選擇。第二章：氫產業(yè)鏈中游（燃料電池動力系統(tǒng)）我國氫燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀在政策的支持下，2016-2020年我國氫燃料電池汽車產量逐年提升；2020年受疫情影響，行業(yè)產量下滑至1199輛。截止2020年底，我國氫燃料電池汽車保有量為7352輛，進入商業(yè)化初期。2020年，燃料電池商用車價格約為200萬/輛，隨著燃料電池系統(tǒng)生產規(guī)模化與燃料電池電堆核心零部件國產化，在2025年燃料電池汽車保有量達到5-10萬輛的預期下，我們預計燃料電池汽車銷售價格將以每年10%的幅度下降。氫燃料電池汽車結構氫燃料電池汽車的核心為燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)，其結構主要包括燃料電池發(fā)動機、車載儲氫系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。其中，燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)主要由燃料電池電堆、氫氣供給系統(tǒng)、氧氣供給系統(tǒng)、發(fā)動機控制器等構成。供氫系統(tǒng)將氫從氫氣罐輸送到燃料電池電堆；由空氣過濾器、空氣壓縮機和加濕器組成的供氣系統(tǒng)為燃料電池堆提供氧氣；水熱管理系統(tǒng)采用獨立的水和冷卻劑回路來消除廢熱和反應產物（水）。燃料電池系統(tǒng)產生的電力通過動力控制單元驅動電動機，從而驅動車輛行駛，輔助電池則在需要時提供額外的電力。氫燃料電池燃料電池是一種將燃料所具有的化學能直接轉換成電能的裝置，基本原理是氫氣進入燃料電池的陽極，在催化劑的作用下分解成氫質子和電子，形成的氫質子穿過質子交換膜達到燃料電池陰極，在催化劑作用下與氧氣結合生成水，電子則通過外部電路到達燃料電池陰極形成電流。由于該過程不受卡諾循環(huán)效應的限制，因此理論效率可達90%以上，具有很高的理論經(jīng)濟性。不同于鉛酸、鋰電等儲能電池，燃料電池類似于“發(fā)電機”，其在將化學能轉化為電能的過程中產生的大部分是水，且整個過程不存在機械傳動部件，因此沒有有害氣體排放與噪聲污染。2019年年產量規(guī)模達到百臺以上的企業(yè)有四家，即上海神力、大連新源動力、江蘇清能、廣東國鴻。國際燃料電池堆企業(yè)已經(jīng)進入中國市場，擁有較大的市場份額。加拿大巴拉德（Ballard）公司、水吉能（Hydrogenics）公司，日本豐田公司，瑞典PowerCell公司等，以產品銷售、技術許可、合資建廠等方式在燃料電池堆輸出總量上達到1400多臺，占2019年國內電池堆總量的46.7%，其中僅巴拉德一家就出貨1370臺，占據(jù)進口電池堆的97%。雙極板雙極板是燃料電池電堆的核心結構件，起到支撐機械結構、均勻分配氣體、排水、導熱、導電的作用，其性能優(yōu)劣將直接影響電堆的體積、輸出功率和壽命。雙極板可分為石墨雙極板、金屬雙極板和復合雙極板。石墨雙極板具有質量輕、穩(wěn)定性強和耐腐蝕性高等特點，但機械性能較差；金屬雙極板具有機械性能強、厚度薄、阻氣性好等特點，但易被腐蝕，壽命較短。復合雙極板則兼具石墨板和金屬板的優(yōu)點，但制備工藝繁雜，成本較高。車載儲氫瓶車載儲氫成本主要受規(guī)模、碳纖維關鍵材料、高壓管閥件等影響，目前35MPa車載氫瓶的成本為6000元/kg。未來隨著車輛規(guī)模的擴大，碳纖維關鍵材料和高壓管閥件的國產化，成本有望大幅降低（60%以上）。深冷高壓等新技術經(jīng)過充分的技術驗證后，有可能在提升儲氫密度、降低成本方面發(fā)揮重要作用。目前在車載高壓儲氫瓶領域，國內外存在較大差距。我國III型瓶技術較為成熟，其中35MPa已被廣泛應用于氫燃料的電池車，70MPa剛開始推廣，但加工高壓氫氣瓶所使用的關鍵材料碳纖維則大多依賴于進口。目前工業(yè)上標準氫氣的壓縮鋼瓶氣壓一般為35MPa大氣壓，相當于22.9kg/m3的氫氣密度；在70MPa下，氫氣密度可達到39.6kg/m3。第三章：氫能關鍵裝備市場展望生產端市場前景——電解槽電解槽是制備綠氫的關鍵設備，其技術路線、性能、成本是影響綠氫市場走勢的重要因素，目前質子交換膜（PEM）電解水和堿性電解水技術目前已經(jīng)商業(yè)化推廣的條件，未來具備較強的商業(yè)價值。堿性電解槽成本較低，經(jīng)濟性較好，我國堿性電解水制氫代表企業(yè)有中船重工718所、考克利爾競立、天津市大陸制氫設備有限公司等，近期陽光電源、協(xié)鑫集團等光伏企業(yè)也紛紛布局堿性電解水制氫設備項目。隨著可再生能源制氫項目的增多，PEM電解水制氫進展迅速，國內聚焦PEM制氫設備的公司及科研機構主要有中國船舶718所、中科院大化所、山東賽克賽斯、高成綠能、淳華氫能、深圳綠航等。我們假設2025/2030/2040/2050年國內電解槽累計裝機量將分別達到10/35/200/500GW，時間區(qū)間年均新增電解槽市場規(guī)模分別為38/118/240/400億元。陽光電源——電解槽公司是一家專注于太陽能、風能等可再生能源電源產品研發(fā)、生產、銷售和服務的國家重點高新技術企業(yè)。公司是中國目前較大的光伏逆變器制造商、國內領先的風能變流器企業(yè)，擁有完全自主知識產權。主要產品有光伏逆變器、風能變流器、儲能系統(tǒng)、電動車電機控制器，并致力于提供全球一流的光伏電站解決方案。公司先后承擔多項國家重大科技計劃項目，主持起草了多項國家標準，并取得了多項重要成果和專利。陽光電源成立了專門的氫能事業(yè)部，并與中國科學院大連化學物理研究所，以大功率PEM電解制氫裝備的研究開發(fā)為核心，同時在先進PEM電解制氫技術、可再生能源與電解制氫融合、制氫系統(tǒng)優(yōu)化等方面展開合作，目前其已簽訂了光伏制氫示范項目。厚普股份——加氫設備公司主營清潔能源的高端設備制造及相應的能源工程咨詢、設計、施工，包括但不限于CNG/LNG車用加氣站成套設備、船用天然氣供氣設備、系統(tǒng)及其核心零部件的研發(fā)、生產和集成；井口天然氣凈化及液化處理裝備的研發(fā)、生產和集成；加氫站成套設備、核心部件及系統(tǒng)、充電裝置及分布式能源相關裝備；同時具備了“清潔能源+互聯(lián)網(wǎng)+云計算+大數(shù)據(jù)分析”一體化智慧能源系統(tǒng)開發(fā)及能源互聯(lián)網(wǎng)運營維護的業(yè)務能力。厚普股份在氫能方向共有專利35件，其中發(fā)明專利8件，實用新型25件。主要研發(fā)方向集中在加氫方向，包括加氫站建設、加氫機、控制系統(tǒng)，加氫核心零部件等，且已在加氫站領域逐步形成了從設計到部件研發(fā)、生產、成套設備集成、加氫站安裝調試和售后服務等覆蓋整個產業(yè)鏈，且具備加氫站EPC建設的資質和能力。燃料電池汽車與電堆市場前景根據(jù)上海、北京、廣東、山西、山東、江蘇、河北、河南、四川、湖北等十個省份及直轄市明確規(guī)劃，2023和2025年燃料電池汽車保有量分別達到3.01和7.95萬輛，2020年底國內燃料電池汽車保有量約7352輛。我們預測我國燃料電池汽車2025年銷量從當前不足3000輛增長到2.5萬輛，未來4年CAGR為88%。根據(jù)燃料電池汽車平均功率為100kW，燃料電池電堆當前價格為3000元/kW以及年均下降幅度為200kW/元進行測算，2021-2025年燃料電池電堆新增市場需求的CAGR為87%。2025/2030年，燃料電池電堆新增市場分別為75/238億元。儲氫瓶市場前景未來幾年，我國儲氫瓶市場將主要由燃料電池商用車推動。據(jù)目前各省市發(fā)布的氫燃料電池汽車投放量規(guī)劃測算，我們2021-2025年我國氫燃料電池車載儲氫瓶年新增市場需求的CAGR達到78%，2025/2030年前車載儲氫瓶新增市場達到32/111億元。與之對應，2021-2025年生產儲氫瓶用碳纖維年增需求的CAGR為88%，2025/2030年儲氫瓶用碳纖維新增需求量將達到0.6/2.5萬噸。第四章：我國氫能發(fā)展規(guī)劃介紹多部門支持氫能產業(yè)發(fā)展繼2019年3月氫能被首次寫入政府工作報告后，國務院、國家發(fā)改委、國家能源局等多部門陸續(xù)印發(fā)了支持、規(guī)范氫能源行業(yè)的發(fā)展政策，主要包括氫能發(fā)展技術路線、氫能基礎設施建設、燃料電池汽車發(fā)展等內容。三大氫燃料電池“示范城市群”落地，推動氫能跨區(qū)域發(fā)展2021年8月，財政部、工業(yè)和信息化部、科技部、國家發(fā)展改革委和國家能源局《關于啟動燃料電池汽車示范應用工作的通知》正式印發(fā)，宣告京津冀、上海、廣東成為國內三大氫燃料電池汽車示范城市群，示范期為期四年。國家將采取“以獎代補”的方式，按照示范城市群任務目標完成情況給予獎勵?！笆痉冻鞘腥骸钡穆涞兀瑢⒓涌烊剂想姵仃P鍵核心技術自主化與產業(yè)化進程，有助于探索氫能商業(yè)化模式和燃料電池產業(yè)政策的建立，推動氫能跨省跨區(qū)域協(xié)同發(fā)展。多省市發(fā)布氫能產業(yè)建設目標目前，共有近30個省份及直轄市已發(fā)布氫能發(fā)展相關政策方案。其中，出臺了專項氫能整體產業(yè)發(fā)展政策的共有5省，分別為北京、河北、四川、山東、內蒙古；出臺了氫燃料汽車細分領域專項政策的共有4省，分別為廣東、重慶、浙江、河南。其他大多數(shù)省份地區(qū)均將氫能相關發(fā)展規(guī)劃納入新能源汽車產業(yè)、或整體能源發(fā)展、或戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展、或全省十四五規(guī)劃當中。第五章：海外氫能發(fā)展規(guī)劃介紹歐盟將氫能戰(zhàn)略“三步走”計劃，綠氫生產為首要任務2020年7月,歐盟發(fā)布了《歐盟氫能戰(zhàn)略》,提出了歐洲長期發(fā)展氫能的戰(zhàn)略藍圖。該戰(zhàn)略旨在通過投資、監(jiān)管、市場創(chuàng)建以及研究和創(chuàng)新等一系列措施來促進氫能產業(yè)化，同時概述了全面的投資計劃，包括制氫、儲氫、運氫的全產業(yè)鏈，以及現(xiàn)有天然氣基礎設施、碳捕集和封存技術等投資，預計總投資超過4500億歐元。歐盟明確主首要任務是開發(fā)綠色氫能。2024與2030年歐洲可再生能源產氫量要分別達到100萬噸和1000萬噸，可再生能源電解槽裝機量要分別達到6GW和40GW，而目前歐洲完成安裝的可再生能源電解槽僅為1GW，占制氫總容量的1.4％。發(fā)展氫能將為歐盟帶來巨大的社會經(jīng)濟和環(huán)境效益據(jù)《歐洲氫能路線圖》預計，到2050年，歐盟的氫氣需求約為5600萬噸，約占總能源需求的四分之一，氫能產業(yè)發(fā)展具有顯著環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。到2030年，氫能將為歐盟創(chuàng)造1300億歐元的產業(yè)規(guī)