一、氫能：零碳可持續(xù)的理想能源，前景廣闊
能源安全和節(jié)能減排兩大因素驅(qū)動(dòng)一、二次能源的革新
按能源的基本形態(tài)分類，能源可分為一次能源和二次能源。 一次能源，即天然能源，指在自然界現(xiàn)成存在的能源，如 煤、石油、天然氣、水能等;二次能源指由一次能源加工 轉(zhuǎn)換而成的能源產(chǎn)品，如電力、煤氣、汽油、氫能等。由 于人類現(xiàn)階段面臨嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題，一次能源 和二次能源領(lǐng)域的革新勢(shì)在必行。
可再生性是一次能源面臨的重大問(wèn)題。一次能源可分為可 再生能源(可不斷得到補(bǔ)充或在較短周期內(nèi)再生的能源)和非 再生能源(經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年形成、短期無(wú)法恢復(fù)的能源)。現(xiàn)階段， 我們應(yīng)用的能源以非再生的化石能源為主，未來(lái)面臨枯竭 的危機(jī)，因此開發(fā)風(fēng)電、光伏等可再生能源尤為重要。
二次能源的革新是解決碳排放問(wèn)題的關(guān)鍵。二次能源是聯(lián) 系一次能源和能源用戶的中間紐帶，可分為過(guò)程性能源(能 量比較集中的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，可直接應(yīng)用，如電能)和含能 體能源(包含能量的物質(zhì)，可儲(chǔ)存運(yùn)送，如柴油、汽油等)。 汽油等能源在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生二氧化碳和污染物質(zhì)。解 決能源應(yīng)用的碳排放問(wèn)題，就需要開發(fā)優(yōu)質(zhì)的含能體能源， 如鋰電和氫能。
應(yīng)用現(xiàn)狀：氫主要作為工業(yè)原料使用，中國(guó)占全球需求的30%
氫作為能源應(yīng)用的普及程度不高，現(xiàn)階段主要作為工業(yè)原料使用。2021年，全球氫氣需求超過(guò)9400萬(wàn)噸。分地區(qū)來(lái)看，我國(guó)是全 球最大的氫氣消費(fèi)國(guó)，需求量約2800萬(wàn)噸，占全球的30%;美國(guó)、中東和歐洲分別占據(jù)全球14%/12%/9%的需求量。分應(yīng)用來(lái) 看，氫氣主要用于化工(合成氨/合成甲醇)和煉油，2021年全球交通運(yùn)輸氫氣需求僅3萬(wàn)噸左右，占比較少。我國(guó)氫氣應(yīng)用領(lǐng)域 同樣以化工為主，56%的氫氣被用于化工合成，9%用于煉油，16%作為尾氣直接燃燒，氫作為能源的應(yīng)用程度不高。
工業(yè)用氫存在巨大的脫碳潛力。2021年，全球工業(yè)用氫和煉油用氫絕大部分源于化石燃料制氫，產(chǎn)生的直接二氧化碳凈排放量分 別為6.3億噸和2.0億噸。工業(yè)合成氨、合成甲醇、煉油等均以氫為主要原料，工藝成熟，存在綠氫替代灰氫的減碳空間;此外， 全球各地正在探索氫氣在鋼鐵工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，綠氫未來(lái)有望逐步替代焦炭作為還原材料，推動(dòng)鋼鐵工業(yè)的大規(guī)模脫碳(2019年 全球鋼鐵行業(yè)直接碳排放量26億噸，約占全球碳排放總量的7-8%)。
我國(guó)政策驅(qū)動(dòng)下，氫能產(chǎn)業(yè)開啟新篇
政策驅(qū)動(dòng)下，氫能產(chǎn)業(yè)鏈開啟新 篇。我國(guó)國(guó)家層面日益重視和認(rèn) 可氫能的戰(zhàn)略重要性，加強(qiáng)對(duì)氫 能的布局。2022年3月，國(guó)家發(fā) 改委、能源局發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā) 展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021-2035 年)》，明確了氫能的戰(zhàn)略定 位，并提出了氫能產(chǎn)業(yè)一系列發(fā) 展目標(biāo)。政策的重視和認(rèn)可將推 動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)開啟新篇。
各地方政府紛紛出臺(tái)氫能發(fā) 展規(guī)劃目標(biāo)。2019年以來(lái)， 國(guó)內(nèi)至少有18個(gè)省級(jí)行政區(qū) 公布了氫能發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)。 從已公布的規(guī)劃目標(biāo)來(lái)看， 到2025年，我國(guó)將累計(jì)至少 建成加氫站762座，燃料電 池車保有量8.8萬(wàn)輛，氫能 產(chǎn)業(yè)規(guī)模接近7000億元。
二、制氫環(huán)節(jié)概述：三大路線并存，綠氫蓄勢(shì)待發(fā)
制氫路線：三種制氫路線共存，可再生能源電解水制氫是“終極路線”
三種制氫路線：“成本”短期制約，“可持續(xù)”長(zhǎng)期引領(lǐng)。氫氣制備方式主要包括化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和電解水制氫三 類。 化石燃料制氫是以煤或天然氣為原料還原制氫的傳統(tǒng)方案，技術(shù)成熟、成本最低，但碳排放量高，且化石燃料不可再生，產(chǎn)能擴(kuò) 張空間有限，存量產(chǎn)能將逐步結(jié)合CCUS技術(shù)，以降低排放。 化工副產(chǎn)氫是氯堿，輕烴利用等化工工藝獲得副產(chǎn)氫的方案，成本較低，但制備規(guī)模取決于主產(chǎn)品制備規(guī)模，擴(kuò)張空間有限，可 作為補(bǔ)充性氫源。 電解水制氫是利用水的電解反應(yīng)制備氫氣的技術(shù)，可再生電力制氫稱為“綠氫”，是零碳排、可持續(xù)的“終極路線”，但目前成 本仍是制約其普及的瓶頸因素，其規(guī)模化應(yīng)用需要產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)推動(dòng)降本。
全球氫氣產(chǎn)能以化石燃料制氫為主，清潔制氫存在替代空間
目前全球氫氣生產(chǎn)以化石燃料制氫為主， 清潔制氫存在替代空間。 2021年全球氫氣總產(chǎn)量為9400萬(wàn)噸，其中 化石燃料制氫占80%以上，清潔制氫(電解 水/化石燃料+CCUS)占比不到1%。 現(xiàn)階段，我國(guó)氫氣產(chǎn)能約4100萬(wàn)噸/年，產(chǎn) 量約3300萬(wàn)噸，產(chǎn)能規(guī)模全球領(lǐng)先，但同 樣以化石燃料制氫為主(近80%)，清潔制 氫存在廣闊的替代空間。 未來(lái)清潔制氫方案將成為主要增量。IEA預(yù) 測(cè)，到2030年，全球氫氣產(chǎn)量將達(dá)到1.8億 噸，較2021年的0.94億噸翻倍增長(zhǎng)。其中， 主要的增量產(chǎn)量將由電解水制氫滿足，電 解水制氫產(chǎn)量將從2021年的不到4萬(wàn)噸大幅 增長(zhǎng)至6170萬(wàn)噸;耦合CCUS的化石燃料制 氫產(chǎn)量將從2021年的60萬(wàn)噸增長(zhǎng)至3300萬(wàn) 噸，清潔制氫方案將成為主流。
綠氫成本測(cè)算：電耗和折舊構(gòu)成綠氫的主要成本
我們估算，基準(zhǔn)情形下堿性和PEM電解水制氫單位成 本分別為21.85和25.29元/kg，電耗成本分別占總成本 的86%和70%。假設(shè)說(shuō)明如下： 電價(jià)：假設(shè)用電價(jià)格為0.35元/kWh。單位電耗：假設(shè)堿性電解為4.8kWh/Nm3;PEM效率較 高，假設(shè)為4.5kWh/Nm3。 設(shè)備(含電解槽及配套設(shè)備)單價(jià)：參考相關(guān)文獻(xiàn)， 分別取2000元和9000元/kW。 運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)：若每天運(yùn)行9小時(shí)、每年運(yùn)行330天，則運(yùn) 行總時(shí)長(zhǎng)約3000小時(shí)。
案例分析：從中石化庫(kù)車項(xiàng)目來(lái)看，國(guó)內(nèi)綠電制綠氫項(xiàng)目已初具經(jīng)濟(jì)性
項(xiàng)目概況。中石化新疆庫(kù)車光伏制氫項(xiàng)目是2022年招標(biāo)規(guī)模最大的綠氫項(xiàng)目，屬于示范項(xiàng)目，商業(yè)模式具有參考價(jià)值。項(xiàng)目建設(shè) 光伏電場(chǎng)300MW，配置52臺(tái)1000標(biāo)方堿性電解槽。光伏發(fā)電時(shí)段，電解槽及其它用電設(shè)備采用光伏供電;光伏不發(fā)電時(shí)段，外購(gòu) 綠電供部分電解槽連續(xù)運(yùn)行。制得的氫氣通過(guò)管道輸送至塔河煉化使用。 成本測(cè)算：中石化庫(kù)車項(xiàng)目制氫成本理論上可降至12.93元/kg，已具備推廣的經(jīng)濟(jì)性。我們根據(jù)項(xiàng)目環(huán)評(píng)報(bào)告、招投標(biāo)等信息，測(cè) 算其單位制氫成本為12.93元/kg，過(guò)程及假設(shè)見下頁(yè)。這一單位成本與工業(yè)副產(chǎn)氫相比已具有經(jīng)濟(jì)性，接近煤制氫成本。
三、傳統(tǒng)制氫路線：碳捕捉、提純等環(huán)節(jié)存在機(jī)遇
化石燃料制氫：應(yīng)用廣泛的傳統(tǒng)方案，提純和CCUS環(huán)節(jié)存在設(shè)備投資潛力
煤氣化制氫和天然氣蒸汽重整(SMR)制氫是化石燃料制氫的兩種主流方案。煤氣化制氫是煤在氣化爐中與水蒸氣發(fā)生分步反應(yīng) 制備的氫氣。其原理為：煤(C)在氣化爐中與水蒸氣反應(yīng)生成CO和H2，CO進(jìn)一步與水反應(yīng)生成H2和CO2。天然氣制氫主要為天然氣 中的甲烷與水蒸氣發(fā)生分步反應(yīng)生成的H2 ，反應(yīng)前通常需對(duì)天然氣進(jìn)行脫硫處理，防止催化劑中毒。
我國(guó)化石燃料制氫以煤制氫為主。一方面，我國(guó)的化石能源儲(chǔ)量呈現(xiàn)“富煤少氣” 特點(diǎn)，煤儲(chǔ)量更為豐富;另一方面，我國(guó)天然 氣含硫量高，預(yù)處理工藝復(fù)雜，導(dǎo)致在我國(guó)天然氣制氫經(jīng)濟(jì)性低于煤制氫。
煤制氫路線中，制備環(huán)節(jié)設(shè)備投資增量可能有限。煤制氫的核心設(shè)備是煤氣化爐，為大型設(shè)備，固定成本高，適用于大規(guī)模集中 化生產(chǎn)。現(xiàn)階段存量煤氣化爐的制氫潛力較充足，在氫能應(yīng)用的過(guò)渡階段可提供補(bǔ)充氫源，但不排除產(chǎn)生增量設(shè)備投資的可能。
提純、碳捕集環(huán)節(jié)帶來(lái)廣闊的潛在設(shè)備需求。化石燃料制氫需經(jīng)過(guò)提純工序，方可在燃料電池中使用;制氫反應(yīng)產(chǎn)生大量二氧化 碳，需要結(jié)合CCUS(碳捕集、封存和利用)技術(shù)，以降低碳排放。提純和碳捕集環(huán)節(jié)存在較為廣闊的設(shè)備投資空間。
工業(yè)副產(chǎn)氫：經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)良的過(guò)渡路線
工業(yè)副產(chǎn)氫指生產(chǎn)化工產(chǎn)品時(shí)同時(shí)得到的副產(chǎn)物氫氣，成本 介于化石燃料制氫和電解水制氫之間。焦?fàn)t煤氣、氯堿化 工、輕烴利用(丙烷脫氫、乙烷裂解)、合成氨合成甲醇等 工業(yè)均會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物氫氣。目前，國(guó)內(nèi)工業(yè)副產(chǎn)氫部分作為 化工原材料或鍋爐燃料使用，也存在部分放空，整體使用效 率不高。工業(yè)副產(chǎn)氫經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)良，制取成本在9.3元-22.4 元/kg之間，低于電解水制氫，可作為制氫的過(guò)渡路線。工業(yè)副產(chǎn)氫擴(kuò)產(chǎn)取決于主產(chǎn)品需求，部分路線存在增長(zhǎng)空 間。目前我國(guó)工業(yè)副產(chǎn)氫供應(yīng)潛力超過(guò)450萬(wàn)噸，每年可供 應(yīng)公交車近100萬(wàn)輛，主要產(chǎn)能來(lái)自于焦?fàn)t煤氣副產(chǎn)氫。目 前，焦炭和氯堿工業(yè)處于成熟期，產(chǎn)能規(guī)模穩(wěn)步下降，但體 量較大，棄氫存在提純利用空間;輕烴利用產(chǎn)業(yè)處于成長(zhǎng) 期，產(chǎn)能不斷爬升，且副產(chǎn)氫純度高，存在增量投資需求; 合成氨合成甲醇工業(yè)較為成熟，但隨著氫能的推廣，氨和甲 醇有望作為燃料或儲(chǔ)氫介質(zhì)加以應(yīng)用，未來(lái)存在增長(zhǎng)空間。 從主要參與者來(lái)看，用于丙烷脫氫、乙烷裂解的成套裝置， 以及PSA提純相關(guān)的成套裝備存在投資機(jī)會(huì)。
四、綠氫：電解槽和材料存在壁壘，國(guó)內(nèi)企業(yè)發(fā)力
電解水制氫主要有4種技術(shù)路線
電解水制氫主要有堿性電解(ALK)、質(zhì)子交換膜電解 (PEM)、固體氧化物電解(SOEC)和陰離子交換膜(AEM) 四種方法。 堿性電解(ALK)是在堿性電解質(zhì)溶液(通常為KOH)中完 成的電解過(guò)程，OH-離子經(jīng)隔膜到達(dá)陽(yáng)極，失去電子 產(chǎn)生O2，水在陰極得到電子，產(chǎn)生H2和OH-。 質(zhì)子交換膜電解(PEM)是對(duì)純水進(jìn)行電解，H2O分子在 陽(yáng)極氧化生成氧氣和H +離子，H + (質(zhì)子)在電場(chǎng)作用下 通過(guò)質(zhì)子交換膜遷移至陰極并發(fā)生還原反應(yīng)生成氫氣 的方法。固體氧化物電解(SOEC)是在高溫狀態(tài)下將水蒸氣電離 生成氫離子和氧離子，分別在電極上生成氫氣和氧氣 的過(guò)程，其反應(yīng)溫度通常在600 ℃以上，適用于產(chǎn)生 高溫、高壓蒸汽的光熱發(fā)電系統(tǒng)。 陰離子交換膜電解(AEM)通常采用純水或低濃度堿性 溶液作為電解質(zhì)，反應(yīng)過(guò)程為：OH-經(jīng)交換膜到達(dá)陽(yáng) 極生成水和氧氣，水分子在陰極生成OH-和氫氣。
堿性電解槽：由電解小室堆疊而成，電極、隔膜和密封墊片是關(guān)鍵材料
電解槽是電解水制氫的核心設(shè)備。電解水制氫裝置包括主體設(shè)備、輔助設(shè)備(BOP，Balance of Plant)及電控設(shè)備三部分。主體設(shè) 備由電解槽和附屬設(shè)備一體化框架組成，電解槽為核心設(shè)備;輔助設(shè)備包括水箱、堿箱、補(bǔ)水泵和氣體減壓分配框架等;電控設(shè) 備包括整流柜，配電柜等。電解槽是電解反應(yīng)發(fā)生的主要場(chǎng)所，由多個(gè)電解小室堆疊而成，是一種高度模塊化的系統(tǒng)。
堿性電解槽由多個(gè)電解小室構(gòu)成，電極、隔膜和密封墊片是關(guān)鍵材料。堿性電解槽通常呈圓柱形，可采用串聯(lián)單極性或并聯(lián)雙極 性壓濾式結(jié)構(gòu)，由螺栓和兩塊端壓板將極板夾在一起，形成多個(gè)分隔的小室，每個(gè)小室由電極、隔膜、墊片、雙極板組成。電 極、隔膜和密封墊片是堿性電解槽的關(guān)鍵材料。電極通常采用鎳網(wǎng)或泡沫鎳，其性能對(duì)電流密度和電解效率有決定性影響，其成 本約占系統(tǒng)成本的28%;隔膜用于將兩極隔離開，要求保障氣密性的同時(shí)，降低電阻以減少電能損耗;密封墊片用于解決極片之間 的絕緣問(wèn)題，其絕緣性能對(duì)電解效率、安全、系統(tǒng)使用壽命均有影響。
PEM電解槽：質(zhì)子交換膜依賴進(jìn)口，有待國(guó)產(chǎn)突破
PEM電解槽關(guān)鍵原材料有待國(guó)產(chǎn)化。目前，國(guó)內(nèi)PEM電解槽產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小，主要原因?yàn)殛P(guān)鍵材料質(zhì)子交換膜生產(chǎn)技術(shù)由歐美、日 本等巨頭壟斷，國(guó)內(nèi)電解槽廠商使用的質(zhì)子交換膜主要向杜邦進(jìn)口，成本和供應(yīng)鏈均面臨一定壓力。此外，PEM電解槽使用的貴 金屬催化劑也存在進(jìn)口依賴性。國(guó)內(nèi)PEM電解槽產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要國(guó)產(chǎn)關(guān)鍵材料環(huán)節(jié)的進(jìn)一步突破。
電解槽國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)格局：2022年CR3達(dá)到73%，新入者層出不窮
從出貨規(guī)模來(lái)看，考克利爾競(jìng)立、派瑞氫能和隆 基氫能居國(guó)內(nèi)企業(yè)第一梯隊(duì)。GGII統(tǒng)計(jì)，2022年 我國(guó)電解水制氫設(shè)備出貨量722MW(含出口)， 同比增長(zhǎng)106%。考克利爾競(jìng)立出貨230MW，排名 維持第一;派瑞氫能位居第二，隆基氫能首次躋 身第三。 市場(chǎng)玩家增加，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)集中度有所下降。我國(guó) 電解槽出貨量TOP3廠商2022年共計(jì)出貨527MW， 市占率合計(jì)73%，CR3較2021年下降10個(gè)百分點(diǎn)。 這意味著隨著國(guó)內(nèi)電解槽參與者增多，市場(chǎng)集中 度有所下降。值得注意的是，2022年國(guó)內(nèi)出貨量 TOP3的電解槽廠商最大訂單均來(lái)自中國(guó)石化新疆 庫(kù)車綠氫示范項(xiàng)目，該項(xiàng)目共采購(gòu)52臺(tái)1000標(biāo)方 堿性制氫設(shè)備。因此，若不考慮大訂單，國(guó)內(nèi)電 解槽市場(chǎng)集中度或許進(jìn)一步下降，市場(chǎng)仍處于高 成長(zhǎng)、競(jìng)爭(zhēng)格局未確定的階段。
文章來(lái)源：未來(lái)智庫(kù)
(報(bào)告出品方/作者：平安證券，皮秀、張之堯)
作者：皮秀、張之堯
評(píng)論