氫能源行業(yè)市場分析研究

氫能源行業(yè)市場分析1.氫能“綠色低碳+能源安全”的戰(zhàn)略選擇氫能，綠色低碳、來源豐富，應用廣泛，對構建清潔低碳、安全高效的能源體系，具有重要意義，已成為全球加快低碳、綠色轉型，培育經濟新增長點的戰(zhàn)略選擇。發(fā)展氫能的主要驅動力可以歸結為：1.減輕“溫室效應”，呵護人類家園是核心驅動力；2.構建安全能源體系的重要選擇；3.氫能產業(yè)鏈環(huán)節(jié)眾多，是潛在經濟新增長點。1.1減輕“溫室效應”呵護人類家園是核心驅動力2015年，《巴黎協(xié)定》在聯(lián)合國氣候變化大會（巴黎氣候大會）上達成。由于溫室效應，全球各地極端天氣頻發(fā)，世界面對氣候變化和自然災害加劇的壓力持續(xù)增大。《巴黎協(xié)定》因此設定了主要目標：到本世紀末把全球平均氣溫升幅較工業(yè)化前的水平控制在2℃之內，并為把溫升控制在1.5℃之內而努力；全球將盡快實現(xiàn)溫室氣體排放達到峰值，以促進溫室氣體排放實現(xiàn)回落，并在本世紀下半葉實現(xiàn)溫室氣體的凈零排放。由此，國際社會開啟了綠色減排新規(guī)劃、新征程。根據(jù)國際能源署（IEA）和氫能聯(lián)盟（HydrogenCouncil）預測，限制2℃的溫升，需將與能源相關的CO2排放量減少60%，由2015年的340億噸，調整到2030年的260億噸，到2050年降低到130億噸。2020年9月，我國在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和?！?021年1月，美國重返《巴黎協(xié)定》，然后積極推動氣候變化治理，發(fā)布一攬子應對氣候變化政策，包括《清潔能源革命與環(huán)境正義計劃》、《關于應對國內外氣候危機的行政命令》和《通脹削減法案》等，期望到2050年實現(xiàn)零碳排放。2021年7月，歐盟著手制定“Fitfor55”計劃，核心目標是“2030溫室氣體排放量較1990至少減少55%”?？刂频厍驕囟壬仙龋瑴p輕“溫室效應”，減少溫室氣體排放，實現(xiàn)碳中和，呵護地球生態(tài)，守護人類家園已經成為國際社會普遍共識。減碳目標時間緊，任務重。中國科學院院士于貴瑞團隊預測：在2100年大氣升溫控制在1.5℃目標下的2030年和2050年全球溫室氣體年排放量需要分別控制在約275億噸和70億噸CO2當量以內。然而以目前的排放情況估算，2030年溫室氣體排放總量將在520億—580億噸CO2當量區(qū)間。單就CO2來說，預計排放量將于2025年達峰，其峰值約為420億噸/年，即在歷史發(fā)展模式下基本不可實現(xiàn)1.5℃的控溫目標。要實現(xiàn)全球1.5℃控溫目標，2030年和2050年的全球CO2年凈排放量需要分別控制在203億噸和-5億噸CO2以內，并且至2100年應達到每年從大氣中凈固定102億噸CO2狀態(tài)。能源領域是碳排放大戶，能源領域減碳對“碳中和碳達峰”意義重大。我國是世界能源生產大國和消費大國，能源碳排放占全國碳排放總量的80%左右。傳統(tǒng)燃料所產生的碳排放系數(shù)高（每種能源在燃燒或使用過程中單位能源所產生的碳排放數(shù)量），排碳嚴重。1.2構建安全能源體系的重要選擇氫能來源豐富，電解水，化石能源重整制氫，工業(yè)副產物制氫均可以制氫。在當前全球地緣政治日漸復雜、局部地區(qū)爆發(fā)沖突頻發(fā)的背景下，能源安全重要性日益提升，各國也將重新布局能源生產與消費。氫能來源廣泛，可以擺脫自熱稟賦限制，助力掌控能源自主性。氫能源技術革命與產業(yè)化的受重視程度加速提升。1.3氫能產業(yè)鏈環(huán)節(jié)眾多潛在經濟新增長點氫能產業(yè)鏈涉及環(huán)節(jié)眾多，已成為全球培育經濟新增長點的戰(zhàn)略選擇。氫能產業(yè)鏈總體可分為制取、儲存、運輸和應用等4個環(huán)節(jié)。其中，制氫方式主要分為：電解水制氫；煤，天然氣等化石燃料重整制氫；氯堿尾氣、焦爐煤氣等工業(yè)副產物制氫。儲運方式主要有：壓縮氣體儲運、低溫液化儲運、有機液態(tài)儲運、固態(tài)吸附儲運。氫能的下游應用領域十分廣闊，包括工業(yè)應用、交通運輸、發(fā)電發(fā)熱等。交通領域中氫燃料電池汽車是行業(yè)的焦點，發(fā)展前景廣闊。從培育經濟增長點角度看，氫能產業(yè)鏈條長，涉及領域眾多，氫能產業(yè)的發(fā)展必將帶動產業(yè)鏈上下游零部件、原材料、設備等廠商發(fā)展，為經濟增長提供強勁動力。2.政策氫能戰(zhàn)略地位逐步提升全球氫能政策逐漸加碼，推動氫能進一步迅速發(fā)展。在“碳中和+能源安全”的戰(zhàn)略目標下，為此中國乃至全球都推出了氫能戰(zhàn)略政策，加速氫能發(fā)展。2.1中國：頂層設計逐步完善輔助完整產業(yè)鏈的形成我國氫能源相關政策頂層設計逐步完善，輔助完整產業(yè)鏈的形成。2019年，氫能首次被寫入《政府工作報告》，此后氫能逐步受到重視，相關支持政策加速出臺，國家專門出臺《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》，并且氫能作為前沿科技和新興產業(yè)被寫進國家“十四五”規(guī)劃。國家正全面推動氫能發(fā)展，重點圍繞可再生能源制氫、電氫耦合、燃料電池等領域，推動“制儲輸用”全鏈條發(fā)展。2.2海外：氫能政策逐漸加碼產業(yè)步入發(fā)展快車道海外歐美日等地，均出臺國家級氫能發(fā)展戰(zhàn)略，對氫能均寄予厚望，雄心勃勃，氫能產業(yè)鏈即將迎來變革，步入發(fā)展快車道。美國：制定《國家清潔氫戰(zhàn)略和路線圖》，確定近、中、長期行動。規(guī)劃2030/2040/2050年美國綠氫年產能分別達到1000/2000/5000萬噸。2024-2028年實現(xiàn)電解水制氫成本2美元/kg，2029-2036年實現(xiàn)制氫成本1美元/kg。此外，《通脹削減法案》也為綠氫生產提供稅收抵免，支持綠氫發(fā)展。日本：提高氫能發(fā)展目標。日本《第六次能源基本計劃》中，將2030年氫/氨發(fā)電占比從第五期計劃設定的0%提高到本次設定的1%。2030/2050年實現(xiàn)氫氣年供應量300/2000萬噸。2030年實現(xiàn)制氫成本從目前的100日元/Nm3（約合5.5元人民幣/Nm3）降至30日元/Nm3（約合1.7元人民幣/Nm3）。歐盟：目標明確，將氫能源整合到歐盟的綜合能源系統(tǒng)。規(guī)劃至2030年安裝40GW可再生能源電解槽，可再生能源制氫年產量1000萬噸；2030~2050年，可再生能源制氫技術將逐漸成熟，其大規(guī)模部署將可以使所有脫碳難度系數(shù)高的工業(yè)領域使用氫能代替。德國將投入90億歐元用于氫能源市場推廣和相關國際合作。3.市場空間廣闊交通領域增速可期氫能的應用場景主要包括交通、工業(yè)、發(fā)電、燃燒發(fā)熱等方向。根據(jù)國際能源署（IEA）數(shù)據(jù)，本世紀前20年，氫氣需求（用量）增長了50%。2020年，氫氣需求約90Mt（百萬噸），其中大多數(shù)需求源自石油精煉、化工（生產氨氣和甲醇）、鋼鐵等領域：石油精煉：作為原料、還原劑、以及能量來源，約40Mt需求，占比44%；化工：生產氨氣和甲醇，約45Mt需求，總需求50%，其中3/4用來生產氨氣，1/4用來生產甲醇；鋼鐵：在直接還原法生產鋼鐵過程中（DirectReducedIron，DRI），消耗約5Mt氫氣，占總需求6%。其他：在交通運輸，發(fā)電等領域占比極少，像交通運輸領域需求少于20kt，占比僅為0.02%。未來有很大的發(fā)展空間。這些比例自從2000以來，除了DRI生產中用氫比例稍有增加外，其他的幾乎沒有發(fā)生變化。當前清潔氫占比極小，發(fā)展空間廣闊。根據(jù)IEA數(shù)據(jù)，2020年近1%的氫氣源自化石燃料重整（有CCUS1），可以算是清潔氫；2021年，清潔氫多了一個來源途徑—電解水制氫，約占0.04%（約0.04Mt）。根據(jù)IEA和HydrogenCouncil等組織機構預測，2050年清潔氫2需求約660Mt（假設氫氣價格為10元/kg,價值約合6.6萬億），占全球最終能量需求的22%。假設2050年，電解水制氫比例提升至10%（66Mt），則電解水制氫產量2021-2050CAGR=29%，增速非?？捎^。3.1交通領域：氫燃料電池汽車前景清晰增速可期以燃料電池車為代表的交通領域是氫能初期應用的突破口，也是政策支持的重點，商業(yè)化應用前景也較為清晰?；阡囯姵氐碾妱悠囀钱斍暗闹髁鳎嬖趶U舊電池回收、續(xù)航里程短、充電速度慢等問題，這也為發(fā)展氫燃料汽車提供了空間。隨著氫燃料電池汽車技術不斷成熟、成本逐漸下降，氫燃料電池汽車將逐步占有一定市場。燃料電池汽車推廣持續(xù)提升，增速可期。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟統(tǒng)計，2022年底，中國燃料電池汽車保有量約1.3萬輛，同比增長39%；全球主要國家（中韓日美德）燃料電池汽車總保有量達到6.7萬輛，同比增長36.3%。根據(jù)中、外氫燃料電池汽車相關政策規(guī)劃，我們預計，2025/2030國內燃料電池汽車保有量為5/37.1萬輛，年銷量為2.2/10萬輛，滲透率為0.08%/0.33%；2025/2030全球燃料電池汽車保有量為17/94萬輛，年銷量為5.2/25萬輛，滲透率為0.06%/0.28%。預計2023/2030，燃料電池汽車用氫氣需求為62/474萬噸，2023-2030CAGR=34%。3.2工業(yè)：氫直接還原鐵減碳顯著2030年有望推廣應用鋼鐵行業(yè)不僅是能耗大戶，也是碳排放大戶。我國鋼鐵行業(yè)的能耗約占全國總能耗的15%，其中，70%的能耗集中在煉鐵工序；碳排放量約占全國碳排放量的18%，是我國碳排放量最大的制造業(yè)行業(yè)。氫能可以從本質上改變煉鐵工藝高排放的缺點。用氫直接還原氧化鐵（DRI），產物是水，二氧化碳的排放量為零，減碳效果顯著，也是確定性非常高的氫應用場景。4.產業(yè)鏈條不斷完善助力氫能步入“快速發(fā)展期”氫能發(fā)展的挑戰(zhàn)主要是經濟性問題，隨著技術迭代，“制儲運加”氫等環(huán)節(jié)的成本大幅降低，產業(yè)鏈條不斷完善，助力氫能步入“快速發(fā)展期”。4.1制氫：綠氫是重點降本可期綠氫是未來產業(yè)的重點發(fā)展方向。氫能產業(yè)發(fā)展初衷是零碳或低碳排放，我國當前電網以火電為主，當前電網電解水制氫生命周期CO2排放量是煤制氫的1.7倍。雖然灰氫、藍氫成本較低，但將會逐漸被基于可再生能源的綠氫所替代。在技術層面，電解水制氫主要有4種：堿性水解（AWE/ALK）、質子交換膜水解（PEM），固體聚合物陰離子交換膜（AEM）水解、固體氧化物（SOE）水解。AWE：商業(yè)化早，成熟度高，壽命長；可使用非貴金屬電催化劑（如Ni、Co、Mn等），因而成本低，但產氣中含堿液、水蒸氣等，需經輔助設備除去；另一方面，AWE難以快速啟動、無法快速調節(jié)制氫的速度，因而與可再生能源發(fā)電的適配性較差。PEM：電流密度高、電解槽體積小、運行靈活、利于快速變載，與風電、光伏發(fā)電具有良好的匹配性。隨著技術進步，以及PEM電解槽的逐步推廣應用，其成本有望快速下降，是未來的重要發(fā)展方向。AEM和SOE目前處于實驗室研發(fā)和初步示范階段，短期不會大規(guī)模應用。電解水制氫成本主要在于電價和設備成本。電解水制氫成本組成包括3個部分：電解設備成本、電價和其他運營成本。電力占絕大部分份額。未來隨著鈣鈦礦等低成本光伏發(fā)電技術的發(fā)展，電力成本有望大幅降低，制氫成本也有望隨之下降與當前煤制氫、工業(yè)副產物制氫成本相當。由于AEM和SOE還未廣泛商業(yè)應用，所以在此我們僅討論AWE和PEM電解水制氫成本。AWE：在單位設備成本0.85萬元/Nm3/h，電價0.3元/kWh等假設前提下，測算得AWE制氫成本為1.8元/Nm3，其中電費成本為1.5元/Nm3，占比84%。AWE制氫技術經過幾十年的發(fā)展，比較成熟，未來的降本路徑主要會依靠電價的下降。在電價為0.2元/kWh，相應制氫成本可降為1.3元/Nm3。PEM：在單位設備成本3萬元/Nm3/h，電價0.3元/kWh等假設前提下，測算得PEM制氫成本為2.2元/Nm3，其中電費和設備成本分別約占68%，23%。雖然當前成本較高，但響應速度快，適配性更強。隨著技術進步，未來PEM會減少貴金屬催化劑用量，而且，鈣鈦礦等低成本光伏發(fā)電技術正逐步商業(yè)化，未來，PEM電解水設備成本和電價均會降低。在它們成本分別為1萬元/Nm3/h，0.1元/kWh的情況下，PEM制氫成本可達0.9元/Nm3，與煤制氫成本相當。4.2儲運：短距儲運有保障長距輸運已啟動建設氫氣儲運技術的發(fā)展對實現(xiàn)氫能大規(guī)模應用起重要支撐作用。儲氫的挑戰(zhàn)在于：氫氣易燃、易爆，在空氣中的體積濃度在4%～75.6%之間時，遇火源就會爆炸。同時，氫氣分子“簡單小巧”—由2質子和2電子組成，容易泄露，鉆進分子間隙，和鋼材發(fā)生“氫脆”現(xiàn)象，導致儲運裝置材料力學性能下降、塑性下降，出現(xiàn)開裂或損傷的情況。儲氫方式多樣，高壓氣態(tài)儲氫比較成熟。氫能儲存主要有高壓氣態(tài)儲運、低溫液態(tài)儲運、有機液態(tài)儲運、固氫儲運等方式。目前高壓氣態(tài)儲運技術比較成熟，應用比較廣泛，可以用在燃料電池汽車上，滿足中長里程需求。從運輸方面來看，主要有車載運輸和管道運輸。車載運輸：短距離成本優(yōu)勢明顯。目前，中國氫能產業(yè)處于發(fā)展初期，運輸距離短、氫氣需求量小，車載運輸足以滿足目前發(fā)展需求。管道運輸：遠距離成本優(yōu)勢明顯。初期投資成本高。今年4月，中國石化主導的、我國首個純氫長輸管道項目已經啟動。此外，以現(xiàn)有的天然氣輸運管網為基礎，進行天然氣摻氫運輸，也是潛在可能途徑。4.3加氫：高速發(fā)展布局持續(xù)完善加氫站高速發(fā)展，布局持續(xù)完善。2022年，中國和全球加氫站數(shù)量分別為330個，814個，同比增速分別為29%，19%。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟數(shù)據(jù)，我國加氫站已累計覆蓋28個省（直轄市）。廣東佛山新建加氫站8座，累計建成運營35座，位居全國首位；山東省共建成30座，位于全國第二。船舶、火車用加氫站開展試點應用。我國30兆帕加氫站技術已基本實現(xiàn)自主化貫通，70兆帕加氫站加氫機處于示范驗證階段。5.氫燃料電池汽車降本預測“氫油平價”即將到來成本是影響氫燃料電池汽車推廣的重要因素。中大型商用車是有望率先推廣的方向，所以我們選取4.5噸物流車（中型貨車）、49噸重卡（重型貨車）和12m公交車（大型客車）為代表，分析它們的經濟性。本文采用行業(yè)內常用的“全壽命周期擁有成本（TotalCostofOwnership,TCO）”模型來評估它們的經濟性。全壽命周期擁有成本=購車成本+能源成本+維保成本-車輛報廢殘值。不考慮購車補貼的情況下，電動汽車（BEV）TCO最低，氫燃料電池汽車（FCEV）TCO最高。對于重卡（49噸）和大型客運車（12米公交車）來說，BEV續(xù)航里程較短，兩者標稱續(xù)航里程分別約為315km，200km（以比亞迪B12大巴、福田智藍重卡為例），而且補能時間長，這限制了它們的應用場景；而FCEV續(xù)航里程可達1000km，無里程憂慮；對于物流車來說，若有冷藏運輸需求，制冷機也需消耗電力，純電汽車帶電量無法滿足營運需求，所以氫燃料電池汽車可以在這些領域占據(jù)一定市場。FCEV成本高，所以需要補貼來提高其經濟性，以推廣使用。然而，即使考慮補貼，對于重卡和大型客運車來說，氫燃料電池汽車成本仍高于電車和油車。所以需要采取其他措施來降低氫燃料電池汽車成本。在氫燃料電池成本中，購車成本和燃氫成本占絕大部分比例，降低它們成本是提高氫燃料電池汽車的有效途徑。FCEV與油車的TCO相當時，有望迎來大規(guī)模應用。以柴油為燃料的4.5噸物流車、49噸重卡和12米公交車的單位TCO分別為1.3元/km，4.3元/km，3.9元/km。對于4.5噸物流車，F(xiàn)CEV購車成本降到40萬元，燃氫成本降到33.6萬元時，可以達到“氫油平價”，即補貼前每公里TCO，F(xiàn)CEV和柴油汽車相同，為1.3元/km。對于49噸重卡，補貼前FCEV的TCO受燃氫成本影響較大，當燃氫成本降到205.8萬元時，可以達到“氫油平價”點—4.3元/km以下。對于12米公交車，補貼前的FCEV的購車成本降到140萬元，燃氫成本降到117.6萬元時，F(xiàn)CEV補貼前每公里TCO可以達到“氫油平價”點—3.9元/km以下。燃料電池系統(tǒng)成本、儲氫系統(tǒng)成本、單位里程耗氫量、氫氣價格是影響氫燃料電池汽車的重要因素，我們參考《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖2.0》等資料給出的氫燃料電池汽車相關的“里程碑指標和路線圖”，對三款典型FCEV成本演變進行了預測。在不考慮補貼的情況下，預計2024年，“4.5噸物流車”可以實現(xiàn)“氫油平價”，“49噸重卡”預計將于2025年實現(xiàn)“氫油平價”。在有購車補貼的情況下，從經濟性角度來說，當前（2023年）“4.5噸物流車”已經實現(xiàn)“氫油平價”；2024年，“49噸重卡”和“12米公交車”可以實現(xiàn)“氫油平價”。6.投資分析6.1制氫環(huán)節(jié)6.1.1隆基綠能“綠電+綠氫”是實現(xiàn)碳中和的重要方案，隆基早有布局，逐漸提速。2021年，隆基綠能正式成立了隆基氫能，致力于成為全球領先的大型綠氫裝備與方案提供商。2021年10月，隆基首臺堿性水電解槽下線。標志著公司已經初步具備訂單交付能力，也標志著公司向“全球領先的氫能裝備技術公司”的愿景，邁出了重要一步。電解水制氫裝備產能約500MW，規(guī)劃未來五年內產能達到5-10GW，有10倍增長。2022年5月，作為大型綠氫裝備與方案供應商，成功入圍中石化首個萬噸級綠氫示范項目。隆基的堿水制氫系統(tǒng)已實現(xiàn)并達到了世界領先水平：4臺1000Nm3/h電解槽對應1臺氣液分離裝備，系統(tǒng)制氫能力達到4000Nm3/h，單臺純化能力達到8000Nm3/h，系統(tǒng)電耗無論實證數(shù)據(jù)還是設計水平均創(chuàng)造了領先性。2022年產能約為1.5GW。2023年2月，隆基發(fā)布全新一代堿性電解水制氫設備ALKHi1系列產品，最低4kWh/Nm3，大幅領先于現(xiàn)有的行業(yè)商業(yè)化水平。它可以降低10%以上的直流電耗，在不同場景下的制氫LCOH將大幅降低。制氫直流電耗每降低0.1kwh/Nm3，可以使制氫LCOH降低1.8%-2.2%，相當于降低了制氫設備初始投資的10%到25%。6.1.2陽光電源公司AWE和PEM雙線發(fā)展，均有示范項目落地。2019年10月，陽光電源攜手中科院大連化物所成立“PEM電解制氫技術聯(lián)合實驗室”。實驗室將以大功率PEM電解制氫裝備的研究開發(fā)為核心，研發(fā)過程中產出的科研成果，優(yōu)先以陽光電源的產業(yè)基地為轉化出口。2021年3月，發(fā)布全國最大功率PEM電解槽—250kW（50標方）。該款電解槽尺寸小、重量輕，更適宜應用于對土地面積或部署空間敏感的場景，適用多種制氫應用模式，適配風光儲網能量接入。安全可靠，直流電耗低，壽命長達10年。響應速度快，能實現(xiàn)5分鐘內冷啟動、10秒內熱啟動、輸入功率秒級響應。2022年，1000Nm3/h堿性電解水（AWE）制氫系統(tǒng)榮獲國際認證，200Nm3/hPEM制氫系統(tǒng)交付。6.1.3華電重工傳統(tǒng)業(yè)務：公司主要業(yè)務為工程總承包以及核心高端裝備研發(fā)，涵蓋物料輸送工程、熱能工程、高端鋼結構工程等方面。氫能業(yè)務：積極布局與開拓。2022年，自主研發(fā)的1200Nm3/h堿性電解槽和氣體擴散層（GDL）產品順利下線；為加快推進氫能業(yè)務關鍵技術研究及核心裝備開發(fā)，投資并控股通用氫能51%股權相關工作。目前在手項目有：內蒙古華電包頭市達茂旗20萬千瓦新能源制氫項目，合同總金額3.4億。2023年3月，大股東華電科工（持股63%）與金山股份共同出資建設25MW風電離網制氫一體化項目，項目總投資2.8億，預計年產綠氫1230噸，其中華電科工投資占比30%。6.1.4華光環(huán)能傳統(tǒng)業(yè)務：公司重點發(fā)展能源和環(huán)保兩大產業(yè)，主要從事：燃煤、燃氣、地熱、余熱等各類熱電企業(yè)投資、建設、運營。氫能業(yè)務：2022年，公司能成功研制開發(fā)了一套產氫量30Nm3/h堿性電解水制氫中試示范工程設備。該設備的單位能耗為4.3kWh/Nm3H2，制氫系統(tǒng)能效值81%，能效等級為1級。2023年3月，成功研發(fā)并下線產氫量1500Nm3/h的堿性電解槽。已具備500Nm3/h以下、500-1000Nm3/h，1000-2000Nm3/h，多個系列堿性電解水制氫系統(tǒng)制造技術。已有10000m2電解槽水制氫設備制造場地，并同步推進新制造基地建設。6.1.5昇輝科技傳統(tǒng)業(yè)務：高低壓成套設備、LED照明設備及安裝。氫能業(yè)務：在氫能產業(yè)的核心環(huán)節(jié)進行投資與布局。參股設立電解水制氫裝備公司