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我国氢能源发展仍处于探索阶段 受益绿氢产业化发展 相关设备厂商未来可期

一、氢能源行业概述及分类

氢能源是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源,能帮助可再生能源大规模消纳,实现电网大规模调峰和跨季节、跨地域储能,加速推进工业、建筑、交通等领域的低碳化。氢能源的核心驱动因素可总结为三点:1)能源发展的规律结果;2)“碳达峰、碳中和”的必然选择;3)缓解能源危机,摆脱地域资源约束。

根据观研报告网发布的《中国氢能源行业发展深度研究与投资前景分析报告(2023-2030年)》显示,按照氢能的制取方式,可将氢能源划分为灰氢、蓝氢和绿氢。其中,灰氢是从化石燃料制取的氢气,碳排放强度高;蓝氢是化石燃料制氢+CCS (即碳捕集技术)制取的氢气,碳排放强度低;绿氢是可再生能源电解水制取的氢气,几乎没有碳排放。

氢能源的分类及特点

类别 时期 特点
灰氢 早期阶段(2020-2030) 碳基能源制取,可近似理解为工业副产氢,单个装置规模难以实现较为经济的碳捕捉、利用和封存。
蓝氢 中期过渡阶段(2025-2035) 碳基能源制取结合二氧化碳捕捉、利用与封存。通过大规模煤炭、天然气制氢,可以较为经济地实现CCUS。
绿氢 最终目标(2030-2050) 可再生能源、核能电解水制取,实现全过程100%绿色,为终端部门深度脱碳奠定基础。

资料来源:国家能源局、观研天下数据中心整理

氢能是低碳经济的重要组成部分,虽然部分制氢过程可能产生碳排放,但未来随着绿氢的推广,氢能产业的碳排放预计将显著减少,有助于实现双碳目标。据IEA预测,2021-2050年,氢能在全球降碳行动中的累计贡献度为6%。

二、我国氢能源渗透率较低,政策资本助力下发展空间广阔

相较于煤炭、天然气、石油等传统燃料,氢气具备热值高、能量密度大、反应零排放等天然优势,是我国碳中和目标下理想的“清洁能源”。目前氢能主要在交通运输领域用于电力和燃油的补充,在工业领域用于钢铁冶金、合成氨和碳氢化合物的生产,但由于技术、成本和基础设施等方面的限制,其在能源领域的应用还相对有限。据中国氢能产业联盟与石油和化学规划院的统计,2019年我国氢气产能约4100万吨/年,产量约3342万吨,按照能源管理,换算热值占终端能源总量份额仅2.7%。

氢能源与其他新能源的对比

领域 氢能源 其他新能源
稳定性 无地域限制、无时间限制(无需考虑制取的间歌性和波动问题) 光伏和风电能有间歇性且波动大,需要考虑波峰波谷阶段;受天气和时间影响大,电网消纳压力较大
储能性 有气波固三种储存形式,载体的技术成熟可实现大容量且安全储能;无时间限制(长期储存不影响质量和使用能力) 储存形式单一,且限制性大(需要转化成电储能或靠近水源)有时间限制(储存有周期性,时间过就会影响能源质量和密度)
可获得性 获得来源多样,化石燃料、可再生能源电解水等均可制氢 主要依靠风、太阳、水自然资源转化获取,相较于氢能获取来源少
应用 同时氢能既可作为燃料亦可作为能源使用:交通运输领城(燃料电池)、冶金、化工等工业领域(作为燃料使用)、建筑领域(燃料电池)、发电 风能和光伏主要用于发电
规模 年制氢量约3300万吨;2020年全国氢气产能超过2000万t/a 2021年光伏发电量3259亿千瓦时;风电6526亿千瓦时
其他 可以利用现有加油站基础转化成加氢站,效率高成本低;有原料供给基础和优势,可以快速实现灰制氢模式,然后同步探索蓝绿氢方式;制氢产业链和天然气供应模式大致相同,落地实现性大 占地面积大,无法在城市大规模铺设设备;需要重新铺设设备,成本高效率相对低;选址有地域限制,容易对当地水土环境造成不良影响

资料来源:观研天下数据中心整理

尽管当前氢能源的渗透率相对较低,但政策和资本对其发展非常重视。近年来,政策、资本持续赋能各地氢能产业,氢能已正式纳入我国能源战略体系,在碳中和碳达峰的大背景下,我国氢能产业发展正在进入新的历史时期。氢能将成为我国能源体系的重要组成部分,在交通运输、工业等领域有望实现持续渗透,产生较为广阔的经济市场。预计2036-2050年氢能源在我国能源消费中的占比将达到10%,年经济产值将超过10万亿元。在地方政策方面,已有超过20个省市发布氢能相关政策规划,明确2025&2030年氢能发展目标。

我国氢能源行业重点政策梳理

发布时间 发布部门 政策名称 主要内容
2016年5月 中共中央 国务院 国家创新驱动发展战略纲要 开发氢能、燃料电池等新一代能源技术,发挥纳米、石墨烯等技术对新材料产业发展的引领作用。
2016年8月 国务院 “十三五”国家科技创新规划 可再生能源与氢能技术。开展太阳能光伏、太阳能热利用、风能、生物质能、地热能、海洋能、氢能、可再生能源综合利用等技术方向的系统、部件、装备、材料和平台的研究。
2020年10月 国务院办公厅 新能源汽车产业发展规划(2021—2035年) 突破车规级芯片、车用操作系统、新型电子电气架构、高效高密度驱动电机系统等关键技术和产品,攻克氢能储运、加氢站、车载储氢等氢燃料电池汽车应用支撑技术。
2021年2月 国务院 国务院关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见 因地制宜发展水能、地热能、海洋能、氢能、生物质能、光热发电。
2021年5月 生态环境部 关于加强自由贸易试验区生态环境保护推动高质量发展的指导意见 开展绿色能源供应模式试点,在确保安全的前提下,研究试点建设一批兼具天然气、储能、氢能、快速充换电等功能的综合站点。
2021年5月 科学技术部 关于印送《2021年科技部火炬中心工作要点》的函 瞄准类脑智能、量子信息、基因技术、未来网络、深海空天开发、氢能与储能等前沿领域,推动具备条件的国家高新区探索建设未来产业园,建立面向未来产业领域的研发平台,组织实施未来产业孵化与加速计划,提供未来产业应用场景,持续推动并形成若干未来产业。
2021年10月 中共中央 国务院 中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见 加强氢能生产、储存、应用关键技术研发、示范和规模化应用。
2021年10月 国务院 2030年前碳达峰行动方案 加快氢能技术研发和示范应用,探索在工业、交通运输、建筑等领域规模化应用。
2021年11月 工业和信息化部等部门 四部门关于加强产融合作推动工业绿色发展的指导意见 引导企业加大可再生能源使用,加强电力需求侧管理,推动电能、氢能、生物质能替代化石燃料。
2022年2月 国家发展改革委、国家能源局 国家发展改革委 国家能源局关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见 完善煤炭、石油、天然气产供储销体系,探索建立氢能产供储销体系。
2022年3月 国家发展改革委、国家能源局 氢能产业发展中长期规划(2021-2035年) 分析了我国氢能产业的发展现状,明确了氢能在我国能源绿色低碳转型中的战略定位、总体要求和发展目标,提出了氢能创新体系、基础设施、多元应用、政策保障、组织实施等方面的具体规划。
2022年6月 发改委、国家能源局等9部门联合印发 “十四五”可再生能源发展规划 推动光伏治沙、可再生能源制氢和多能互补开发;推动可再生能源规模化制氢利用。
2022年7月 国家市场监管总局、发改委、工信部等16部委 贯彻实施《国家标准化发展纲要》行动计划 加强新型电力系统标准建设,完善风电、光伏、输配电、储能、氢能、先进核电和化石能源清洁高效利用标准。
2022年8月 工信部、国家发展改革委、生态环境部 工业领域碳达峰实施方案 推进氢能制储输运销用全链条发展。
2022年10月 国家能源局 能源碳达峰碳中和标准化提升行动计划 开展氢制备、氢储存、氢输运、氢加注、氢能多元化应用等技术标准研制,支撑氢能“制储输用”全产业链发展。
2023年1月 国家能源局 新型电力系统发展蓝皮书(征求意见稿) 交通领域大力推动新能源、氢燃料电池汽车全面替代传统能源汽车。
2023年3月 国家能源局综合司 2023年能源行业标准计划立项指南 2023年氢能领域设置了专项标准立项计划,包括基础与安全、氢制备、氢储存和输运、氢加注、氢能应用和其他方面的规划。

资料来源:观研天下数据中心整理

三、氢能源产业链各环节分析

1、制氢路径多样,未来绿氢将成为氢气的供应主体

上游来看,氢能制备方式多种多样。国际来看,工业副产氢约占39%,天然气制氢约占42%,煤制氢约占18%,其他制氢约占1%。国内来看,现阶段制氢主要有三条路线,一个是以煤炭、天然气为代表的化石能源制氢,占比为64%;二是以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产制氢,占比为21%;三是电解水制氢,占比为14%。其中,化石能源制氢和工业副产制氢为我国目前主流的制氢方式,技术相对成熟、制氢成本相对较低,但所获得的氢气多为灰氢和蓝氢,仍然存在一定程度的碳排放和环境污染,并且长远来看化石能源的储量也有限,工业副产氢则依赖于焦炉煤气、化肥工业、氯碱、轻烃利用的工业过程,因此这两条路线无法作为大规模集中化的氢能供应来源。相比而言,电解水制氢的工艺过程简单,制氢过程无碳排放,且易于可再生能源结合,发展潜力较大。

主要制氢路径及优缺点对比

制氢方式 原料 原料价格 制氢成本 优点 缺点 适用范围
化石能源制氢 550元/吨 9元/kg 技术成熟 储量有限,制氢过程存在碳排放问题,需提纯及去除杂质 合成氨、合成甲醇、石油炼制
天然气 3元/立方米 27元kg 技术成熟
电解水制氢 电、水 商电0.8元/kWh谷电0.3元/kWh弃电0.1元/kWh 48元kg23元kg14元/kg 工艺过程简单,制氢过程不存在 尚未实现规模化应用,成本较高 结合可再生能源制氢;电子、有色金属冶炼等对气体纯度及杂质含量有特殊要求
化工过程副产氢 焦炉煤气、化肥工业、氯碱、轻烃利用等 - 10-16元/kg 成本低 须提纯及杂质去除,无法作为大规模集中化的氢能供应源 合成氨、石油炼制
生物质制氢 农作物、藻类等原料 - - 成本低 氢含量较低 -
核能制氢 - - 合理利用核能发电废热 技术不成熟 -
光催化制氢 - - 原料丰富 技术不成熟 -

资料来源:观研天下数据中心整理

综合来看,电解水制氢是未来制氢的主流路线,发展绿氢则是未来的主要方向。近年来,全球多地出台政策助力氢能产业的发展,绿氢市场认可度逐步提高。根据国际能源署数据显示,自 2021 年 2 月 以来,全球启动了超 131 个大型氢能开发项目,并预计 2030 年全球氢能领域投资总额将达 5000 亿美元。国内来看,从 2020 年氢能被列入能源范畴以来,氢能在低碳发展的战略地位愈加凸显。国家能源局等部门出台氢能相关政策,引领氢能产业快速发展,各地方政府也陆续出台政策大力发展氢能。政策支持下,绿氢项目频繁涌现,仅2022年落地项目就多达百余个,进入2023年,一批大型绿氢项目的开工、招标、签约更是频频引起行业关注。作为零碳气体,绿氢是实现碳中和路径的重要抓手,可以预见,绿氢将成为未来氢气的供应主体。

观研天下分析师观点:一直以来,技术和成本限制我国氢能源产业的发展,目前绿氢仍面临生产成本高、缺少专用基础设施、制取过程中能量损失严重等难题,尤其是未来大规模的氢用量使其对氢能价格更为敏感。按照现有技术水平,绿氢化工的成本约为灰氢化工的2~3倍,并不具备规模化应用的条件,项目经济性较低,需持续通过技术创新实现降本增效,这也给企业提供了一个发展的重要思路。

2、主流高压气态储氢安全隐患大,固态储氢或成为未来技术热点

氢能产业链整体可以分为氢能制取、氢能储运、氢能应用三大环节,其中储运环节是高效利用氢能的关键,被视为整个产业链难度最大的环节。一方面,氢气是世界上密度最小的气体,体积能量密度低,扩散系数大,容易泄露;另一方面,氢能燃点低,爆炸极限1宽(4.0%~75.6%),爆炸危险性较高,对安全性提出较高要求。因此,如何提升氢能的储存、运输安全性及效率,并持续降低成本,正是当前我国氢能产业发展亟待突破的技术瓶颈。

目前我国储氢方式主要有四种:高压气态储氢、低温液态储氢、固态储氢和有机液体储氢。其中,高压气态储氢是最常用的方式,即利用高压将氢气压缩到高压容器中,其技术成熟度最高,氢气压缩能耗低,另外氢气储存多采用钢瓶,结构简单、充放气速度快,但存在较大的安全隐患;低温液态储供模式下,液氢体积能量密度大,因此储运简单安全、运输成本低,但把氢气液化耗能较大,液化1kg的氢气需要耗电4-10千瓦时,且液氢的存储容器需要具有抗冻、抗压以及严格绝热的特性,因此综合成本较高,现多用于航天航空项目。

有机液体储氢是通过不饱和液体有机物的可逆加氢和脱氢反应来实现储氢,目前仍有较多的技术难题尚未攻克,导致费用较高、氢气纯度不够,但是有机液体储氢能够在常温下运输,安全性较高,并且可以利用现有加油站设施进行加注,在未来极具应用前景。此外,固态储氢是一种新兴的技术,以其高储氢密度、高安全性、长期稳定性等优点备受瞩目。与传统储氢技术相比,固态储氢技术也有着更好的环保性能,可以满足低碳清洁能源的需求。未来,固态储运氢将在氢治金、加氢站、季节性储能、交通运输、氢化工等领域发挥重要作用,预计2025年前固态储运氢技术将实现大规模的示范应用。

氢能储运的四种方式对比

储运方式 运输工具 压力 载氢量 体积储氢密度 质量储氢密度 成本 能耗 经济距离 适用场景
单位 - MPa kg/车 kg/m3 wt% 元/kg kWh/kg km -
气态储运 长管拖车 20 300-400 14.5 1.1 2.02 1-1.3 <=150 城市内配送
管道 1-4 - 3.2 - 0.3 0.2 >=500 国际、跨城市与城市内配送
液态储运 液氢槽罐车 0.6 7000 64 14 12.25 15 >=200 国际、规模化、长距离
固体储运 货车 4 300-400 50 1.2 - 10-13.3 <=150 -
有机液体储运 槽罐车 常压 2000 40-50 4 15 - >=200 国际、规模化、长距离

资料来源:中国氢能联盟、观研天下数据中心整理

观研天下分析师观点:从中游储运环节来看,未来发展路线主要关注两点:储存容器和储存路线。容器方面,要提升国产化率,研发储氢密度更高、重量更轻的更大型储罐,为氢能规模化发展提前打好基础。路线方面,要推动液氢、固态储氢等现有路线尽快实现规模化应用,并继续探索能够实现更高密度、更高放氢效率的储氢方法。

3、当前工业领域占据主要份额,交通运输或将成为未来重要突破口

下游来看,目前,我国大部分氢气的用途都属于工业领域,氢气在工业领域主要用于加热、切割、焊接等领域,可替代传统的燃气和电力。其中,石油化工和煤化工是使用的氢气最多的领域,能够达到总氢气使用量的50%;合成氨是氢气应用的第二大户,能够达到总氢气使用量的45%。未来,氢能将会向供动能、供电能、冶金等方面转移。

工业领域氢气用途

行业 用途
石油化工 原料
煤化工 原料
合成氨 原料
电子 保护气体
其他 航空燃料

资料来源:观研天下数据中心整理

值得一提的是,交通运输是目前关注度最高的应用领域,氢燃料电池汽车被认为是商用车加速脱碳进程、实现电动化转型的重要方向,未来或将成为氢能消费的重要突破口。2020年以来,国家层面有关鼓励氢能和氢燃料电池汽车发展的政策持续加码,地方政府也陆续出台支持政策。根据中国氢能联盟预测,到2050年中国氢气需求量将接近6000万吨,其中交通运输领域用氢可达2458万吨,占比约40%。当前国内加氢站建设已经进入快速发展期,燃料电池技术国产化率持续提升,燃料电池系统成本不断下降。伴随未来规模化效应,燃料电池车最终应用成本降本空间较大,有望促进燃料电池商用车与乘用车的大范围推广。

四、政策鼓励和产业需求共振下,国内氢能源相关设备厂商有望持续受益

综上来看,在政策鼓励和产业需求共振下,氢能制、储、运、加、用环节逐步突破,相关设备需求有望陆续提升,相关厂商有望持续受益。

制氢设备厂商:随着国内绿氢发展提速,可再生氢产能建设快速推进,生产氢能源所需的水电解设备、电解质膜、氢气储存设备等厂商可能会迎来增长机会。以电解槽为例,当前我国氢气长距离输送管道进入新发展阶段,以中石油、中石化为代表的企业纷纷布局输氢管道,输氢管道数量持续增加,制氢端对电解槽的需求也有望增加。根据GGII,2023年国内已开工和招标电解槽的绿氢项目超过8个,合计电解槽招标量达813.5MW,同比增长超3倍,已超22年国内全年出货量。未来随着输氢管道的普及以及示范性绿氢项目的建设,预计2025年电解槽需求或累计达到12GW-15GW。当前,国内布局电解槽的企业主要有:隆基绿能、阳光电源、异辉科技、华电重工等。此外,在管道的建设过程中,需要配套相应的增压站、集输站点,因此相应的氢气压缩设备、储氢槽罐的需求量有望显著增加。

燃料电池系统制造商燃料电池是将氢气和氧气转化为电能的关键技术,燃料电池系统制造商将受益于氢燃料电池车和其他燃料电池应用的增长。在政策推动下,加氢站布局持续加速为燃料电池行业的稳步发展提供了重要支撑,国内燃料电池电堆及系统正向大功率快速迭代升级,技术水平快速提高。与此同时,燃料电池产品的制造成本大幅降低,国产化程度也有所提高。随着氢能产业规划的落地、燃料电池技术的不断迭代、核心材料的国产化,燃料电池成本有望快速下降,逐步进入市场化进程,燃料电池系统制造商将有望持续受益。

氢气储运设备制造商:氢气在存储和运输过程中需要特殊的设备和技术,制造氢气储罐、氢气管道、氢气运输车辆等设备的企业可能会受到需求增长的影响。2023年4月10日,我国首个“西氢东送”输氢管道示范工程被纳入国家规划《石油天然气“全国一张网”建设实施方案》,标志着我国氢气长距离输送管道进入新发展阶段。随着未来氢能需求快速增加及制氢分布不均匀,管道运输将成为大规模、长距离运氢的必然趋势。随着氢能储运需求的提升,压缩机、储氢瓶、加氢机等储运环节相关设备企业有望受益。

氢能源系统集成商:将不同组件整合为完整的氢能源系统的企业有望在氢能源市场中发挥重要作用,包括整体系统设计、建设和维护。目前我国氢能源电池系统集成商主要有:雄韬股份、亿华通、腾龙股份、全柴动力、美锦能源、德尔股份、龙蟠科技。随着氢燃料电池汽车已具备产业化基础,进入放量、降本、技术进步的正向循环,燃料电池系统及上游核心材料需求将迎来高速增长,氢能源电池系统集成商有望受益。

观研天下分析师观点:当前氢能源在我国还处于商业化的初期阶段,相关技术、标准、商业模式等都还在探索阶段,从产业链来看,上中下游均具备投资机会,比如储运技术方案、场地作业应用、分布式制氢等细分赛道,都是创投企业有机会参与的领域。尤其是下游环节相对中上游而言产品化程度高、技术待突破点或许是一个更适合早期VC和初创公司进入的方向。(LZC

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