氢能行业研究：到2030年可再生绿氢或将实现与灰氢平价

氢能行业研究：到2030年可再生绿氢或将实现与灰氢平价 1核心观点 研究背景 “30-60双碳目标”的提出为绿氢在深度脱碳领域提供了广阔的市场应用空 间，但从当前绿氢产业发展阶段来看，整体处于产业导入阶段，制约绿氢产业规模化发展的核心因素在于制氢成本，在本篇报告中，我们建立了绿氢的全生命周期生产成本模型（LCOH)，并对绿氢降本路径进行预测及分析。 创新之处 目前市场对于绿氢成本的研究相对简单且较少，因此我们系统性地建立了绿氢的全生命周期成本模型，通过对绿氢成本核心要素（包括电力成本、电解槽初始投资成本CAPEX、固定运维成本OPEX）进行拆解及预测，分析了可再生能源电 解水制绿氢何时能与灰氢实现平价，并分析了绿氢在各脱碳应用领域的成本竞争 力。 核心结论 1）到2030年国内绿氢成本可实现与灰氢平价。到2030年，绿氢成本将从 2020年的30.8元/kg快速降至16.9元/kg。而国内部分可再生资源优势区域 其度电成本到2030年将领先于行业平均水平达到0.1-0.15元/KWh，相应的绿氢 成本将率先实现与灰氢平价。 和重卡行业得以应用；到2030年，绿氢成本可下探至10-12元/kg，氢能在重型 运输领域极已具价格竞争力；2035年后，绿氢或将作为极具竞争力的能源在主流工业领域和交通领域大规模推广应用。 2脱碳是推动氢能发展第一驱动力 2.1碳中和推动生产资料向无碳化趋势发展 从工业革命开始，人类活动便前所未有地撼动了地球的自然平衡。碳循环体系首当其冲，碳源和碳汇的平衡不再，引发了世界对全球变暖、海平面上开等后果的思考。当前全球人类活动估计造成了全球升温高于工业化前水平约1.0C， 根据已累协定要求，上升幅度须控制在2C以内，并努力限制在1.5C以内。全 球变暖超过2℃，大概率将对人类和生态系统造成严重、普遍和不可逆转影响。 若能将升温控制在1.5℃以内，将更有助于降低极端气候灾害出现的风险，对于处于热带的发展中国家、岛的国家及其他脆弱国家和地区来说尤其重要。 围表1：全球平均气温已升高达1℃ 2.00 1.75 目前的变 暖速度 1.50 1.25 1.00 2017 人为引起的变暖 0.75 0.50 0.25 观测到 的变暖 纵观能源的发展历史，从最初使用固态的木柴、煤炭，到液态的石油，直至气态的天然气，不难看出其H/C比提高的趋势和固-液-气形式的渐变过程。本柴 的氢碳比在1:3~10之间，煤为1:1，石油为2:1，天然气为4:1。在18世纪中 叶至今，氢碳比上升超过6倍。每一次能源的“脱碳”都会推动人类社会的进步 和文明程度的提高，可以预见未来随若碳中和的进行，氢在能源中的占比将会维继 续提高。 图表2：全球能源体系转型过粒 AH i 18301900290020502106 2.2中国承诺“双碳目标”，减排时间紧、任务重 高碳模式长期以来是中国能源结构的重要特征。国家统计局数据显示，近几十年来，中国的能源生产、消费集中在化石燃料上。2019年我国煤炭消费占全 部一次能源消费量的57.7%，煤炭消费达28亿吨标准煤，虽然煤炭在一次能源消费中的占比自2010年以来逐年降低，但其消费量绝对值依然维持在峰值附近， 这主要受我国多煤少油缺气的客观能源分布以及工业化进程以来产业结构的布 局所影响，形成长期以来以煤炭为首的高碳能源结构特征。 图表3：我国一次能源消费量（亿吨标准煤） 50 45 40 35 30 25 20 15 10 222222222222 ■煤炭■原油■天然气■水电风电核电 高碳生产经济模式下，中国碳排量位居全球首位。中国从2005年起就超越美国，成为全球第一大碳排放国家，在全球总量中的占比超过两成。美国能源信息署（EIA）的公布的数据显示，2018年全球碳排放总量达362.28亿吨。其中 前五大碳排放国家为中国、美国、印度、俄罗斯、日本，在全球总排放量中的占 比分别为29.7%、14.6%、6.4%、5.0%、3.4%。中国独占全球近三成份额，这一 状态从2011年起延续至今。 图表5：全球前五大碳排国排量（百万吨CO2） 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 ■中国美国■印度■俄罗斯日本其他国家 碳排放结构上看，电力及工业是我国主要碳排放终端。根据清华气候院数据， 2020年我国二氧化碳总排放量113.5亿吨，其中与能源相关排放100.3亿吨， 占比88.4%；工业过程排放13.2亿吨，占比11.6%。其中： 1）能源相关排放主要包括化石燃料燃烧及电力/热力使用，分别从供给端及需求端对其拆解，根据清华气候研究院数据，供给端煤炭、石油、天然气排放占比分别为76.6%、17%、6.4%，需求端（不计间接排放）电力、工业、建筑、交 通排放占比分别为40.5%、37.6%、10.0%、9.9%。 2）工业过程排放主要集中于非金属矿物制品（主要为水泥）、金属冶炼、化工，根据2014年《中华人民共和国气候变化第二次两年更新报告》数据，非金 属矿物制品、金属冶炼、化工业排放占比分别为68.8%、20.5%、10.7%。 图表7：我国二氧化使排放结构（2020年） 工业光CO 11.6% CO2排放能源相关CO2 排放 (113.5亿吨） (100.3化吨) .6% 2060年碳中和目标位于2℃情景和1.5℃目标情景之间。预计我国减排分为 三个阶段，2020-2030年属于峰值平台期，2030-2035年逐步减排，2035年之后 加速减排。基于清华气候院对于我国不同情境下C02排放路径的研究，2030年 前碳达峰目标对应于强化政策情景，2060年碳中和目标位于2℃情景和1.5℃目 标情景之间。当前由于能源和经济体系惯性，难以迅速实现2℃和1.5℃情景的 减排路径。预计2030年前碳达峰后，再加速向2060年碳中和目标逼近。由于2℃和1.5℃情景分别对应于全球2070年、2050年左右碳中和，则2060年碳中和路径将位于2℃路径和1.5℃路径之间： 政策情景（落实并延续2030年NDC目标的政策情景）：一次能源消费到2050 年前趋于稳定，约62亿tce。C02排放2030年左右达峰，2050年下降到约90 亿tC02; 强化政策情景（“自下而上”强化2030年前NDC情景，不断加大减排力度）： 一次能源消费到2050年约56亿tce。C02排放2030年前达峰，2050年下降到 约62亿tC02； 2℃情景（2050年实现与2℃目标相契合的减排情景）：一次能源消费到2050 年约52亿tce。C02排放2025年左右达峰，2050年下降到约29亿tC02，再加 上CCS和森林碳汇，净排放约20亿吨；1.5℃情景（2050年实现C02净零碳排放，其他温室气体深度减排）：一次 能源消费到2050年约50亿tce。2025年前达峰，2050年下降到约12亿tC02， 再加上CCS和森林碳汇，基本实现C02零排放。 图表9：2050年能源需求的情景分析 70.0 60.0 50.0 40.0 亿tce 30.0 20.0 10.0 0.0 20152020202520302035204020452050 政策情景强化政策情景**-2℃情景1.5°C情景 碳排结构上，针对能源环节（工业、电力、交通、建筑）的减排对实现碳中和目标的关键，其中： 1）在2℃C目标导向下，到2050年，能源相关002排放292亿吨，工业过 程4.7亿吨，CCS5.1亿吨，碳汇7.0亿吨，C02净排放21.8亿吨，比峰值年份 下降80%。当前能源相关C02排放主要来自工业部门和电力部门，各占约40%。 不计CCS和碳汇，仍分别占41%和28%。 2）在1.5℃目标导向下，到2050年，全部C02实现净零排放，电力系统实现负排放。不计CCS和碳汇，能源相关CO2排放仍有14.7亿吨，工业和电力各 占31%和49%。 2.3绿氢将可再生能源整合至终端实现深度脱磁 碳中和的世界将高度依靠电力供能，电力将成为整个能源系统的支柱，尤其是风能和太阳能为代表的可再生能源电力。参考清华大学气研院给出的低碳发展战略，在2050年2℃及1.5℃目标下，我国电力占终能源总消费比重将由目前 的25%分别提升至55%及68%，意味着以2060年实现碳中和目标，我国电力消费 比重将在2050年超过60%。然而，在某些行业（如交通运输行业、工业和需要高位热能的应用），要想实现深度脱碳化，仅靠电气化可能难以做到，这一挑战可通过产自可再生能源的氢气加以解决，这将使大量可再生能源从电力部门引向 终端使用部门。 氢能是一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的能源，与电能 同属二次能源，更容易耦合电能、热能、燃料等多种能源并与电能一起建立互联互通的现代能源网络，可以促进电力与建筑、交道运输和工业之间的互连。以往氢气主要产自化石原料，在低碳能源占据主要地位的未来，氢气可通过可再生能源来制取，从技术上能将大量可再生能源电力转移到很难实现脱碳化的领域： 工业领域：目前在若干工业产业（合成氨、甲醇、钢铁冶炼等）中广泛使用的通过化石燃料生产的氢气，从技术层面上而言可通过可再生能源制氢来替代。此外，氢能凭借灵活性强的特点，可以成为间款性工业领域的中高级热能低碳解 决方案。 交通运输领域：氢燃料电池汽车作为纯电动汽车的电动化补充解决方案，以绿氢作为燃料，为人们提供与传统燃油车驾驶性能相媲美的低碳出行选择（可行驶里程、燃料加注时间、低温性能）。而在目前纯电动应用受限的领域中（例如卡车、火车、游轮、航空等），氢燃料电池方案可以完美胜任。 建筑领域：通过天然气管网掺氢可实现氢能在建筑领域的深度脱碳，当前我国天然气管道输送技术成熟，中低比例的天然气掺氢已具备实践基础。 3绿氢助力交通、工业、建筑领域深度脱碳 根据权威机构中国氢能联盟预测，在2060年碳中和目标下，到2030年，我国氢气的年需求量将达到3715万吨，在终端能源消费中占比约为5%。到2060 年，我国氢气的年需求量将增至1.3亿吨左右，在终端能源消费中的占比约为 20%。其中，工业领域用氢占比仍然最大，占总需求量的60%，其次分别为交通运输领域、新工业原料、工业燃料等。 图表13：我国氢能需求预测（万吨） 氧气需求量，万吨13030 发电 9690 交通 5726工业燃料 33423715新工业 原料 现有工业 20202030204020502060 3.1交通运输领域的氢脱碳 氢燃料电池汽车是氢能在交通运输领域脱碳的主要途径 氢燃料电池汽车（FCEV，FuelCellElectricVehicle）是全球汽车动力系统 转型升级的重要方向，被认为是未来汽车产业技术竞争的制高点之一，也是我国新能源汽车发展战略的重要组成部分。 图表15：氢燃料电池反应原理 单片氢燃料电池的结构 电解质膜 氧离子空气进入 （主要是氧气） 需气进入 余的空气 热量以及水分排出 未使用的氢气排出，电流方向 电子 产生电能，驱动汽车 从反应原理看，氢燃料电池是将氢气与氧气从化学能转为电能的发电装置， 排放物仅为水和余热，目前氢燃料电池效率达到50%，若实现热电联供理论效率可达90%。因此，氢燃料电池汽车能够实现车辆运行阶段的“零排放”、全生命 周期“低排放”，是氢能在交通运输领域脱碳的主要途径。 可再生能源制氢是补全FCEV生命周期零排放的关键。参考《世界氢能与燃料电池汽车产业发展报告2018》对于燃料电池汽车全生命周期温室气体排放分析：在可再生能源比较丰富的地区，利用风电及光伏电解水制氢驱动燃料电池汽车将带来节能和减排优势，可使燃料电池汽车实现生命周期（Wt军-e11tohee1）的零温室气体排放和零化石能源消耗。但就目前氢气供给结构而 言，国内的氢气主要由化学重整制氢及副产物制氢，制氢阶段依然伴随大量温室 气体排放，可再生能源电解水制氢因成本问题尚无法支撑氢燃料电池进入交通运输领域实现真正意义上的