氢能系列报告（三）：美国氢能发展现状和前景

中泰证券研究所专业｜领先｜深度｜诚信 ｜证券研究报告｜ 氢能系列报告（三） ——美国氢能发展现状和前景 2023.3.17 中泰证券电新首席分析师曾彪 执业证书编号：S0740522020001Email：zengbiao@zts.com.cn 中泰证券电新研究员朱柏睿 执业证书编号：S0740522080002Email：zhubr@zts.com.cn 1 TS 所 目 CONTENTONT 中泰 N 美国氢能现状分析 1 ｜领先｜深度 1.电解水制氢发展势头强劲 全球2021年生产氢气约9000万吨，中国、欧洲与美国是目前全球三个主要的氢能生产国，从产量来看，中国氢能产量居世界第一，2021年年产量达3300万吨；欧洲与美国基本持平，同年产量约1000万吨。2020年以来美国电解水制氢发展势头强劲。 2020年美国99%的氢气生产来自化石燃料，其中95%来自SMR的天然气，4%通过煤炭，只有1%的氢是通过电解生产的。 图表：美国氢气生产结构（2020年）图表：2000-2022美国的风电、光伏及电解水制氢的累积安装容量 1.电解水制氢发展势头强劲 图表：美国PEM电解水制氢及天然气制氢产能分布（2022年） 截至2022年5月，美国运行和在建的PEM电解水制氢产能超 620MW，相对2021年的170MW增长超3倍。 据《国家清洁氢能战略和路线图(草案)》，目标是到2030年将清洁氢的产能增加到1000万吨/年，对应电解制氢能力约121GW；到2040年增加到2000万公吨/年；到2050年增加到 5000万吨/年。 图表：2021年美国运行和在建PEM电解水制氢产能170MW图表：2022年美国运行和在建PEM电解水制氢产能620MW 2.美国是第二大氢能需求国 美国是全球第二大氢能需求国。2021年全球氢气需求超过9400万吨，其中中国是世界上最大的消费国，2021年的需求约为2800万吨，同比增长5%；美国和中东分别为第二大、第三大消费国，均约为1200万吨，分别同比增长8%和11%。欧洲是第四大消费国，2021年的需求超过800万吨，几乎与2020年的水平相同。 从消费结构上看，2021年美国氢气主要用于石油炼化、合成氨与化工工业，分别占比55%、35%。此外，氢气也广泛用于其他终端，包括超过5万台燃料电池叉车、超过80辆燃料电池巴士、超过1.3万辆燃料电池汽车以及超过500兆瓦的燃料电池固定电站和备用电源。 图表：2019-2030年分应用领域/国家氢能需求情况 图表：美国氢气消费结构（2021年） TS 所 目 CONTENTONT 中泰 N 美国氢能发展复盘 2 ｜领先｜深度 1.美国氢能发展回顾 美国氢能历史发展回顾： 1974年在迈阿密成立了国际氢能协会并召开首次会议。石油危机时期，美国将氢能作为一种替代能源开始布局技术研发，以寻求能源独立。 20世纪90年代开始开展氢能技术研究，美国是全球较早提出氢能发展规划的国家，最早的两个氢能政策为1990年的《氢研究，开发及示范法案》和1996年的《氢能前景法案》，政府在氢能关键技术上进行投资。 2002年至2005年，美国氢能产业进入行动阶段。政府陆续发布了多个氢能支持政策，建成了氢能应用基础设施，大力投资氢能和燃料电池项目。 2006年至2014年，受2008年全球金融危机的冲击，以及页岩气革命在美国大获成功影响，氢能路线图、发展计划都被搁置。 2014年至2020年，随着全球气候压力增大及能源转型加速，美国能源部把氢能作为推动全球能源转型和应对气候变化的一种可行性技术来大力发展。深入氢能生产，运输，存储和利用方面的技术研发，以财政补贴的方式鼓励相关项目的开发。发展更多氢气基础设施，将氢气应用到多个行业如交通业，钢铁制造业，氨和液体燃料的生产。 图表：美国氢能政策发展回顾 来源：美国能源部，北极星储能网，中泰证券研究所7 2.近年美国氢能重点政策复盘 近年重点政策： 2020年推出氢能发展规划，该规划针对制氢，运氢，储氢，用氢四个流程提出了相关技术指标。旨在技术方面降低氢能成本. 2021年6月推出的氢能计划，预计在10年内将清洁氢成本降至$1/kg。 2021年11月的基础设施就业法提供95亿美元氢能专款，用于清洁氢能中心建设、电解制氢研究开发以及清洁氢制取利用。 2022年的通货膨胀法案提供了氢气生产税补贴和投资税补贴。预计将帮助实现灰氢向绿氢的过渡。 2022年9月国家清洁氢战略路线图明确了2030年， 2040年和2050年的氢生产目标。 美国将氢在生产、储运及转化应用过程中的成本和性能作为主要目标，而非氢能的市场占有率，也可以看出联邦政府期望通过技术研发催化出跨越性的技术，以实现氢能的经济性和国际竞争力。 来源：美国能源部，中泰证券研究所8 3.美国IRA中氢能相关政策梳理 通货膨胀法降低制氢成本：美国于2022年8月通过了《通货膨胀法案》，提供$3690亿补贴用于推动清洁能源部署。该法案对氢能提供了长达十年的生产税和投资税补贴，根据氢气生产过程中产生的二氧化碳量来发放不同规模的补贴。其中绿色氢气能获得税收抵免$3/kg。 图表：制氢税收减免（PTC)图表：氢投资税收减免（ITC)图表：CCUS税收减免 来源：美国IRA法案、中泰证券研究所9 TS 所 目 CONTENTONT 中泰 N 行业发展的催化剂 3 ｜领先｜深度 1.政策税收支持下，绿氢经济性增强 2020年，碱性电解水制氢的LCOH为$4.6/kg，PEM为 $4.5/kg，SOEC为$6.3/kg。其中电力成本占总LCOH的50%以上。使用电解法生产氢气的最经济的州（3.5-3.7/kgH2美元）是工业电价最低的州，如俄克拉荷马州、路易斯安那州、德克萨斯州和华盛顿州；用电解法生产氢气的最昂贵的州 （~$8-14/kgH2）是夏威夷、阿拉斯加、罗德岛州、马萨诸塞州和加利福尼亚州。 IRA法案表示绿氢能获得最高额补贴为$3/kg，预计生产成本的降低将进一步刺激绿氢的生产和需求。考虑补贴后，目前在工业电价低的州，绿氢可以达到与灰氢、蓝氢平价。 图表：IRA对美国氢气成本的影响（假设税收抵免为$3/kg） 图表：美国五州碱性、PEM、SOEC电解水制氢成本（$/kgH2) 图表：美国各州PEM电解水制氢成本（$/kgH2) 来源：BNEF，《AnalysisofHydrogenroductionCostsacrosstheUnitedStatesandoverthenext30years》，中泰证券研究所11 1.政策税收支持下，绿氢经济性增强 氢气各目标用途有竞争力的成本阈值：氢气在部分应用领域中，在较高的成本时就开始具有竞争力，如叉车、商用卡车、公共汽车领域。考虑IRA法案中的税收抵免后，绿氢已在这三类应用场景中具备经济性。 2021年hydrogenshot提出，2030年清洁氢目标成本为$1/kg，该目标达成后，催化清洁氢在工业中的使用，促进在燃料、钢铁、能力存储领域的使用。据《国家清洁氢能战略和路线图(草案)》预计，到2030、2040和2050年美国清洁氢需求将分别达到1000、2000和5000万吨/年。 图表：美国清洁氢潜在需求（2030年，2040年，2050年） 图表：氢气在各应用领域中具有竞争力的成本 来源：BNEF，美国能源部，中泰证券研究所12 美国政策主要目标是降低燃料电池和氢气生产、交付、储存的成本，并满足特定应用目标性能和耐用性要求。 电解水制氢的主要成本来自电能和资本成本，占比分别为53%、27%。2030年目标成本氢生产成本$1/kg，氢配送分发成本$2/kg，车载储氢成本$9/kg，HDV氢燃料电池系统成本80美元/kW。将通过以下途径降低成本：1）降低电力成本，提高效率和利用率；2）减少80%以上的资本成本，及减少90%以上的运营和维护成本。 图表：氢能生产成本构成 2.技术发展推动持续降本 图表：降低燃料电池和氢气生产、交付、储存成本的目标图表：氢能生产降本目标 来源：美国能源部，中泰证券研究所13 3.输送：改造天然气输送基础设施是快速扩展氢气输送能力的可能方式 现有氢能管道概况： 管道基础设施是目前向大部分市场运输氢气的最具成本效益和能源效率的方式。截至2020年12月，美国运营1608英里的氢气管道，位于石油精炼厂和化工厂等大型氢气用户集中地。目前美国几乎所有的氢气管道都在专门的氢基础设施中，由氢生产商所有。其中90%以上的管道位于得克萨斯州、路易斯安那州和阿拉巴马州的墨西哥湾沿岸。相对较短的氢气管道位于德州、路易斯安那州其他地方和其他9个州。其中，加州有16英里的氢气管道，印第安纳州有14英里，剩下的7个州每个州都不到10英里。相比之下，在美国天然气输送管道超过30万英里（不包括配电干线）。 未来规划： 为了进一步扩大氢管道的基础建设，美国现阶段研究的方法是：1）使用纤维增强聚合物管道，其成本比钢质管道低20%；2）改造部分天然气输送基础设施以输送天然气和氢气的混合物，管道状况不一，可混合的限度不同，目前最大限度为30%。迄今为止，夏威夷天然气公司、新泽西天然气公司和SoCalGas是唯一成功展示将氢气掺入天然气传输和/或分配管道的美国公用事业。 图表：2020年美国墨西哥湾氢气管道分布 来源：《Pipelinetransportationofhydrogen:regulation,researchandpolicy》，中泰证券研究所14 4.输送：推动加氢站及氢走廊建设 加氢站及氢走廊：根据美国能源部数据，2023年3月，美国对外运营的加氢站共72个，其中16个为私人的。此外还有53个站点在规划或建设中。现有的和计划中的大多数加氢站都在加利福尼亚州。计划中的加氢站中，有45个在加州，有2个在夏威夷，有6个在东北部地区，大多数加氢机都是在现有加油站基础上修建的。 此外，联邦公路管理局（FHWA）正在沿国家系统走廊建立全国性的替代燃料和充电基础设施网络，其中对于氢走廊（HVD）的要求是走廊上的公共加氢站点之间的距离不超过100英里，由于加氢站建设滞后，美国目前除加州地区已建成数条氢走廊外，其余各州规划中氢走廊均处于待定状态。美国加氢站建设及氢走廊规划情况见下图。 图表：2002年-2022年美国运营中的加氢站（座）图表：2023年美国所有加氢站（现有+计划）图表：2023年美国氢走廊分布 80 70 60 50 40 30 20 10 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 0 来源：美国能源部，中泰证券研究所 15 5.氢燃料汽车：2022年底美国总保有量近15000辆 根据中国氢能联盟研究院初步统计，截至2022年底，全球主要国家燃料电池汽车总保有量和销量分别为67,315辆和17,921辆，同比增长36.3%和9.9%。 截至2022年底美国氢燃料汽车总保有量近15000辆。2022年全年美国氢燃料汽车销量2707辆，同比下降19%；其中丰田Mirai销量2094辆，同比下降20%，现代Nexo销量408辆，同比下降5%，其他车型销量205辆，同比下降27%。 受限于汽车价格、整体能源效率、加油基础设施，车型数量，美国燃料电池销量基本在加利福尼亚。 图表：2022年全球主要国家氢燃料电池汽车销量及保有量（辆） 图表：2012年-2022年分季度美国氢燃料电池汽车销量（辆） 图表：2012年-2022年各年美国氢燃料电池汽车销量（辆） 来源：TheHydrogenFuelCellPartnership，中国氢能研究院，中泰证券研究所16 TS 所 目 CON