氢能全景图（上）制氢篇：商业模式起步，绿氢初试锋芒

证券研究报告 商业模式起步，绿氢初试锋芒 ——氢能全景图（上）制氢篇 平安证券研究所绿色能源与前瞻性产业研究团队 皮秀证券投资咨询资格S1060517070004邮箱pixiu809@pingan.com.cn 张之尧一般证券业务资格S1060122070042邮箱zhangzhiyao757@pingan.com.cn 2023年4月19日 要点总结 氢能：零碳可持续的理想能源，前景广阔。氢能是一种优质的二次能源，具备清洁零碳、可再生的优势。从应用端节能减排的角度来看，氢能可在多种场景替代汽油、柴油、天然气等能源，促进工业、交通等领域深度脱碳。从供给侧能源安全的角度来看，氢能够以水为原料、使用风电、光伏作为清洁电源制取，是优质可再生能源。目前氢作为能源应用的程度不高，主要作为工业原料使用；未来，随着各国大力推广绿电制氢和氢能应用，氢能有望实现大规模发展，并广泛应用于工业、交通、电力、建筑等领域。IEA预计，2030年 全球氢能需求将达到1.8亿吨；从我国各地已公布的规划目标来看，2025年我国氢能产业规模有望达到7000亿元。 制氢环节概述：三大路线并存，绿氢蓄势待发。制氢是氢能产业链的上游环节，制氢环节的清洁和降本是氢能产业大规模发展的基础。氢气制备方式主要包括化石燃料制氢、工业副产氢和电解水制氢三类。化石燃料制氢和化工副产氢属于传统路线，技术相对成熟，成本较低，但存在碳排放等问题，CCUS、提纯等环节存在一定机遇。可再生电力电解水制氢（“绿氢”）是零碳排、可持续的“终极路 线”，成本是制约其普及的瓶颈因素。电耗和折旧构成绿氢的主要成本，我们估算基准假设下碱性和PEM电解水制氢单位成本分别为21.9和25.3元/kg；国内现存绿氢项目采用部分绿电自供、外购部分低价绿电+长时运营的模式，并通过大规模采购控制电解设备成本，已经可以实现经济性，例如中石化库车绿氢项目LCOH可低至12.93元/kg，接近工业副产氢甚至煤制氢水平。目前绿氢产业进入高速增长期，IEA预计2023年全球制氢电解槽新增装机4.1GW（同比+356%），产能将达到21.5GW。 绿氢：电解槽和材料存在壁垒，国内企业发力。电解水制氢技术路线包括碱性电解(ALK)、质子交换膜电解(PEM)、固体氧化物电解(SOEC)和阴离子交换膜电解(AEM)等。碱性电解技术成熟、设备成本低，是目前的主流路线；PEM技术制氢效率高、灵活性好，产业化在即；SOEC和AEM技术处于研发阶段，存在发展潜力。电解槽是制氢的核心设备，存在技术壁垒：碱性电解槽单槽“大标方”趋势明显，厂商制造工艺、集成能力和关键材料技术形成壁垒；PEM电解槽关键材料依赖进口，PEM电解槽国产化需要材料环节进一步突破。 从竞争格局来看，中国和欧洲电解槽企业产能规模全球领先。国内市场中，考克利尔竞立、派瑞氢能和隆基氢能为第一梯队；新能源上市公司积极入局、非上市公司技术扎实，国内电解槽企业实力强劲，推动绿氢降本增效、快速发展。 投资建议：绿氢产业爆发在即，关注电解槽和材料环节。绿氢是氢能发展的终极路线，电解槽和关键材料存在壁垒，建议关注上市公司中电解槽环节具备技术实力的隆基绿能、阳光电源、华电重工，布局电解槽的弹性标的华光环能、昇辉科技，材料环节具备潜力的贵研铂业（催化剂）。 风险提示：（1）绿氢需求增长不及预期的风险。（2）国内企业技术突破不及预期的风险。（3）国际市场环境发生变化的风险。 2 CONTENT 目录 一、氢能：零碳可持续的理想能源，前景广阔 二、制氢环节概述：三大路线并存，绿氢蓄势待发 三、传统制氢路线：碳捕捉、提纯等环节存在机遇 四、绿氢：电解槽和材料存在壁垒，国内企业发力 五、投资要点与风险提示 •按能源的基本形态分类，能源可分为一次能源和二次能源。一次能源，即天然能源，指在自然界现成存在的能源，如煤、石油、天然气、水能等；二次能源指由一次能源加工转换而成的能源产品，如电力、煤气、汽油、氢能等。由 定义 于人类现阶段面临严峻的能源危机和环境问题，一次能源和二次能源领域的革新势在必行。 分类 •可再生性是一次能源面临的重大问题。一次能源可分为可再生能源(可不断得到补充或在较短周期内再生的能源)和非 再生能源(经过亿万年形成、短期无法恢复的能源)。现阶段，我们应用的能源以非再生的化石能源为主，未来面临枯竭 痛点 的危机，因此开发风电、光伏等可再生能源尤为重要。 •二次能源的革新是解决碳排放问题的关键。二次能源是联系一次能源和能源用户的中间纽带，可分为过程性能源(能量比较集中的物质运动过程，可直接应用，如电能)和含能 发展趋势 体能源(包含能量的物质，可储存运送，如柴油、汽油等)。汽油等能源在燃烧过程中会产生二氧化碳和污染物质。解决能源应用的碳排放问题，就需要开发优质的含能体能源，如锂电和氢能。 资料来源：百度百科，平安证券研究所 氢能在能源体系中的位置 能源构成 一次能源自然获取加工转换二次能源 自然界现成存在的能源 一次能源加工转换而成的能源产品 可再生：水能、风能、太阳 能、核能等 不可再生：煤、石油、天然气等 过程性能源：主要为电能含能体能源：柴油、汽油、电池中储存化学能的物质、氢能等 核心问题：对不可再生能源的依赖可能导致能源危机；其它重要考量：开采和应用对环境的影响、可获得性、 安全性、供能稳定性等 核心问题：燃料燃烧是碳排 放的主要来源 其它重要考量：成本、能量 密度、应用的便捷性等 煤/石油等传统不可再生能源→风、光等安全、清洁的可再生能源 柴油、汽油等碳排放高的能源储用方式→锂电、氢能等零碳高效的能源储用方式 •氢能的开发和应用对促进节能减排、保障能源 安全具有战略意义。 •从应用端节能减排的角度来看，氢能是一种优质的二次能源，可以作为汽油、柴油等能源的 氢能的优势 质量能量密度高：142MJ/kg，是汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍；通过燃料电池可实现 VS汽油、综合转化效率90%以上。 柴油 替代，与锂动力电池形成互补。 −与汽油、柴油相比，氢的燃烧或电化学产物只有水，不存在碳排放和污染物；同时，氢具有更高的质量能量密度。 −与锂电动汽车相比，氢能驱动的燃料电池车续航更久，且加注迅速、无充电痛点。 供给端：来源广，承接弃风弃光 •从供给侧能源安全的角度来看，氢能够以水为原料制取，储量丰富，且理论上可循环制取；同时，使用风电、光伏电解水制氢可以解决弃风弃光的消纳问题，从而进一步推动风电、光 伏等可再生一次能源的应用。 资料来源：太平洋汽车，Tesla官网，平安证券研究所 应用端：清洁、高 效、便利 氢能的优势 清洁零碳：氢的燃烧或电化学反应终产物只有水， 没有传统能源使用中产生的污染物和碳排放。 续航能力强：丰田Mirai2021款氢燃料电池车续航 可达850km；TeslaModelX官方续航536km 锂电 加注快捷：氢向车载气瓶中加注十分迅速，类似 汽油加注的方式，与动力电池充电相比快捷得多。 来源广泛：氢元素在自然界中存量很高，可以水 为原料制取，原料丰富且可循环使用。 承接弃风弃光：使用风电、光伏电解水制氢可以解决弃风弃光的消纳问题，推动风电、光伏的应用。 •氢作为能源应用的普及程度不高，现阶段主要作为工业原料使用。2021年，全球氢气需求超过9400万吨。分地区来看，我国是全 球最大的氢气消费国，需求量约2800万吨，占全球的30%；美国、中东和欧洲分别占据全球14%/12%/9%的需求量。分应用来 看，氢气主要用于化工（合成氨/合成甲醇）和炼油，2021年全球交通运输氢气需求仅3万吨左右，占比较少。我国氢气应用领域同样以化工为主，56%的氢气被用于化工合成，9%用于炼油，16%作为尾气直接燃烧，氢作为能源的应用程度不高。 •工业用氢存在巨大的脱碳潜力。2021年，全球工业用氢和炼油用氢绝大部分源于化石燃料制氢，产生的直接二氧化碳净排放量分别为6.3亿吨和2.0亿吨。工业合成氨、合成甲醇、炼油等均以氢为主要原料，工艺成熟，存在绿氢替代灰氢的减碳空间；此外，全球各地正在探索氢气在钢铁工业领域的应用，绿氢未来有望逐步替代焦炭作为还原材料，推动钢铁工业的大规模脱碳（2019年 全球钢铁行业直接碳排放量26亿吨，约占全球碳排放总量的7-8%）。 2021年全球氢气需求地区分布2021年全球氢气需求类型分布 我国氢气主要用于工业 单位：百万吨（Mt），% 其它（建筑、发电等）,0.01,0% 交通运输,0.03, 0% 单位：百万吨（Mt），% 合成（2020年） 其它,26, 27% 中国,28, 30% 炼油,40,42% 工业-合成氨,35,37% 印度,8, 8% 欧洲,8, 9% 美国,13, 14% 中东,11,12% 工业-钢铁,5,5% 工业-合成甲 其他 19% 合成氨 37% 直接燃烧 16% 炼油 9% 甲醇 19% 醇,15,16% 资料来源：IEA，中国氢能源及燃料电池产业白皮书2020，平安证券研究所 •交通方面，各国积极推广氢燃料电池汽车，已初具规模，氢车在商用车 IEA“净零排放”情景下，全球氢能应用需求 领域逐渐渗透；未来在航空、船舶领域也有望进行替代。 •建筑方面，主要包括天然气掺氢输送、燃料电池热电联供等。未来氢气有望在燃气、供热等方面逐步替代天然气，并为住户提供部分电力。 •电力方面，氢可以作为电能储存的介质，未来有望用于长时储能，或参与全球运输和贸易，实现电能在时间和空间上的调节。 •IEA预计，在2050年全球“净零排放”目标下，2030年，全球氢能应用 规模需达到2亿吨。 600 500 400 300 200 100 0 其它天然气掺氢建筑 电力交通炼油工业 单位：百万吨 氢在交通、建筑、电力领域应用的现状和潜力 领域应用方式现状氢应用优势局限 氢燃料电池汽 交通车；氢轮船/飞 机/火车等 2022年底全球氢燃料电池汽车保有量6.73万辆，与电动汽车相比，续航更长、加注更快，对低 在营加氢站727座，已实现了一定规模应用； 目前主要用于商用车（重卡、公交）等；氢轮 船/飞机等也在研发中。 温环境适应性较好。适用于长距离、大载重运输需求，未来在航空和船舶领域也存在广阔替 代空间。 成本是大规模推广的主要限制因素，目前氢 “制-储-运-加”全生命周期成本高昂，实现经济 性需要全方位的技术和规模降本。 此外，加氢站等基础设施的建设不足，也会影响氢车推广的进度。 燃气、供热、建筑供电（热电联 供） 电力发电与电网平 衡，储能 各国正在进行天然气掺氢输送、以及燃料电池 热电联供的探索。 截至2021年底，美/日/欧固定式燃料电池累计装机量分别为550/300/190MW。 国内外均有氢能电力系统试点项目。氢能电力系统主要包括制氢系统、储氢系统、氢能发电系统三个部分，使用氢作为电能储存的介质，实现电的时空调节。 一定掺氢比例下，天然气掺氢可使用现有的天然气基础设施，减缓设施投资需求。与天然气相比，氢作为燃料更低碳、可再生，存在推广 潜力。 氢储能可作为一种长时储能方式，对电力系统起到调节作用。长期来看，氢可以作为清洁能源载体参与全球运输和贸易，经燃料电池或燃 气轮机发电，为电力系统供能。 用氢成本有待降低；天然气掺氢输送的安全标准仍需完善；固定式氢燃料电池的应用处于试点阶段，供电效率和供热质量仍有改善空间。 能源效率偏低。电-氢-电两次转换，目前能量转化效率仅30-40%，需要进一步改善，才有大规模应用的可能。 资料来源：IEA，中国氢能联盟，CNKI，平安证券研究所 中国 美国 欧洲 日本 韩国 发展现状 •燃料电池汽车保有量 •燃料电池汽车保有量 •固定燃料电池装机量 •燃料电池汽车 •燃料电池汽车 190MW 1.50万辆 1.27万辆 保有量