氢能行业专题研究：碱性电解槽：从1到N，谁主沉浮？

氢能行业专题研究 / 碱性电解槽：从1到N，谁主沉浮？ / 2023年05月22日 【投资要点】 结论：我们判断绿电制氢正迎来从1到N的产业爆发阶段，绿电度电成本、电解槽单位电耗和设备投资的下降，驱动水电解制氢在能源化工等领域与灰氢平价。碱性电解槽作为核心制氢设备，将迎来千亿级市场需求。我们看好具备技术和客户资源优势的国产龙头。 一、碱性电解槽：电解水制氢系统核心设备，从1到N产业加速： 1）优势：技术成熟，产氢量大，成本最低； 2）核心部件：双极板（催化剂）、隔膜和流场，均有降本提效空间； 3）发展方向：大标方，大功率，大电流密度。 行业需求：据考克利尔竞立的数据，全球绿氢年需求将从2021年的47万吨提升到2025年的1055万吨，CAGR达到118%。假设以1万吨绿氢对应约28台碱性电解槽测算，至2025年碱性电解槽累计需求量达2.95万台，对应市场规模约为2044亿元。 政策驱动：央国企担当+地方政府“股权财政”催化下，绿氢项目将加快落地。目前仅内蒙古地区已批复的绿氢项目规划达37个，共计制氢能力超过67万吨，对应1894台电解槽，以单台电解槽价格692万元测算，市场空间合计131亿元。 二、经济性——制氢成本：可再生能源发电成本、电解槽电耗、电解槽设备投资为核心决定因素。 基准情形：1000标方/h产能，年工作时间4000h，电解水制氢系统合计成本1330万元，度电成本0.28元/kwh，电耗4.5kwh/标方，此时单位制氢成本（LCOH）为20.2元/kg，略高于煤制氢和天然气制氢的11-20元和15-20元。 可再生能源度电成本：2025年光伏地面电站发电度电成本有望降至约 0.18元/kwh，其他条件不变情况下，对应单位制氢成本为15.19元 /kg。 电解槽电耗：从远期来看，随着技术的进步，电耗可能会从基准的4.5kwh/标方下降到3.5kwh/标方，其他条件不变情况下，单位制氢成本为17.10元/kg。 设备投资：长期看，随着单槽产能扩大和零部件国产化，电解水制氢系统价格有望逐步下降，当电解水制氢系统价格下降至500万元/套时，单位制氢成本为17.99元/kg。 中性情景下，2025年电解水制氢成本为13.03元/kg，成本低于天然气制氢和工业副产氢，可与煤制氢平价竞争。乐观情景下，考虑电价及设备补贴，2025年电解水制氢成本为11.9元/kg，接近煤制氢成本下限，相比其他制氢方式具有显著经济性。 强于大市（维持） 东方财富证券研究所 证券分析师：周旭辉 证书编号：S1160521050001 证券分析师：朱晋潇 证书编号：S1160522070001 联系人：唐硕 电话：021-23586475 相对指数表现 28.75% 20.31% 11.87% 3.43% -5.01% -13.45% 5/237/239/2311/231/233/23 电气设备沪深300 相关研究 《政策出新，充电桩行业有望高增》 2023.05.10 《温控下游星辰大海，“储能+数据中心”双重共振》 2023.04.03 《人工智能助力能源互联网加速形成》 2023.03.28 《下一代锂电池技术，固态电池未来可期》 2023.03.16 《4680从0到1，结构件厂商受益》 2023.02.28 行业研究 氢能行业 证券研究报告 三、格局推演：百舸争流，客户+技术制胜。目前，国内电解水制氢设备玩家主要包括老牌电解水设备龙头、风光储龙头和传统设备厂商三大类。从产能格局看，预计到2023年底，全球前20电解水制氢设备企业合计产能达26.4GW，产能CR5集中度为47.35%，我们预计，随着下游需求持续放量及头部企业快速扩产，电解水制氢行业集中度有望进一步提升。短期看，国内电解水制氢设备需求主要来自于各省市示范项目，与项目主体关系紧密或存在合作关系的设备厂商有望率先实现放量，形成先发优势；长期看，技术和材料创新带动制氢成本下降是电解水制氢技术大规模推广应用的关键，具备技术研发实力、产品性能能够持续领先的企业将具备更强竞争力。 【配置建议】 我们认为客户渠道和技术实力将成为电解水制氢设备企业核心竞争力，建议关注： 1、国内较早布局电解水制氢设备并具备业务协同效应的光储龙头：1）隆基绿能：全新产品ALKHi1系列产品发布，直流电耗低至4.1kwh/Nm3，2022年末电解槽产能达1.5GW，预计23年低产能2.5GW，25年规划产能达5-10GW，目前公开中标金额达4.65亿元；2）阳光电源：同时布局碱性和PEM技术路线，21你那3月率先发布国内首款、最大功率SEP50PEM电解槽（50Nm3/h，250kw），目前公开中标金额达1.80亿元；3）双良节能：绿电制氢系统中后端气液分离及纯化装置涉及压力容器制造，是公司的传统强项，双良自主研发的“绿电智能制氢系统”采用新型隔膜，氢气纯度达到6N，同时自动化集成度高，实现100%无人值守，目前产品已交付大全新能源和润阳悦达新能源，客户端运行稳定；4）天合光能：公司电解槽相比传统同等级设备电流密度提高50%-75%，电耗降低10%-15%，直流电耗3.9-4.6kwh/Nm3，预计2023年底将建成1GW电解水制氢设备产能。 2、背靠绿氢项目资源丰富的大型集团、具备客户渠道优势的装备厂商：1）华电重工：背靠华电集团，项目资源丰富，2022年与内蒙古华电氢能签署了《内蒙古华电包头市达茂旗20万千瓦新能源制氢工程示范项目PC总承包合同制氢站部分》，合同金额3.45亿元；2）亿利洁能：依托控股公司亿利资源集团三十多年治沙成果，联手大型央企，聚焦“光氢新能源治沙”，正在鄂尔多斯库布其沙漠投资建设光伏风电、绿氢、绿氨、绿肥、绿色化工、绿电替代等低碳产业链基地，电解槽出货有保障；3）三一氢能（未上市）：三一集团旗下风电企业三一重能与巴里坤哈萨克政府签订招商引资协议，涉及100万千瓦风电制氢制氨项目，保证公司电解槽出货，同时公司中标了大安风光制绿氢合成氨一体化示范项目第7标段8套水电解制氢设备，中标金额达5759.42万元。 3、研发和技术实力强劲的设备厂商：1）华光环能：携手大连理工，实现碱性电解槽催化剂、隔膜等关键材料自产，2023年3月自主知识电解槽下线，产氢压力达3.2Mpa，填补国内高压电解槽空白；2）昇辉科技：历时仅120天完成1000标方电解槽下线，采用高电流密度设计和第三代隔膜技术，较传统碱槽提升30%以上电流密度、降低10%能耗，同时依托公司电气成套设备技术优势，实现设备电子电气组件的自控、自产。 【风险提示】 下游需求不及预期； 政策支持力度不及预期； 电解水制氢降本不及预期。 正文目录 1.碱性电解槽：2025年千亿规模，从1到N大势所趋5 1.1.碱性电解槽（ALK）技术成熟领跑市场5 1.2.绿氢项目接连落地，电解槽市场前景广阔8 2.经济性：电价+电耗+设备成本优化，平价制氢可期11 2.1.2022年基准情形下制氢成本：有望与天然气平价12 2.2.度电成本、电耗、设备成本因素推动制氢成本下降13 2.3.2025年电解水制氢成本：中性情景接近煤制氢，乐观情景有望赶超煤制氢 .................................................................................................................................15 3.格局推演：百舸争流，客户+技术制胜16 3.1.格局：竞争加剧，国产突围16 3.2竞争要素：短期示范看客户，长期降本看技术20 4.投资建议22 4.1.业务协同的光储龙头：隆基绿能、阳光电源、双良节能等22 4.2.集团旗下装备厂商：华电重工、亿利洁能、三一氢能26 4.3.研发和技术实力强劲的设备厂商：华光环能、昇辉科技27 5.风险提示28 图表目录 图表1：不同电解水技术路线介绍5 图表2：碱性电解水制氢工作原理6 图表3：碱性电解槽构成示意图6 图表4：碱性电解槽主要组成部分6 图表5：碱性电解槽隔膜材质对比7 图表6：中石化新疆库车绿氢示范项目评标情况8 图表7：国内外绿氢需求持续提升8 图表8：内蒙古各地区风光制氢项目9 图表9：2023年一季度全国氢能项目电解槽需求9 图表10：截至2023年一季度除内蒙古地区外氢能项目电解槽需求（部分） ..........................................................................................................................10 图表11：2021年全球制氢结构11 图表12：碱性电解水制氢、煤制氢、天然气制氢成本对比11 图表13：LCOH计算公式12 图表14：碱性电解水制氢成本测算12 图表15：光伏电站投资成本与度电成本13 图表16：度电成本与单位制氢成本变化13 图表17：电解槽电耗与制氢成本14 图表18：碱性电解槽结构组成14 图表19：电解水系统设备成本与单位制氢成本15 图表20：在中性/乐观情景下，2025年有望实现平价制氢15 图表21：2021年起部分新进入电解槽装备行业企业（部分）16 图表22：国内主要电解水制氢设备企业概况17 图表23：海外主要电解水制氢设备企业概况19 图表24：国内主要电解水制氢设备企业概况20 图表25：电解水制氢应用场景21 图表26：内蒙古具备实施条件风光制氢一体化示范项目一览21 图表27：主要碱性电解槽企业产品性能对比22 图表28：风光互补耦合发电制氢系统结构图23 图表29：隆基绿能氢能产业全球化布局23 图表30：隆基绿能电解槽项目中标情况24 图表31：阳光电源氢能业务主要产品24 图表32：阳光电源电解槽项目中标情况25 图表33：行业重点关注公司（截至2023-05-22）27 1.碱性电解槽：2025年千亿规模，从1到N大势所趋 1.1.碱性电解槽（ALK）技术成熟领跑市场 1820年，法拉第在他1834年发表的科学著作中，首次提到电解水的原理。1900年，施密特发明第一台工业电解槽。此后百年间，海外对电解槽多次改造优化，形成以碱性电解槽和PEM电解槽为主的电解水制氢市场格局。目前国内电解水市场中主流技术路线为碱性水电解设备（ALK）技术，已 完成商业化进程并占据市场主导地位，PEM技术受限于成本仍处于商业化初期，SOEC与AEM技术仍处于研发阶段。国内发布的最大碱性电解槽单槽制氢规模达到2000Nm3/h，直流电耗最低可达4kWh/Nm3。由于碱性电解槽相较于PEM技术成本更低，单槽规模更大，是目前电解水制氢技术的首选。2021年国内碱性电解水制氢设备出货量达350MW，占据电解水制氢设备总出货量的99%。 图表1：不同电解水技术路线介绍 技术路线 ALK PEM SOEC AEM 技术成熟度 商业化应用 商业化初期 研发和示范 研发和示范 电解液 氢氧化钾 质子交换膜 陶瓷材料YSZ 苯乙烯类聚合物 电流密度 （A/m2） 3000~6000 10000以上 - - 氢气纯度 99.8% 99.99% 99.99% - 产氢压力 （MPa） 1.6 4 4 3.5 直流能耗 （kWh/Nm3） 4~5.5 4.3~6 3.0~4.0 4.5~5.5 最大单槽制氢规模 （Nm3/h） 2000 260 - 0.5 优点 技术成熟、成本低 电流密度高、体积小重量轻、无碱液带来的腐蚀、产品纯度高 效率高、单机容量大、无腐蚀电解液 系统简单易操作、电流密度高、可使用非金属催化剂、成本低 电流密度低、 体积和重量 缺点 大、电解液有 腐蚀性 设备成本相对较高、催化剂成本高且稀缺 装置体积较大、技术处于试验阶段 寿命曲线不稳定、电极结构差、催化剂动力