氢能产业研究：碳中和背景下的未来新蓝海

氢能产业研究：碳中和背景下的未来新蓝海 报告摘要 报告日期 中证氢能指数与沪深300走势比较 22% 能分别具有清洁低碳和易于储运两大优势。发展氢能对 15% 保障国家能源安全和推广燃料电池具有重大意义，近年 8% 来相关支持政策密集出台。 1%-6% 多条制氢线路并存，煤制氢是当前主要方式，电解制氢是 -13% 未来技术发展方向。当前主流制氢方式包括煤制氢、工业 -20% 碳中和宏观背景下，氢能产业在长期具备良好发展前景。氢能是一种无碳、高能量密度的优质二次能源，具有储量丰富、热值高、零污染、可存储等优点。我国2021年已成为全球最大产氢国，目前主要将氢气用作工业原料，未来将更多作为能源。相较传统化石能源和风光新能源，氢 2023年4月6日 2022/4/152022/7/152022/10/152023/1/15 副产氢和电解制氢。其中煤制氢技术成熟、成本低廉，但中证氢能沪深300 风险提示 污染较高；工业副产氢性价比高，可作为氢能规模经济化的过渡方式；电解制氢清洁环保，但当前成本较高，是未来的发展方向，有望通过降低电价、提升电解效率等方式实现平价化和规模应用。 氢储运技术快速迭代，加氢站作为重要基础设施前景可期。高压气态储氢和深冷液化储氢是当前主要可行方式，长管拖氢适合短距、小规模、就地应用，管道输氢适合长距、大规模应用；低温液氢可节省提纯成本，适合远距离大容量运氢。高压加氢站作为重要基础设施，其核心设备国产化有望推动加注成本下降，促进氢能规模化、经济化应用，《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》提出2035年加氢站将达到5000座。 氢能下游应用广泛，氢燃料电池车是最具潜力方向，实现商业化后将有望打开庞大增量市场。氢能可广泛应用于储能、发电、汽车、航空、冶金、建筑供热等领域。氢燃料电池车是最具潜力的应用领域之一，其相较纯电车具备续航久、充能快、低温适应等优势，但目前综合成本较高，无法达到商业化要求。随着政策力度加大、技术研发取得新突破和规模效应带来降本，产业链有望打开新蓝海，实现跨越式增长。 政策不及预期风险；技术研发进度慢于预期风险；更优技术替代风险。 1.氢能产业 1.1氢能：作为能源替代具备诸多优势，碳中和目标下的优质赛道 氢能是一种高能量密度的优质二次能源。氢气是零碳燃料，具有储量丰富、热值高、零污染、可存储、来源广泛等优点，并且不易燃、易扩散、爆炸下限高、使用安全性高。氢能是指以氢及其同位素为主体的反应中或氢状态变化过程中释放的能量，从化学反应角度来看，主要通过氢氧燃烧反应、电化学反应以及热核反应三种形式获得。氢气的单位发热量为1.4×105KJ/kg，约为天然气的3-4倍，汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍，煤炭的5-6倍，具备高能量密度的天然优势。 氢能具备多种优势，氢储能是构建以可再生能源为主题的新型电力系统的关键。氢能源具有以下优势：1）清洁无碳：氢气和氧气可以通过燃烧产生热能，也可以通过燃料电池转化成电能，反应过程中只产生水，清洁环保；相比之下，煤炭、石油等化石燃料燃烧会产生温室气体和细粉尘，污染较大；2）制备方法多样：氢气制备方法包括水电解制备、化石燃料制备、生物化学法、副产气体回收等；3）储运灵活：相比化石能源和风光等新能源形态相对固定，氢可以气态、液态或固态（金属氢化物）等形式存在，可适应不同场景的要求；4）输电耗损低：远距离输电往往伴随着一定的损耗，低压管道和低温液氢罐槽车直接输氢则可避免损耗问题、提高安全性；5）可配合新能源：氢气作为能源载体和储能方式，可以配合可再生能源形成低碳能源体系，是工业深度脱碳与新能源深度脱网的结合；通过氢储能，可以将可再生能源规模化引入能源体系，避免弃风、弃光、弃水现象，实现跨季调峰，解决了可再生能源消纳问题，促进构筑以可再生能源为主体的新型电力系统。 氢气在我国目前主要作为工业原料使用，随着技术成熟和成本下降有望提升能源使用比例。2021年我国已成为最大产氢国，以煤制氢为主，主要作为工业原料；清洁的电解制氢是未来主流方向。氢气在能源供给技术的逐渐成熟将推动能源结构转型，在一定程度上替代传统化石燃料，实现可再生燃料能源供应占比提升，进一步保障能源安全，实现碳中和目标。近年来，《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》等氢能相关支持政策密集出台，在宏观层面给予行业想象空 间。 碳中和背景下，发展氢能对保障国家能源安全和推广燃料电池具有重大意义。“碳中和”背景下，燃料电池产业的发展对于交通运输业的脱碳或发挥重要作用。从保障国家能源安全的角度，减少对国际化石能源的依赖，发展原油和天然气替代燃料具有重要的战略意义，发展氢能有望在推动能源转型及提高能源系统灵活性方面发挥关键作用。与电动汽车相比，燃料电池车能量密度高，加注燃料便捷、续航里程较高，更适用于长途、大型、商用车领域，可有效解决商用货车高续航要求、高污染排放等问题。 1.2中国氢能发展概况 中国是世界最大产氢国，但作为能源使用比例较低，发展空间广阔。根据中国煤炭工业协会等机构的数据，中国氢气产量逐渐增长，2021年产量达3342万吨，占同年全球氢气产量的28%；2022年中国氢气产量为3781万吨，是世界最大的产氢国。然而另一方面，氢能作为能源利用比例较低，根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，换算热值占终端能源总量份额仅为2.7%。根据华鑫证券统计，氢能在全球能源占比仅0.1%；而全球主要能源研究机构预测，2050年氢能能源占比将达到12-22%，空间巨大。 图1：中国氢气产量（2012-2021） 资料来源：中国氢能联盟 中国氢能产业尚处于技术研发阶段，产业缺乏融资支持体系。技术层面，产业发展所必须的加氢枪、压缩机、储容器和质子交换膜等关键设备以及氢密封材料、 低温金属材料、高效冷绝缘材料等关键材料对进口依存度仍然较高，国内相关设备处于研发阶段。产业层面，多层次的金融支持体系尚未建立，氢能建设缺乏融资渠道，在一定程度上限制了产业发展。 近年中央及地方支持政策密集出台，氢能产业有望进入高速发展期。2019年3月，氢能源首次写入政府工作报告，明确将推动加氢等设施建设；2020年6月，国家能源局发布《2020能源工作指导意见》，将推进能源关键技术设备公馆，推动储能、氢能技术进步与产业发展；2021年3月，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》发布，氢能成为前瞻谋划 的六个未来产业之一。全国已有28个以上省市推出支持氢能发展的政策，以北京、上海、广东等地为代表的一批省市推出鼓励氢能发展政策。 国家发改委发布《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》，长期战略目标清晰。2022年3月，国家发改委发布《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》，提出到2025年，形成较为完善的氢能产业发展制度政策环境，基本掌握核心技术和制造工艺，初步建立较为完整的供应链和产业体系。氢能示范应用取得明显成效，清洁能源制氢及氢能储运技术取得较大进展，初步建立以工业副产氢和可再生能源制氢就近利用为主的氢能供应体系。燃料电池车辆保有量约5万辆，部 署建设一批加氢站。可再生能源制氢量达到10-20万吨/年，成为新增氢能消费 的重要组成部分，实现二氧化碳减排100-200万吨/年。到2030年，形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系，产业布局合理有序，可再生能源制氢广泛应用，有力支撑碳达峰目标实现。到2035年，形成氢能产业体系，构建涵盖交通、储能、工业等领域的多元氢能应用生态。可再生能源制氢在终端能源消费中的比重明显提升，对能源绿色转型发展起到重要支撑作用。2023年4月《氢系统安全的基本要求》新国标正式实施，中证氢能指数发布，产业步入正轨。2023年，国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会发布国家标准GB/T29729-2022《氢系统安全的基本要求》，主要替代GBT29729-2013版本，适用于氢的制取、储存、输送和应用系统的设计和使用。该国标已于2023年 4月1日实施，标志着国家对氢能产业链日益重视，行业发展有望步入正轨。4 月3日，中证指数公司正式发布中证氢能指数，该指数从沪深两市中选取50家业务涉及氢能上游氢气制储运加、中游氢燃料电池制造、下游整车运营等领域的 企业，指数样本中包括亿华通、雄韬股份、美锦能源、潍柴动力、东方电气、中集集团、宇通客车等企业。这意味着氢能产业在资本市场地位进一步提升，有望获得更多投资者关注和融资支持。 2.制氢 2.1我国制氢现状 碳中和背景将带来巨大氢能能源需求。根据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书 （2019）》和《中国氢能源及燃料电池产业白皮书（2020）》，在2030年碳达峰情境下，我国氢气的年需求量将达到3500万吨，在终端能源体系中占比约为5%；在2060年碳中和情境下，我国氢气的年需求量将增至1.3亿吨左右，在终端能源体系中占比达到20%；该数字相比2019年同期的2.7%，存在巨大增量空间。当前我国氢气制备主要用作工业原料，已有一定技术基础。根据《中国氢能产业发展报告》，中国氢能的生产利用已经非常广泛，但主要是作为工业原料而非能源使用。中国目前是全球第一产氢国，具有较好的产业基础，在合成氨、合成甲醇、炼焦、炼油、氯碱、轻烃利用等传统石油化工行业中具有较为成熟的经验。 图2：2021年国内不同技术路线产氢比例 工业副产氢21% 天然气制氢14% 电解制氢1% 煤制氢64% 资料来源：智研咨询 煤制氢是当前主流，工业副产氢无法满足大规模能源需求，电解制氢符合长远环保要求。根据智研咨询，2021年煤制氢占总产氢比重64%，是目前最主流方式；电解制氢由于成本较高等因素，仅占比1%。传统制氢工业中以煤、天然气等化石能源为原料，制氢过程排放二氧化碳，制得氢气中普遍含有硫、磷等危害燃料电 池的杂质，对提纯及碳捕获有着较高的要求。焦炉煤气、氯碱尾气等工业副产提纯制氢，能够避免尾气中的氢气浪费，实现氢气的高效利用，但从长远看无法作为大规模集中化氢能供应来源；电解制氢纯度等级高，杂质气体少，易与可再生能源结合，被认为是未来最有发展潜力的绿色氢能供应方式。 业内预测绿氢规模将快速增长，替代灰氢大势所趋。根据《中国氢能产业发展报告2022》，2021年，全球已有约70个在建的绿氢项目，规模达到GW级别的项目为22个，其中欧洲占一半，全球已在规划中的GW级绿氢项目总产能达到144.1GW；2016年至2021年，电解槽成本下降了40%。东吴证券预测，2023年国内绿氢产业将开始爆发，2025-2027年平价后有望加速，2030年左右有望接近煤制氢，彼时绿氢份额有望达到30%以上，氢气需求超1亿吨；预计2025年绿氢渗透率2%，产量超150万吨，2030年绿氢渗透率超30%，对应产量3000万吨。 2.2三种主要制氢技术路线 表1：按制氢方式分类 制氢技术 别名 制备技术 成本 碳排放 煤制氢 灰氢 化石燃料制氢 6-13元/kg 高 工业副产氢 蓝氢 化石燃料制氢、碳捕捉、碳捕捉封存技术（CCUS）降低碳排放 8-14元/kg 中等 电解制氢 绿氢 可再生能源制氢 20-40元/kg 低 资料来源：公开资料整理，头豹研究院 （1）煤制氢：技术成熟、成本低廉、污染较高 煤制氢即灰氢，成本约6-13元/kg。由于我国“富煤、贫油、少气”的资源禀赋特点，煤制氢在我国天然具备成本优势，鼓励煤炭的清洁高效利用一直是能源体系改革的重要组成部分。2021年，全球氢气使用量5000亿立方米左右，其中96%来自化石能源生产。 目前，传统的煤化工及焦炭企业均有比较稳定且成熟的氢气制备技术，解决提纯问题后的氢气可供给燃料电池使用。煤炭来源稳定，煤制氢成本低于其他技术路线，较天然气制氢低约20%，较电解制氢低约60%，仅高于工业副产氢。煤制氢产能适应性强，可以根据当地