电力设备新能源行业氢能与燃料电池产业前沿系列九：政策需求共振，氢能电解槽快速增长

氢能具有能源和原料双重属性，国内外政策驱动绿氢快速渗透。作为能源，氢能主要应用在燃料电池技术路线上，下游对应燃料电池车、储能等场景。作为原料，氢能主要应用于合成氨、甲醇、以及冶金等领域。欧洲通过欧洲碳边界调整机制（CBAM）协议，设定2030年本地生产+进口各1000万吨绿氢的目标，内部通过风光氢储一体化示范项目和能耗双控推动绿氢发展，主要应用于化工端。统计目前国内及与国际合作的绿氢项目，我们预计22-25年释放3000-3200台电解槽订单。 目前国内绿氢渗透率约2%，碱性电解槽成为绿氢技术路线主流。我国2020年氢气消耗量3342万吨，绿氢渗透率约2%，氢气来源以煤制氢和天然气制氢为主。2021年，全球氢能需求达到9400万吨，欧美制氢主要通过大型中央工厂的天然气重整实现。碱性电解槽具有成本优势，是目前商业化制绿氢的主流技术路线，2021年国内出货量占比99%。碱性电解槽国内市场空间预计2025年达到176亿，2022-2025年CAGR为150%。全球2030年电解槽累计需求有望达到79860台，每年绿氢需求约3993万吨。 价格是各个场景氢气替代的关键，电价对绿氢成本影响最大。在化工领域，绿氢主要替代灰氢和蓝氢。绿氢成本中电费占比高达70%以上，当电价低于0.2元/kWh时，由于灰氢和蓝氢需要CCUS费用和提纯费用，绿氢在经济性上有望与之竞争。在车用领域，氢气的优势在于其高能量密度，从经济角度考虑，它可以与柴油车的全生命周期成本（TCO）相媲美。对于长途运输车辆而言，当氢气的枪口价格低于25元/kg，并且考虑到补贴因素时，燃料电池重卡可以在经济性上超过柴油车。至于船用领域，燃料电池船舶目前处于发展初期，谈论经济性还为时过早。未来，通过采用合成燃料的方式，绿色船舶有望实现应用。 海内外各公司积极布局电解槽技术，各企业转型进入电解槽领域。自2022年8月以来，各家电解槽企业明确公布产能超7.5GW，同时纷纷发布电解槽新品。 国内主要有以下几类企业：光伏、风电企业转型做电解槽，通过光伏风电设备配套项目拿下订单；传统电解槽企业，实力稳定，产品验证较多；电气、重工、压力容器类企业转型，有压力容器制造经验。电解槽本身制造技术壁垒不高，主要在于下游的渠道以及长期的运行稳定性，拥有早期装机经验的企业有望快速获得订单，形成规模效应。 投资建议：电解槽行业进入“0-1”阶段，产品性能及下游渠道是决定后续企业销量以及项目配套的关键所在，有光伏、风电配套项目以及大客户合作背景的企业有望拿到大量订单。建议关注：华光环能、华电重工、昇辉科技。 风险分析：绿氢需求及应用推广进度不及预期、政策鼓励不及预期、AEM/PEM等技术降本迅速引起技术迭代。 投资聚焦 海内外碳排放目标设立的大背景下，各国纷纷推动绿氢发展。欧洲通过碳边界调整机制（CBAM）协议，碳关税目录内新增氢气，同时设立2030年绿氢2000万吨的目标。国内通过能耗双控，以及风光氢储一体化项目推动企业建设绿氢应用项目。目前西北地区由于风光资源丰富，发电成本较低，制氢成本接近灰氢/蓝氢，有力推动企业建设绿氢及应用项目。 碱性电解槽（ALK）是目前主流技术路线，其技术较为成熟，成本较低，国内主要有以下几类企业入局制造：光伏、风电企业转型做电解槽，通过光伏风电设备配套项目拿下订单；传统电解槽企业，实力稳定，产品验证较多；电气、重工、压力容器类企业转型。 我们的创新之处 1、统计了目前海内外各国对于氢气需求规划，并且分析了国内电解槽及其零部件的市场空间； 2、分析了氢气在不同应用场景下对于成本的容忍程度，并对ALK制氢、PEM制氢、煤制氢、天然气制氢成本综合进行了分析； 3、总结了国内外各家企业对于电解槽的布局，并且就新产品技术参数、产能情况进行了统计。 股价上涨的催化因素 1、示范级项目释放速度超预期，国家对能耗以及环保的要求进一步提升。 2、光伏、风电价格持续下降，带动绿氢成本进一步下降。 3、国内与中东、北非地区“一带一路”带动新能源风光氢储项目大量实施，电解槽出口量进一步提升。 投资观点 电解槽行业进入0-1阶段，产品性能及下游渠道是决定后续企业销量以及项目配套的关键所在，有光伏、风电配套项目以及大客户合作背景的企业有望拿到大量订单。建议关注：华光环能、华电重工、昇辉科技。 1、海内外携手政策驱动，绿氢助力双碳目标 1.1、氢能具有能源和原料双重属性，目前成本较高 纵观人类能源发展史，从最初的炭(C)到石油(—CH2—)和天然气(CH4)，能源形式中含氢量剧增，实现低碳及无碳能源消费是必然趋势。 炭、石油和天然气都是典型的化石燃料，燃烧产物主要有二氧化碳(CO)、硫的氧化物(SO)、氮的氧化物(NO)、挥发性有机碳化物(VOC)、一氧化碳(CO)和微小的颗粒物。其中， CO2 是一种温室气体，被认为是导致全球气候变暖的主要原因。SO和NO会造成区域性酸沉积。空气中NO、CO和VOC反应会形成臭氧，其高氧化性会引起呼吸道疾病，造成农作物减产甚至破坏植被。微小的颗粒物引起的问题更大，会引起呼吸道和心血管疾病，甚至癌症。近年来每到入冬季节人们都深受雾霾困扰，颗粒物PM2.5是罪魁祸首。有研究表明，黑色的炭颗粒也会增强全球变暖趋势。 x x x x x 化石燃料属于一次能源，用完后不可再生，因此面临着枯竭的危险。 因争夺化石能源造成的地区不安定，包括战争的频频出现，也促进了各种替代能源的高速发展。 零排放的氢将成为未来能源的载体。氢是一种真正的清洁能源，其燃烧产物是水，尤为重要的是不会产生任何污染物。氢有以下优点： （1）能量密度极高：达到39.4kWh/kg，约为汽油的3倍，焦炭的4.5倍，用高储能密度的氢储存能量具有得天独厚的优势。 （2）资源丰富：宇宙中大于90%(原子分数)或者75%(质量分数)是由氢构成的； （3）可由水制取：水是地球上最为丰富的资源，全球约有70%的面积覆盖着水。 表1：常见储氢系统与材料的储能密度 相对于电能而言，氢气具有能源和原料的双重属性。在能源领域，氢气可以通过燃料电池、氢内燃机等技术进行能量转换。其中，燃料电池是氢气能源应用的主要方向。在燃料电池中，氢气作为反应物与氧气反应，产生电能作为输出。燃料电池主要应用于交通和储能领域。 与电动车和内燃机汽车相比，燃料电池汽车的综合效率约为30%，居于中间位置。这主要是因为在整个电-氢-电的能量转换过程中，涉及到电解水、氢气的运输和储存，以及燃料电池的应用，这些环节会导致能量损失，从而降低效率。相较于电动车而言，燃料电池汽车的效率较低。然而，与燃油车相比，燃料电池汽车不受卡诺循环的限制，整体效率更高。 氢车与电车从整车能耗对比来看：丰田mirai2百公里耗氢0.415kg，对应耗电约23.2kWh，而比亚迪汉纯电版本百公里耗电13.5kWh，远低于燃料电池乘用车。所以就综合能耗而言，在乘用车领域，燃料电池汽车相较锂电车型并不具有竞争力。 燃料电池车的优势在于补能速度快。燃料电池车3-5min即可充满，而锂电车即使快充也需要20min以上才能充满。同时由于燃料电池系统重量较轻，氢气及其金属化合物的能量密度也远高于锂电池，所以在能耗较大，补能速度要求较高的场景，燃料电池比锂电池更具有优势，如商用车、冷链物流车等应用领域。我国基于电网基建发达的国情，前期集中发展纯电动乘用车，同时于2022年提出了《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，在商用车领域着重发展燃料电池系统的应用。 表2：基于可再生能源的能源动力组合全链条能效分析 在原料领域，氢气主要应用在化工、冶金等场景。氢气在化工领域中的应用主要是在氢化反应、氧化反应、加氢反应等方面。例如，在精细化学品（香料、药品、农药等）的生产中，氢气通常用于加氢反应；在石油化工行业中，氢气常常用于加氢裂化、氢气重整等反应，用于生产乙烯、苯乙烯、煤油等化工产品。此外，氢气还可以用于制备氨气、甲醇、氢氧化钠等化工产品。 1.2、我国氢气主要来源于煤制氢与天然气制氢，绿氢渗透率约2% 按照生产来源，世界能源理事会将氢气分为灰氢、蓝氢和绿氢三类。灰氢指由天然气、煤等化石燃料生产的氢气，制取过程成本最低，但碳排放量高，在化工行业应用普遍；蓝氢是灰氢的“升级版”，在氢气生产环节配合碳捕捉和封存技术，能够减少大量碳排放，成本相应更高；绿氢则是利用风能、太阳能等可再生能源发电，再电解水生产氢气，成本最高。 绿氢应用需要考虑“制备：电价足够低”、“消纳：化工配套较好”、“平替：替代煤制氢、天然气制氢”： （1）由于绿氢的成本构成中70%以上来自于电费，而不同地区的电价受到供电来源的限制，差距较大，所以电价洼地有较强的优势。 （2）由于氢气制备之后储运也涉及到成本增加，所以当地有对应的化工园区进行配套将有助于氢气就地消纳，大大减少储运成本。 （3）碳中和背景下需要绿氢替代化石能源制氢。目前我国氢气主要来源是煤制氢（64%）和天然气制氢（14%），电解水制氢比例约2%。 图1：2019年我国氢气来源量 图2：2019年我国氢气分区域产量占比 图3：2019年我国氢气消费结构 中国氢能联盟统计预测，2030年我国氢气的需求量约为3715万吨，其中绿氢需求量约771万吨，2060年我国氢气的需求量为1.3亿吨，氢气需求充足。 2030年不同行业氢气消费量如下： 化工行业：可再生氢需求约为376万吨，是中国最大的可再生氢需求市场。 钢铁行业：总氢气需求约为174万吨，其中可再生氢需求约94万吨，其余为工业副产氢。 氢燃料电池：总耗氢量每年434万吨，其中可再生氢需求约301万吨，燃料电池车保有量将达到62万台。 在2060年的中国用氢需求预测中，工业领域用氢需求为7794万吨，约占氢气总需求量的60%，交通运输领域的用氢需求约为4051万吨，约占氢气总需求量的31%，电力和建筑领域用氢约占氢气需求总量的9%。 图4：2020-2060年中国氢能需求量预测趋势图（单位：万吨） 图5：2060年中国氢气需求结构 世界范围内，国际能源署（IEA）《全球氢能回顾2022》数据显示，2021年，全球氢能需求达到9400万吨，氢能需求的大部分增长来自炼油和传统工业。 与中国不同，目前全球范围内主要依靠天然气和工业副产制氢，美国95%的制氢通过大型中央工厂的天然气重整实现，主要原因在于它是目前最经济实惠的做法；欧洲氢气产量占全球21%，也主要依赖于天然气重整。 图6：2021年全球制氢来源结构 1.3、电解槽技术多样化，碱性电解槽（ALK）与质子交换膜电解槽（PEM）为主流 根据电解槽的不同，目前共有四种电解水制氢技术。碱性电解水技术(ALK)、质子交换膜电解水技术(PEM)、高温固体氧化物电解水技术(SOEC)和固体聚合物阴离子交换膜电解水技术(AEM)。 （1）ALK技术最为成熟，已经完全商业化，成本最低，目前在中国发布的最大电解槽制氢规模已达到 2000Nm ³/h，直流能耗最低达到 4.0kWh/Nm ³（极限约3.6 kWh/Nm ³）。 （2）PEM技术也较为成熟，但成本较高，2020年美国能源部划分的技术成熟度与ALK一致，目前中国已具备生产制氢规模 200Nm ³/h的电解槽，工业级PEM制氢能耗约 5kWh/Nm ³，目前存在产业链国产化不足问题，质子交换膜与催化剂依赖进口，正处于商业化初期。 （3）SOEC与AEM在中国处于研发与示范阶段，未进行商业化。2023年4月，由翌晶氢能制造的国内首条SOEC量产线在上海嘉定下线，年产能达100MW。 表3：四种电解水技术对比 国内碱性电解水制氢设备出货量远高于质子交换膜电解水制氢设备。据势银统计，2021年中国碱性电解水制氢设备的出货量约350MW，质子交换膜电解水制氢设备的出货量约5MW，碱性电解水制氢设备出货量占比达99%。 在现有的可再生能源制氢项目中，约有80%的项目采用碱性电解水技术，主要集中