2023中国氢能产业：氢应用环节深度研究报告

2023中国氢能产业氢应用环节深度研究报告 2023ResearchReportonChinaHydrogenEnergyIndustry-Application ©2023.8SixsigmaResearch 「云点道林SixsigmaResearch」为精品投资银行「云道资本」下属研究机构 以专业的数据信息、敏锐的市场洞察和创造灼见的研究咨询服务赋能中国创业企业、产业 氢能源|用氢 发展与挑战并存，长期目标实现自主可控 一、氢能应用预览 一、燃料电池的发展 （一）燃料电池在产业链中的定位 （二）燃料电池的国内市场空间 （三）政策引领发展 二、燃料电池的国产化进程 （一）燃料电池的进入壁垒 （二）燃料电池的核心组件 一、加氢站行业概况 （一）加氢站的组成和市场规模 （二）产业链图谱 二、储氢瓶用碳纤维缠绕材料 （一）氢瓶市场现状 （二）氢瓶生产工艺 （三）氢瓶成本构成及降本路径 三、氢瓶市场竞争格局 （一）国内储氢瓶主流厂家 （二）氢瓶用碳纤维市场规模 氢能源|用氢 发展与挑战并存，长期目标实现自主可控 一、氢内燃机 （一）氢内燃机的技术架构 （二）国内外开发史 （三）氢内燃机和燃料电池对比 （四）氢内燃机的应用领域 （五）氢内燃机的商业化 一、灰氢 （一）国内氢气的主要来源二、绿氢 （一）绿氢绿电与工业耦合 （二）制约绿氢进入工业领域的瓶颈 （三）绿氢脱碳的主要结论 一、燃气轮机概述 （一）原理 （二）结构 （三）国产化进程 （四）国外技术发展二、燃氢燃气轮机的优点 三、氢能电厂的产业基础 （一）制氢 （二）氢储运 （三）目前短板 氢能源|用氢 发展与挑战并存，长期目标实现自主可控 四、氢气燃烧面临的挑战 （一）前沿技术 （二）氢气燃烧面临的挑战 五、针对现有燃气轮机的改造 六、国际上燃氢燃气轮机的技术进展 （一）通用电气 （二）华天航空动力 （三）国电投 （四）日本氢燃气轮机项目 三、发电机纽性能比较 （一）性能参数 （二）余热特性 （三）燃气进气压力四、分布系统的经济性 一、燃气分布式能源概述二、分布系统的配置 用氢概述—应用场景广泛，中长期将为各行业脱碳提供重要路径 氢能应用预览—目前工业和交通为主要应用领域，发电领域潜力巨大 《氢能产业发展中长期规划(2021-2035)》指出，“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”。氢能源将为各行业实现脱碳提供重要路径。目前氢能的成本较高，使用范围较窄，氢能应用处于起步阶段。氢能源主要应用在工业领域和交通领域中，在建筑、发电和发热等领域仍然处于探索阶段。根据中国氢能联盟预测，到2060年工业领域和交通领域氢气使用量分别占比60%和31%，电力领域和建筑领域占比分别为5%和4% 中国2060年氢气需求结构预测 交通领域31%电力领域5% 交通领域是目前氢能应用相对比较成熟的领域。从专利申请看， 2021年交通领域的氢能技术应用专利申请15639件，占氢能下游技术应用的71%。交通领域的应用包括汽车、航空和海运等，目前氢燃料电池汽车是交通领域的主要应用场景，往后氢内燃机有望在重卡、船舶、航空等领域取得独特优势 工业领域60% 工业是当前脱碳难度较大的应用部门，化石能源不仅是工业燃料，还是重要的工业原料。工业燃料通过电气化可实现部分脱碳，但是工业原料直接电气化的空间有限。在氢冶金、合成燃料、工业燃料等的带动下，2060年工业部门氢需求量将到7794万吨，接近交通领域的两倍 纯氢气、氢气与天然气的混合可以为燃气轮机提供动力，从而实现发电行业的脱碳。氢能发电有两种方式。一种是将氢能用于燃气轮机，经过吸气、压缩、燃烧、排气过程，带动电机产生电流输出，即“氢能发电机”；一种是利用电解水的逆反应，氢气与氧气(或空气)发生电化学反应生成水并释放出电能，即“燃料电池技术” 建筑领域4% 早期氢气在建筑中的使用将主要是混合形式。氢气与天然气混合，按体积计算的比例可以达到20%，而无需改造现有设备或管道，随着氢气成本的下降，北美、欧洲和中国等拥有天然气基础设施和有机会获得低成本氢气的地区，有望逐渐在建筑的供热、供暖中使用氢气 ©2023.8SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com 用氢概述—应用场景广泛，中长期将为各行业脱碳提供重要路径 氢能应用预览—加氢站作为服务氢能交通商业化应用的中枢环节，为重要的基础设施 我国高度重视加氢站的建设并积极发布相关政策规划助推加氢站的建设与布局，2014年国家首次发布针对加氢站的补贴政策，2019年推动加氢设施建设正式写入政府工作报告，2020年财政部出台有关开展燃料电池汽车示范应用的政策，将“运营至少2座加氢站且单站日加氢能力不低于500公斤”作为示范城市群申报的基础条件。截至2022年末我国已建成加氢站共310座，居全球第一，并呈现出区域集中性的特点 中国已建成加氢站数量（座） 400 350 加氢站是指将不同来源的氢气通过压缩机增压储存在站内的高压罐中，再通过加气机为氢燃料电池汽车加注氢气，主要由储氢系统、压缩系统和加注系统组成 目前设备制造的发展方向主要是加速压缩机的国产化进程，材料端则重点关注III&IV型储氢瓶的生产技术及碳纤维制备工艺 300 250 200 150 100 50 0 310 218 118 61 31 9 16 2016201720182019202020212022 •具备长期发展潜力的储氢瓶为III型和IV型，适合应用与氢燃料车等移动场景；IV型瓶瓶壁厚度略薄于III型瓶，储气压力则与其一致，主要包括35MPa和70MPa两种规格型号 •氢瓶成本构成中碳纤维复合材料占比超60%，国内储氢瓶所用原材料主要为T700以上小丝束碳纤维；25年我国氢燃料车保有量将达到11.2万辆，对应22-25年碳纤维用量将超过5万吨 ©2023.8SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com 燃料电池—位于氢能产业链中游，是现阶段氢能利用的主流技术之一 双碳战略催生燃料电池行业的持续性机会，2023-2025年进入产业规模化发展时期 氢燃料电池通过电化学反应将燃料和氧气的化学能转化为电能，氢燃料电池能量转化效率高（通常在40%-60%范围内），热电联供应用情景下可达80%。同时反应产物仅为水，根本上消除了温室气体的排放。技术的成熟带动以燃料电池为核心的氢燃料电池汽车、叉车、船舶、轨道交通，热电联供、分布式发电、辅助电源的应用 制氢 建筑领域 热电联供 储氢 交通运输领域 道路交通 工业车辆 工业领域 掺氢天然气燃烧 炼油行业 加氢处理 加氢裂化 化工行业 合成氨 甲醇 输氢 海运航空 轨道交通 油砂提纯 钢铁行业 DRI 燃料电池发电系统 电堆 辅助系统电堆 发电领域 加氢 备用和离网电源大规模长周期储能 氨共燃发电 燃气轮机发电 ©2023.8SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com 燃料电池—位于氢能产业链中游，是现阶段氢能利用的主流技术之一 双碳战略催生燃料电池行业的持续性机会，2023-2025年进入产业规模化发展时期 •根据根据电解质和燃料不同，氢燃料电池可分为AFC、MCFC、PAFC、SOFC、PEMFC等 燃料电池类型电解液运行温度（°C）催化剂主要优势主要劣势应用领域 PEMFC质子交换膜50-100铂金空气可作为氧化剂，启动快，工作温度较低对CO敏感，需要加湿 反应物 航空航天、军事领域 AFC 碱性电解液 90-100 镍/银 启动快、工作温度低 需要纯氧作为催化剂 MCFC 熔融碳酸盐 600-700 镍 空气可作为氧化剂，能量效率较高 运行温度较高 PAFC 磷酸 150-200 铂金 对二氧化碳不敏感 对CO敏感，启动较慢 SOFC 固体氧化物 650-1000 LaMnO3/LaCoO3 空气可作为氧化剂，能量效率较高 运行温度较高 大型分布式发电分布式发电 大型分布式发电，便携式电源 汽车、便携式电源 应用场景集中在交通运输领域远距离、极端环境下适合替代柴油车，中重卡领域呈现装机大功率化 根据国家发改委、国家能源局联合引发的《氢能产 业发展中长期规划(2021-2035年)》的发展目标 •到2025年基本掌握核心技术和制造工艺，燃料 国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》 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，实现二氧化碳减排100-200万吨/年 •我国乘、商用车电气化处于不同的发展阶段，5%的商用车碳排放占比超过50%，燃料电池可以补足纯电动商用车使用痛点，是解决长途、中重载车辆电动化进程卡滞的更优解 •燃料电池已经初步撬动新能源中重卡市场，2022年新能源重卡中燃料电池车辆占比9.8%，为适应中重卡动力系统的匹配需求燃料电池系统装机呈现大功率的发展趋势 —2022年新能源重卡销量及同比增速— 普通换电 换电式纯电 燃料电池 插电式 2022年全年销量 10227 12431 2465 28 2021年全年销量 6323 3327 779 19 2022年同比增长（%） 61.7% 273.6% 216.4% 47.4% ©2023.8SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com 燃料电池—位于氢能产业链中游，是现阶段氢能利用的主流技术之一 国家政策持续引领，地方政策跟进，燃料电池的发展动能充分释放 2023年以来国家层面陆续发布了多项与氢能相关的政策文件，用来引导、鼓励和支持各地的氢能产业发展；其中国家层面相关部门共计发布了 11个文件（国家能源局、商务部、国家标准管理委员会、工信部、发改委等） •京津冀、上海、广东和河南、河北“3+2”城市群燃料电池汽车示范推广，以及山东省“氢进万家”科技示范，2021年11月四川省和重庆市启动成渝氢能走廊，到2025 年五大城市群、山东省、成渝地区推广数量叠加2021年底保有量，燃料电池车及加氢站数量至少为53246辆、726座，有望超额完成“十四五”任务 推广主体 FCV（辆） HRS（座） 京津冀 5300 49 上海 5000 57 广东 10000 200 河北 7710 50 河南 4295 76 山东“氢进万家” 10000 100 成渝“氢能走廊” 2000 按需匹配 2021年保有量 8941 194 总计 53246 726 ©2023.8SixsigmaResearch 《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》，25年燃料电池汽车保有量 单位：万辆 6 5 3.25 2.11 1.37 0.72 0.89 5 4 3 2 1 0 202020212022202320242025 www.6sigmacapital.com 燃料电池—以电堆为核心的部件国产化进程推进，企业加速入局 燃料电池汽车产业链长、参与方众多，燃料电池系统位于产业链的中游 燃料电池系统位于产业链的中游，行业上游燃料电池发动机主要包括电堆及其核心部件、辅助系统等，上游参与者主要为核心材料及关键部件生产商，电堆作为燃料电池系统的核心组成部分，对燃料电池发动机的关键性能和成本具有较大的影响 聚合物密封胶 三元乙丙橡胶 硅酮材料 增强纤维 树脂 石墨 金 镍 钛 不锈钢 铝 塑料 导电炭黑 防水剂 聚四氟乙烯 支撑层 碳纤维 复合膜 硫酸 全氟磺酸膜 无氟质子膜 碳粉 铂 复合板 石墨板 金属板 气体扩散层 Pt/C催化剂 燃料电池电堆 碳/树脂聚合物 质子交换膜 全氟磺酸树脂 下游 中游 上游 莹石 -燃料电池电堆产业链- 电堆为燃料电池系统核心部件 膜电极（MEA） 端板、集流板、封装等结构件 双极板 密封胶 •燃料电池系统主要包括电堆、氢气供给系统、空气供给系统、水热管理系统、控制系统等。