氢能及燃料电池行业：氢能产业发展研究报告

氢能作为一种清洁的二次能源，在全球能源低碳转型的大背景下，必将成为我国能源结构的重要组成部分和新型电力系统的有力补充。然而，受制于氢的理化性质，氢能在制取、输运、分销等环节，仍有诸多瓶颈，高昂的终端使用成本限制了氢能的规模化应用。然而，氢能不仅可以作为交通领域的绿色燃料，在钢铁冶金、石油化工等领域均有广泛应用前景。我国作为氢产销的全球第一大国，化石燃料制氢的绿氢替代具有广阔的市场空间。通过管道供应工业绿氢需求，有望打破氢能规模化发展瓶颈。 本报告通过分析工业、交通、能源等领域的氢能潜在应用场景，搭建了我国未来绿氢需求预测的分析框架，基于过往行业数据，预测了我国绿氢潜在需求规模。基于报告研究分行业预测，随着绿氢在化工工艺中逐步替代化石燃料制氢，其需求将随着绿氢渗透率的提高而快速增长，研究预计，绿色氮肥和绿色甲醇行业绿氢需求在2030年分别可达到17万和13万吨。在冶金和石油炼化行业，2030年将分别产生22万和16万吨绿氢需求。在交通和能源领域，绿氢需求到2030年分别可达75万和140万吨。基于以上需求预测，我国绿氢终端需求总量，在2030年有望达到约285万吨，能够支撑氢能长输管道及电解制氢设备产业长期发展。 随着我国可再生能源和新型电力系统的不断发展，对电解制氢设备波动适应性的要求也将越来越高。PEM制氢设备具有更好的调节性能，但其较高初始投资阻碍了其大规模推广，需要通过自主化打破国外技术壁垒，降本增量，以推动大规模应用。 风险提示：氢能产业政策不及预期，制氢及储运技术发展不及预期，制氢成本下降不及预期，商业模式形成不及预期，绿氢未来实际需求与本预测不一致。 1.氢能产业是能源革命下的必然选择 我国生态环境问题，本质上是高碳的能源结构和高耗能、高碳的产业结构问题。 实现碳达峰、碳中和，是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策，是着力解决资源环境约束突出问题、实现中华民族永续发展的必然选择，是构建人类命运共同体的庄严承诺。二氧化碳和常规污染物的排放具有同源性，大部分都来自化石能源的燃烧和利用。做好碳达峰、碳中和工作，有利于推动总量减排、源头减排、结构减排，实现减污与降碳、改善环境质量与应对气候变化协同增效。 从我国能流图中能够看到，我国目前的能源结构中，一次能源侧仍以煤炭、石油、天然气等化石能源为主。而要实现双碳目标，除了要大力发展可再生能源，改变整个能源供给的结构，也必然会在能源加工、下游应用等各环节带来巨大变革。也就是要在整个能源结构上，实现根本性的转变。 图表1：2018年中国能流图 电力系统难以独自承担能源结构的重大变革，难以满足产业和经济发展对燃料和生产原料的需求。 原油经过裂解(裂化)、重整和分离，可提供炔烃、烯烃、芳香烃及合成气等基础化工原料。从这些基础原料可以制得各种基本有机原料如甲醇、甲醛、乙醇、乙醛、醋酸、异丙醇、丙酮、苯酚等，应用生产生活的各个方面。煤炭也可通过煤制天然气、煤制油、煤制烯烃、煤制醇醚、煤经焦碳制电石、煤制合成氨等煤化工工艺提供一系列化工和工业产品。根据中国煤炭工业协会发布的《2022煤炭行业发展年度报告》，2022年我国现有煤制油、煤制气、煤(甲醇)制烯烃、煤制乙二醇产能分别达到931万吨、61.25亿立方米、1672万吨、1155万吨。而根据中国氮肥工业协会2021年的年度工作报告，2020年我国合成氨和尿素产能分别为6676万吨和6634万吨，甲醇总产能到达9141万吨/年，原料均为煤炭、天然气等化石能源，其中75%以上为煤炭。这些工业需求及交通物流领域的燃料需求，都难以简单地实现电气替代。 图表2：煤化工产业链图谱 1.1发展氢能是践行双碳战略的重要手段 在能源清洁低碳转型的大背景下，电力系统在整个能源结构中的地位愈加凸显，也对新型电力系统提出了更高要求。 图表3：新型电力系统各环节矛盾 在发电侧，国内电力供需错配问题难以解决。我国可再生能源并网规模和比例持续攀升，根据中电联的数据，截至2022年12月底，风电光伏装机占比达到30%，但是发电量占比仅为14%。可再生能源发电出力随机性、波动性大，导致电力平衡难度增加，电力供需错配问题加剧。高比例的可再生能源并网将导致电力供给与负荷之间出现明显的跨时和季节性不匹配的特性，有效解决该问题的办法是将可再生能源所发电力转化为其它能量介质进行大规模储存，在适当时机再重新发电并入电网。 在网侧也就是电力系统部分，电网的外送能力不能满足新能源发电项目的外送需求。具体表现为，在中东部的分布式新能源资源总量不足以支撑当地负荷需求，而西部、北部的富集新能源仍需要跨区外送，需要通过大电网、大平台才能实现高比例新能源的消纳，依托大电网才能保障能源电力供应的安全。 而在用户侧，当前电动汽车充电并没有完全实现预期的调峰充电，为电网提供调蓄，而往往由于用户使用习惯集中在特定时段，反而增加了电网调峰的压力。 最后，在储能领域，日益增长的可再生能源并网发电规模，对储能产生了巨大且迫切的需求，然而，当前的储能技术在经济性、储能功率、储能时长、系统寿命、安全性等指标上离实现双碳目标的需求仍有很大距离。 在能源低碳转型的背景下，氢能作为一种清洁能源和良好的能源载体，一方面，可以在一定程度上替代终端能源消费中的化石能源，满足我国长期经济发展的能源需求；另一方面，可以作为大规模应用的长时储能介质，可以促进风光消纳，满足电网储能需求，进而助力构建可再生能源占比逐渐提高的新型电力系统。氢能将成为未来我国能源体系的重要组成部分，对于构建清洁低碳的能源体系，保障国家能源安全具有十分重要的意义。 1.2氢能是保障能源安全的重要手段 能源是工业的粮食，是国民经济的命脉，更是国民经济发展的重要物质基础。能源安全是关系国家经济社会发展的全局性、战略性问题，对国家繁荣稳定、人民生活改善、社会长治久安等至关重要。自改革开放以来，我国经济快速增长带动能源生产和消费需求持续攀升，目前我国已成为全球第一大能源生产国和消费国，我国能源需求未来还将进一步增长，能源安全愈发成为攸关国家经济发展的重大战略。 所谓能源安全是指一个国家或地区可以持续、稳定、及时、足量和经济地获得所需能源资源的状态或能力。能源安全所追求的是以坐地的经济代价获取所需的能源。当前，世界正处于百年未有之大变局中，国际地缘政治冲突加剧、全球经济低迷、气候治理压力空前，叠加过去几年新冠疫情的影响，使得我国所面临的能源形势日益复杂，不确定性和不稳定性显著增加，能源安全面临严峻的挑战。 图表4：我国油气进口量及对外依存度单位：万吨 我国能源资源禀赋具有富煤、贫油、少气的特点，受到国内资源禀赋制约，国内能源供给难以满足需求，中国保障能源供应特别是油气资源供应严重依赖于国际油气市场，这也导致我国油气资源对外依存度居高不下，国际油气市场的稳定，对中国的能源安全、经济安全乃至国家安全的影响会越来越大。一方面，当前全球地缘政治紧张、大国博弈加剧加之新冠疫情肆虐、自然灾害频发，导致我国油气资源供给不确定性较大；另一方面，全球对油气资源的需求持续增加，油气大宗商品国际交易遵循“东方交易、西方定价、美元计价、期货基准”的格局，我国在油气资源国际交易中缺乏定价权，油气资源价格不确定较大。油气资源供给及价格的不确定性严重威胁了我国能源安全，制约我国经济长期可持续发展。 氢可以高效便捷的由可再生能源发电后通过水电解制取，我国作为当前全球可再生能源发电第一大国，发展氢能不但可以保障可再生能源的有效利用，还能保障我国能源领域燃料及工业原料等需求的供给安全。 1.3发展氢能已成为发达经济体的共识 本世纪初开始美国、欧盟、日本等国家和地区已陆续将发展氢能产业及燃料电池发电技术上升为国家战略，并结合自身禀赋特征与产业现状，制订氢能产业发展规划，对氢能产业予以补贴，支持关键技术的研发，大力推动氢能及燃料电池的产业化发展。美国是最早将氢能列入能源战略的国家；欧盟早期则通过清洁能源立法，支持氢能与燃料电池的发展，将氢能视为能源安全及能源转型的重要保障；日本同样高度重视氢能的发展，并提出建设“氢能社会”的愿景目标，希望通过氢能和燃料电池技术的开发应用，实现能源独立。综合来看，全球氢能相关技术日益成熟，氢能工业初具规模，氢能基础设施建设及相关产业正加速发展。 2022年8月16日美国《削减通胀法案》签署生效，计划在未来十年内通过执行15%的企业最低税率、处方药价格改革、增强税收执行力度等方式增加约7400亿美元的财政收入，其中用于能源安全及气候转型投资共3690亿美元。2023年3月16日，欧盟委员会也发布《净零工业法案》和《关键原材料法案》提案，旨在确保欧盟在全球绿色工业技术方面处于领先地位，同时也回应了美国《削减通胀法案》引领的绿色投资竞争。 《净零工业法案》旨在促进欧盟清洁能源领域的制造和生产，目标到2030年，欧盟整体战略净零技术制造能力接近或达到欧盟部署需求的至少40%。 图表5：美国削减通胀法案和欧洲净零工业法案 2.长链条多环节制约氢能产业发展 从我国氢的生产和消费构成上看，根据中国氢能联盟的数据，截至2020年，我国氢气消费需求为3342万吨，其中，66%作为原料用于化工合成，其中32%用于合成氨、27%用于合成甲醇。但传统制氢主要依靠煤和天然气等碳基化石能源，产生大量碳排放。 图表6：2020年我国氢气产销情况 图表7：氢能产业链条 氢能以往作为一种化工产品，其产业链很长，主要包括“制-储-运-加-用”五个环节，即上游制氢，中游氢储运、加氢站，以及下游多元化的应用场景，如上图所示。氢能每个环节的技术路径多种多样，需要满足具体的应用场景需求。但总的来看，较长的产业链条和氢自身特性，导致当前氢能在制取、储运、分销等多个环节都遇到了发展瓶颈。 2.1绿电电解水是当前绿氢获取的必由之路 氢能来源多样，不仅可以通过煤炭、石油、天然气等化石能源重整、生物质热裂解，或微生物发酵等途径制取，还可以来自焦化、氯碱、钢铁、冶金等工业副产气，也可以利用电解水制取。当前制氢原料主要以石油、天然气、煤炭等化石资源为主,较之于其他制氢方法,化石能源重整制氢工艺更为成熟,原料价格相对低廉,但会排放大量的温室气体,污染环境。根据中国氢能联盟，我国当前制氢仍以煤炭为主，占比为64%，天然气次之，占比为14%，与“富煤贫油少气”的能源禀赋特征相符。在当前技术水平下，唯有水电解制氢与可再生能源发电结合，才可实现全生命周期绿色清洁，并拓展可再生能源的利用方式。 电解水制氢其基本原理是在直流电的作用下，通过电化学过程将水分子解离为氢气与氧气，分别在阴、阳两极析出。根据技术及结构原理差异，可分为碱水电解（ALK）、质子交换膜纯水电解（PEM）、阴离子交换膜水电解（AEM）、固体氧化物水电解（SOEC）等方案，前三种反应温度约在70~90摄氏度，SOEC需要在700-800摄氏度的高温下进行反应。其中碱水电解（ALK）、质子交换膜（PEM）电解制氢均已实现商业化应用，AEM和SOEC尚处在实验室开发阶段。 图表8：四种电解制氢技术路线 经过几十年发展，目前国内碱性水电解技术成熟度较高，同时没有贵金属作为设备生产原料，因此单价相对较低。相对于碱性水电解，PEM水电解拥有效率高、无碱液、体积小、安全可靠、动态响应好等优点，但由于质子交换膜等核心零部件仍依赖进口，其成本仍是ALK的约5至6倍，国内尚未实现大功率规模化应用。当前国内可再生能源制氢示范应用项目及主流企业核心产品仍基本以碱性电解槽为主。 图表9：国产PEM制氢系统 图表10：国产碱性电解水制氢系统 专题1国内碱性电解制氢项目规模化趋势明显 根据氢促会等协会及媒体发布的行业数据，2021年中国电解水制氢设备市场规模超过9亿元人民币，出货量超过350MW，2022年估计全年中国碱性电解水制氢设备的出货量约780MW，电解槽总出货量在800MW左右，在2021年基础上实现翻番。据能景氢研统计，我国制氢电解槽需求规模从2018年至202