制氢电源深度报告：沟通电网与电解槽的“桥梁”，制氢电源有望打开增长之路

沟通电网与电解槽的“桥梁”，制氢电源有望打开增长之路 制氢电源深度报告 氢能 投资评级：推荐（维持） 投资要点 制氢电源概念及主要技术路线：制氢电源一般指整流器或直流变换器，是连接电 网与电解槽之间的桥梁，依赖于其功率模块来将交流电/直流电转化为电解水制氢 2024年04月16日 证券研究报告|产业深度报告 分析师：张锦 分析师登记编码：S0890521080001电话：021-20321304 邮箱：zhangjin@cnhbstock.com 研究助理：张后来 邮箱：zhanghoulai@cnhbstock.com 销售服务电话： 021-20515355 行业走势图（2024年4月16日） 资料来源：Wind，华宝证券研究创新部 相关研究报告 1、《水电解制氢供需双扩背景下，电解槽有望迎来发展机遇》2023-12-05 可用的直流电。随着绿氢制取规模的扩大，转换效率与场景适配、减少电能损耗、延长设备寿命成为制氢电源技术发展的核心。原理上，制氢电源整流利用了二极管的单向导电性，将交流电转换为脉冲直流电，目前主流制氢电源按功率模块的技术可分为晶闸管（SCR）制氢电源和绝缘栅双极晶体管（IGBT）制氢电源。 从政策机遇、项目建设、技术支持来看，制氢电源有望开启增长之路：制氢电源行业规范与标准不断出台，未来有望进一步获得政策支持。风光氢一体化建设进程加快，单槽制氢规模扩大，推动制氢电源规模扩大：我国绿氢制取项目呈快速增长趋势，单项目制氢规模不断扩大，一方面随着电解槽的制氢能力的提升，制氢电源功率有望进一步提升，另一方面在风电、光伏等新能源发电规模的进一步提升，弃风、弃光电力制氢规模的扩大，PEM水电解技术市占率不断提升的背景下，IGBT制氢电源市占率也有望进一步提升。此外，关键器件国产化提升有望进一步完善市场竞争格局。 关键器件国产化率提升有望进一步完善市场竞争格局：我国入局制氢电源的公司主要来自传统能源、新能源、电力设备等行业，同时，氢能头部企业也在谋求强强联合，共同突破制氢电源研发的“卡脖子”问题。展望未来，SCR、IGBT等关键器件国产化率的提升有望带动制氢电源成本的进一步下降，从而吸引更多制氢设备生产企业布局电源行业。 展望未来，制氢电源的需求与供给市场均有望进一步增长：从当前市场及技术发展路径来看，制氢电源在整个制氢系统中起到了连接电网的“桥梁”作用。目前制氢电源的两种主流技术路线为SCR和IGBT，从当前技术环境来看，SCR制氢电源的应用场景更广，IGBT制氢电源对电网的保护性更强，对于电网能量波动的适应性也更强，随着大功率电解槽（MW）以及弱并网或纯离网的制氢场景的出现，IGBT制氢电源有望得到更广阔的应用空间。类比光伏逆变器在光伏发电产业链中的位置，制氢电源有望随着制氢市场规模的扩张而打开增长曲线。随着SCR/IGBT/功率模块等关键器件的国产化加速，未来制氢电源的生产成本与供给规模也有望进一步扩大。 风险提示：政策规划不及预期、研发进程不及预期、项目建设不及预期 内容目录 1.制氢电源概念及主要技术路线3 1.1.制氢电源：连接电网与电解槽之间的桥梁3 1.2.功率模块：制氢电源的核心器件4 1.3.制氢电源主流技术路线4 1.3.1.晶闸管（SCR）制氢电源5 1.3.2.绝缘栅双极晶体管（IGBT）制氢电源5 2.从政策机遇、项目建设、技术支持来看，制氢电源有望开启增长之路6 2.1.行业规范与标准不断出台，未来有望进一步获得政策支持6 2.2.风光氢一体化建设进程加快与单槽制氢规模的扩大，有望推动制氢电源市场规模进一步增长8 3.关键器件国产化提升有望进一步完善市场竞争格局10 4.未来展望12 5.风险提示12 图表目录 图1：1MW电解水制氢系统成本拆解3 图2：制氢电源在制氢系统中的位置3 图3：以DC/DC转化为例，制氢电源的工作原理4 图4：SCR制氢电源原理图5 图5：IGBT制氢电源原理图6 图6：某IGBT电源在不同负载（横轴）下的整流效率（%）6 图7：2021-2023年我国水电解制氢设备出货量8 图8：2023年我国部分风光制氢项目规模汇总8 图9：2020-2023年我国风电、光伏利用情况10 图10：PEM电解槽、IGBT制氢电源与风光电结合方案示意10 图11：2017-2023年中国晶闸管行业市场规模及增速11 图12：2017-2023年中国IGBT产量与自给率11 表1：与制氢电源相关的标准6 表2：与制氢电源相关的政策规划7 表3：大唐新能源多伦15万千瓦风光制氢一体化示范项目设备招标目录8 表4：2023年我国下线电解槽规格向1000Nm3/h及以上提升9 表5：我国与制氢电源研制相关的公司（部分）10 1.制氢电源概念及主要技术路线 1.1.制氢电源：连接电网与电解槽之间的桥梁 制氢电源一般指整流器或直流变换器。在可再生电力制氢网络中，制氢电源起到向上承接电网电力，向下为制氢电解槽供电的功能。根据IRENA，在整个制氢系统中，制氢电源成本占20-25%，仅次于膈膜和电极。从制氢系统结构以及整个氢能产业链来看，制氢电源的前端主要连接电网，后端连接电解槽。 图1：1MW电解水制氢系统成本拆解 资料来源：IRENA，华宝证券研究创新部 制氢电源有望从绿氢项目的快速增长中受益。目前，我国绿氢项目往往需要依靠部分电网支撑，暂时无法做到完全离网制氢。制氢电源直接连接电网后端，是直接用电负载器件，连接着制氢设备（电解槽），其用电稳定性、对电网的响应特性、反馈特性对整个制氢系统具有重要影响。随着我国绿氢项目的快速增长，制氢电源有望迎来发展机遇。 图2：制氢电源在制氢系统中的位置 资料来源：能景研究，华宝证券研究创新部 1.2.功率模块：制氢电源的核心器件 制氢电源的主要作用是将交流电/直流电转化为电解水制氢可用的直流电，核心在于功率模块。一个完整的制氢电源主要包含整流柜、变压器、控制系统、冷却系统和辅助设备，其中整流柜是电流转换的核心场所，变压器用于调节电压等级以保证电解槽的高效运行，控制系统和冷却系统负责监控和调节制氢电源和电解系统的工作流程与环境，降低制氢过程中的能耗，延长制氢设备寿命。整流柜的核心为功率模块，按技术路径可分为SCR整流柜和IGBT整流柜。功率模块中含有SCR或IGBT等功率半导体器件，主要用于交流电和直流电之间的转化，整流柜中包含的控制电路用于控制整流的过程。 图3：以DC/DC转化为例，制氢电源的工作原理 资料来源：孔令国等《DC/DC隔离型制氢电源发展现状与趋势》，华宝证券研究创新部 随着绿氢制取规模的扩大，转换效率与场景适配、减少电能损耗、延长设备寿命成为制氢电源技术发展的核心。我国《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》中指出要充分发挥氢能作为可再生能源规模化高效利用的重要载体作用，促进异质能源跨地域和跨季节优化配置，推动氢能和新能源发电相结合，促进形成多远互补融合的现代能源供应体系。在宏观政策指导背景下，风光制氢的规模有望进一步扩大。然而，由于风光制氢以弃风、弃光等离网/弱并网场景为主，电解槽用电存在不稳定、低负荷等较严苛的运行条件，并且具有碱性、PEM等多种环境，因此对制氢电源的电网友好性、功率响应速度、电压纹波、综合效率等方面提出了更高的要求。 1.3.制氢电源主流技术路线 制氢电源的核心功能是将交流电整流为直流电，整流的基本原理是利用二极管的单向导电性，将交流电转换为脉冲直流电，目前主流制氢电源按功率模块的技术可分为SCR制氢电源和IGBT制氢电源。 1.3.1.晶闸管（SCR）制氢电源 晶闸管制氢电源在氯碱行业有40多年的成熟应用经验，与碱性电解槽的适配程度较高。晶闸管制氢电源是一种以晶闸管为基础，使用数字电路控制晶闸管导通，从而实现整流的电器，能满足高电压、大电流条件下的工作环境。晶闸管相当于在二极管的基础上增加了控制极（栅极g），并且其工作过程可以通过控制极来人为控制导通。但由于晶闸管可以控制导通但不能关断，只能依靠电网的关断而关断，因此也被称为半控制型整流器。晶闸管制氢电源的优点在于技术成熟且适用于大功率场景，缺点在于有高谐波问题，电力质量较低，需要配备谐波补偿或抗谐波装置，从而导致综合转化效率较低。此外，晶闸管电源响应速度与功率调节速度较慢，不适应新能源电网的高波动性，在风光制氢场景和PEM电解槽应用中受到一定的制约。因此，晶闸管电源的未来主要突破方向是在增加谐波补偿装置、抗谐波装置的基础上提高转换效率，如通过12脉波-96脉波实现多脉波整流等，更好适配离网/弱并网条件下的制氢场景。 图4：SCR制氢电源原理图 资料来源：艾邦氢能，华宝证券研究创新部 1.3.2.绝缘栅双极晶体管（IGBT）制氢电源 IGBT制氢电源具有低谐波、响应速度快，综合转换效率高等优点，对电网及发电设施的危害小，但目前主要应用在中小功率场景。IGBT电源是一种以绝缘栅双极晶体管（IGBT）与二极管为基础，使用脉冲宽度调制技术（PWM）控制IGBT导通进而控制二极管导通，从而实现整流的电器。IGBT是一种三端半导体开关器件，可用于多种电子设备中的高效快速开关，具备耐高压、导通压降低、开关速度快的特点。相比于晶闸管，IGBT增加了关断功能，因此属于全控型整流器。IGBT制氢电源在低负荷运行条件下具有较高效率，根据能景研究，当制氢系统负载位于12.5%-100%区间时，IGBT电源的整流效率可满足≥80%的要求，而绿氢项目在运行过程中约有45%的时间处于低负荷状态，因此使用IGBT电源也有助于降低制氢系统的电力损耗。 从长期来看，由于IGBT制氢电源具有优异的整流特性和电网适配性，因此吸引了大量公司研发和生产，未来IGBT制氢电源在应用层面有望适配大功率场景，并提高低压情形下的转换效率，制造成本也有望随着关键部件的国产化而进一步降低。 图5：IGBT制氢电源原理图图6：某IGBT电源在不同负载（横轴）下的整流效率（%） 资料来源：孔卫江《IGBT开关斩波整流技术在水电解制氢中的应用》，华宝证券研究创新部 资料来源：能景研究，华宝证券研究创新部 2.从政策机遇、项目建设、技术支持来看，制氢电源有望开启增长之路 2.1.行业规范与标准不断出台，未来有望进一步获得政策支持 制氢电源行业标准不断完善。2023年，T/CES226-2023《水电解制氢整流电源技术规范》、T/ZHFCA1003-2023《全控型电解水制氢电源》标准相继发布，前者填补了国内PEM水电解制氢应用场景下整流电源技术标准的空白，后者针对IGBT制氢电源技术的要求进行了规范。标准的出台与落地更有利于制氢电源产品的生产、测试与应用。 、 、 表1：与制氢电源相关的标准 发布时间 发布单 位 起草单 位 标准号 标准名称 主要内容 意义 2023年 10月 中国电工技术学会 阳光氢能、大连理工大学等 T/CES226-2023 《水电解制氢整流电源技术规范》 1、规定制氢整流电源的产品类型、基本功能要求、性能要求和保护要求；2、对制氢整流电源的基本功能提出了要求，包括直流输出调节范围、通信紧急停机、电气隔离与回路分断、防爆等级、直流电压和电流控制、交流无功输出、直流放电和功率调度等；3、对制氢整流电源的性能提出了要求，包括最大转换效率、电网侧性能直流侧性能和电磁兼容性能。 此标准的制定填补了国内PEM水电解制氢应用场景下整流电源技术标准的空白，对于指导国内水电解制氢电源的产品开发和应用具有重要意义，此标准的发布标志着水电解制氢整流电源技术规范的正式确立。 2023年 12月 中关村氢能与燃料电池技术创新联盟 雷动智创、华电重工等 T/ZHFCA1003-2023 《全控型水电解制氢电源》 1、明确全控型水电解制氢电源的正常使用条件、特殊使用条件以及运输、存放和安装条件；2、从技术上规定了全控型水电解制氢电源的接口特性、结构要求、主要技术参数、输出电流控制、输入功率控制、恒流限压控制、电容放电、温升、