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1、敬请阅读末页的重要说明 证券研究报告 | 行业深度报告 2021 年 12 月 14 日 推荐推荐(首次)(首次) 碳中和之路需碳中和之路需“氢氢”装上阵装上阵,产业链视角寻产业链视角寻“能能”工巧工巧 匠匠 中游制造/机械 本篇报告从制氢、储运氢、下游应用的产业链视角梳理了氢能发展的契机与痛本篇报告从制氢、储运氢、下游应用的产业链视角梳理了氢能发展的契机与痛 点点,从公司端挑选了直击痛点从公司端挑选了直击痛点、未来有望加速氢能布局的设备公司如厚普股份未来有望加速氢能布局的设备公司如厚普股份、 雪人股份等。我们认为氢能取代传统高碳能源是大势所趋,雪人股份等。我们认为氢能取代传统高碳能源是大势所
2、趋,设备板块当前进入设备板块当前进入 成长节奏,市场预期先于业绩表现,首次给予行业的投资评级至成长节奏,市场预期先于业绩表现,首次给予行业的投资评级至“推荐推荐”。 碳中和背景下,如何选用更清洁的能源成为各国面临的现实问题。碳中和背景下,如何选用更清洁的能源成为各国面临的现实问题。氢能是拓 展程度相对较低、但环保效果极佳的新型能源,具有热值高、制取成本较低、 零碳排放等优点。 然而因技术不成熟或未达到规模化使用的经济性, 氢能当前 的使用成本依然居高。全球各级政府,包括美国、欧盟、日韩和中国,均发布 了对未来氢能应用的规划。 政策的倾斜也带来氢能产业的蓬勃发展, 今年以来 氢能相关注册企业数量
3、大幅增长,预计未来氢能将越发成为能源领域的主战 场。 制氢端仍以化石燃料制灰氢为主,水电解制氢成未来主流。制氢端仍以化石燃料制灰氢为主,水电解制氢成未来主流。当前国内化石燃 料制氢的份额占制氢端 99%以上,天然气制氢占 70%以上。水电解制氢将获 得清洁的绿氢,其中 AEC 制氢已得到商业化应用,未来看好 PEM 制氢的成 本下降。过去 4 年电解槽成本下降 40%,未来水电解制氢成本将进一步降低。 储运氢端是氢能降本的瓶颈,等待技术进步释放氢气高能量密度的潜力。储运氢端是氢能降本的瓶颈,等待技术进步释放氢气高能量密度的潜力。储 运氢是氢气供应链的难点,也是导致氢气终端价格居高的重要原因,这
4、主要 归因于气氢密度太低,而氢液化的成本高、难度大,难以保存。该环节涉及 到的设备主要有加氢站及配套的压缩机、加氢机、储氢容器等,三类设备在 最核心的零部件上均高度依赖进口,国内相关厂商进口替代空间大。 应用端结构未来将调整,燃料电池车引领氢能多方需求增长。应用端结构未来将调整,燃料电池车引领氢能多方需求增长。从当前需求结 构来看,工业色彩依然很浓,氢气主要应用于合成氨、石油炼化等领域。燃 料电池汽车作为氢能切入民用的突破口,在商用车板块具有得天独厚的优势, 而在乘用车板块也将伴随氢能成本下降而逐步普及。此外,在工业减排、储 气储能、能源供应和热电联供等方向均存在应用空间,未来需求可观。 涉氢
5、公司梳理,挑选国内空白领域的攻坚专家。涉氢公司梳理,挑选国内空白领域的攻坚专家。我们梳理了厚普股份、雪人 股份、冰轮环境、富瑞特装和中泰股份五家公司。分别在加氢设备、氢气压 缩和燃料电池空压机、隔膜压缩机和空压机、氢用阀门以及大规模制氢领域 有领先的技术储备,部分公司的业务已达到国际先进水平,填补国内空白。 氢能发展现已初露曙光,未来坦途将迎勃勃生机。氢能发展现已初露曙光,未来坦途将迎勃勃生机。伴随氢能的补贴与鼓励政 策逐渐被提上日程,从制氢到储运氢再到应用端,有望迎来板块的大范围更 新与成长,届时也将迎来更多龙头的浮现。我们对氢能设备板块首次覆盖, 给予“推荐”的评级。 风险提示:风险提示:
6、氢能的鼓励政策推行不及预期,技术发展不及预期。氢能的鼓励政策推行不及预期,技术发展不及预期。 行业规模行业规模 占比% 股票家数(只)4008.8 总市值(亿元)410094.5 流通市值 (亿元)303054.0 行业指数行业指数 %1m6m12m 绝对表现5.120.721.6 相对表现1.123.417.6 资料来源:公司数据、招商证券 相关相关报告报告 1、机械行业 2022 年度投资 策略清洁能源大背景为主, 兼 顾专精特新寻成长 2021-12-02 2、机械行业 21Q3 财报分析 Q3 行业增速边际回落好于预 期,新能源设备业绩领跑 2021-11-10 氢能设备专题报告氢能设
7、备专题报告 敬请阅读末页的重要说明2 行业深度报告 正文正文目录目录 一、碳中和背景下,能源领域剩者为王. 5 二、制氢端:燃料制氢仍为主力,水解制氢渐入佳境.9 1、化石燃料制氢:仍为主流工艺,依赖集中化装置.9 2、水电解制氢:极富潜力的绿氢源泉,设备端仍处初步成长期.10 三、储氢端:降本普及用氢的必争之地,设备端技术迭代将左右战局.13 1、运送与储备环节:氢价降低的瓶颈,期待进一步的技术突破.13 2、加氢站:规划建设推动网络密度提高,规模效应逐渐显现.15 3、设备端:剖析储运氢的设备降本空间.17 四、应用端:工业用氢渐淡,民用氢将崛起.21 1、氢燃料电池车打开民用需求瓶颈.2
8、1 2、多方需求增长促氢能晋升“全民能源”.24 五、公司端:春风已至,花期将近.25 1、厚普股份:加氢领域的破局者.25 2、雪人股份:驶入氢气压缩赛道,燃料电池空压机为亮点.27 3、冰轮环境:氢能业务起步,未来 CCUS+氢能贡献业绩增量.28 4、富瑞特装:高压氢阀突破海外产品围堵,有望攻占加氢站设备最后一片高地.29 5、中泰股份:双轨并行推动业绩成长,立足深冷领域优势向氢能源进军. 30 图表图表目录目录 图 1:全球主要国家二氧化碳排放(百万吨).5 图 2:各种形式能源的热值对比.5 图 3:氢的上游制取比例. 6 图 4:氢的下游应用比例. 6 图 5:氢气与其他类型能源的
9、单位能量的出厂价和零售价对比.6 图 6:历年氢能企业注册量.8 图 7:2021 年氢能企业注册量继续呈现大幅增长.8 图 8:中国的各类化石能源制氢方式产能占比.9 图 9:我国煤制氢产业在煤炭产量丰富,煤价较低的地区成本也更低.9 图 10:中国的各类化石能源制氢方式的产能潜力和制氢成本.10 OZnXgVbWiYbWNAxU9PdN9PmOnNoMpOiNrQmOfQrQnQ6MnNxOMYnRpRvPmMsN 敬请阅读末页的重要说明3 行业深度报告 图 11:氢气制备成本中,预计未来电解槽成本仍有较大降幅.11 图 12:PEM 水电解项目数量和最大装机功率均显著提高.12 图 13
10、:传统碱性水电解槽.12 图 14:全球水电解槽市场及规模预期.12 图 15:2021 年 1-7 月氢能产业链各环节投资项目数量占比.13 图 16:氢气不同运输方式的储运成本随加氢站距离的变化. 14 图 17:排名居前的重点省市 2019、2020 年的加氢站数量.15 图 18:加氢站各个组成部分的建设成本.15 图 19:35MPa 的不同加注能力的加氢站的总投资和设备购置成本的情况. 16 图 20:部分地区对氢气终端价格的最高补贴情况.16 图 21:加氢站数量和未来预计.16 图 22:规模效应下加氢站各成分的成本降幅.17 图 23:国内车载供氢系统的成本占比.17 图 2
11、4:美国 PDC 的隔膜压缩机. 18 图 25:中鼎恒盛的隔膜压缩机.18 图 26:加氢机示意图.19 图 27:厚普股份参与建设的全球最大的北京大兴加氢站. 19 图 28:储氢设备市场主要包括加氢站市场和车载供气系统市场.19 图 29:全复合轻质纤维缠绕储罐的内部结构.20 图 30:目前氢产业链的生产端和消费端,主要是化石能源制氢对接工业用氢.21 图 31:氢燃料电池车、纯电动车和传统汽车在动力系统上的差别.21 图 32:一些代表性的氢燃料电池车.22 图 33:自 2017 年后,商用氢燃料电池车产量逐步增长.22 图 34:中国燃料电池装备应用结构.23 图 35:未来燃料
12、电池乘用车的百公里 TCO 将逐步降低.23 图 36:纯电动乘用车渗透率提升快于燃料电池乘用车的渗透率.23 图 37:电力、热水供应是碳排放最大的部门,交通运输碳排放占比有限.24 图 38:2018 年以来,厚普的研发人员及数量占比均呈现增长. 26 图 39:厚普股份历史发展的三个阶段.26 图 40:雪人股份 2016 年以来压缩机收入占比持续提升.27 图 41:雪人股份的 OA075 空压机.28 图 42:与丰田公司合作开发的氢燃料冷藏车用动力系统. 28 敬请阅读末页的重要说明4 行业深度报告 图 43:CCUS 碳减排的环节及原理示意图.28 图 44:中国未来 CCUS
13、减排量需求预计. 29 图 45:富瑞特装在氢能领域的规划(绿圈)和技术(蓝圈)进展.30 图 46:深冷技术装置应用领域.31 表 1:重要经济体对于氢能的规划布局.6 表 2:国内部分省市关于发展氢能的政策规划.7 表 3:未来氢能市场的发展脉络与数据展望.8 表 4:不同制氢方式的效率、能耗、商业化程度对比.10 表 5:碱性水电解和 PEM 水电解. 11 表 6:电解水市场的装机量、规模、结构的未来展望.12 表 7:碱性水电解和 PEM 水电解. 13 表 8:各种运输形态的氢气的参数对比.14 表 9:各类隔膜压缩机的产品力考量.18 表 10:型瓶和型瓶的产品特质比较.20 表
14、 11:国内外相关生产公司生产的储氢瓶的性能参数对比. 20 表 12:当下不同类型乘用车的燃料消耗和成本比较. 22 表 13:氢燃料电池各类汽车的市场渗透率预计.23 表 14:世界各国推动的氢能方面的重要项目及简介. 24 表 15:福瑞特装年初的定增包括了氢能配套的研发项目. 30 敬请阅读末页的重要说明5 行业深度报告 一、一、碳中和背景下,能源领域剩者为王碳中和背景下,能源领域剩者为王 2020 年 9 月,中国宣布将在 2030 年前实现碳达峰,在 2060 年前实现碳中和。这是基于全球碳排放量在工业革命以 来显著提高的必然举措。截至 2011 年,全球已使用 52%的二氧化碳排
15、放额度,若不采取行动,则 2045 年全球碳排 放将超标,全球平均气温上升 2 摄氏度以上,届时将对全球生态系统造成不可逆的损害。通常来看,碳排放的主要形 式来自于化石燃料的燃烧,在工业化早期,粗放式经济发展模式下,往往带来较低的能源利用率和极高的废料排放。 中国的二氧化碳排放量在上世纪 90 年代以后快速攀升,到 2012 年二氧化碳排放量达到 90 亿吨,此后中国碳排放速 度放缓,2019 年累计排放二氧化碳 98.9 亿吨。 图图 1:全球主要国家二氧化碳排放(百万吨)全球主要国家二氧化碳排放(百万吨) 资料来源:BP、招商证券 碳中和背景下碳中和背景下,如何选用更清洁的能源成为各国面临
16、的现实问题如何选用更清洁的能源成为各国面临的现实问题。包括锂电、光伏、风能、氢能的新型能源渠道也得 到广泛拓展。氢能是拓展程度相对较低氢能是拓展程度相对较低、但环保效果极佳的新型能源但环保效果极佳的新型能源。氢元素是全球元素分布中比例极大的元素,来 源极为广泛,且通过可再生能源产生的绿氢,可以实现从制气到放能全链条的零碳排放。除来源广泛和清洁环保外除来源广泛和清洁环保外, 氢能本身具有极高的能量密度氢能本身具有极高的能量密度, 从热值来看, 氢气的热值达到 142.5MJ/kg, 相比之下, 锂电池的热值仅为 0.72 MJ/kg, 煤炭、石油、天然气等直接燃料的热值也仅为 3050 MJ/k
17、g。 图图 2:各种形式能源的热值对比各种形式能源的热值对比 资料来源:Toyota、招商证券 然而,氢能相比当下已经应用成熟的其他能源形式,仍有较多短板,而这些短板大多来自于技术不成熟或尚未达到规 模化使用的高成本。首先首先,从氢能的获取和应用来看从氢能的获取和应用来看,当前通过化石燃料制造是获取氢气的最大比例途径当前通过化石燃料制造是获取氢气的最大比例途径。因中国是 多煤贫气少油的国家,因此当前通过煤化工制取氢气的比例达到 61%,通过天然气制氢的比例达到 19%。工业中产 生的氢气主要包括灰氢、蓝氢和绿氢,灰氢主要由焦炉煤气、氯碱尾气为代表的工业副产品制造而成;蓝氢由煤或天 然气等化石燃
18、料制得,并在制取过程中捕获碳氧化物并加以封存;绿氢则是最环保的一种氢气,来源于可再生电力、 核电、风电等,可深度脱碳。当前氢能应用仍处于早期阶段,灰氢占比极大,而绿氢占比仅为 4%左右,未来继续发 展成为高清洁能源的空间极大。从下游需求的角度来看从下游需求的角度来看,氢气当前主要应用方向为制备合成氨与合成甲醇等氢气当前主要应用方向为制备合成氨与合成甲醇等,而交通而交通 敬请阅读末页的重要说明6 行业深度报告 领域应用占比仅为领域应用占比仅为 1%,这表明氢气当前在社会经济中的定位更多的是生产过程的中间品,而非能源。,这表明氢气当前在社会经济中的定位更多的是生产过程的中间品,而非能源。 图图3:
19、氢的上游制取比例:氢的上游制取比例图图4:氢的下游应用比例:氢的下游应用比例 资料来源:中国标准化研究院、GGII、招商证券资料来源:中国标准化研究院、GGII、招商证券 其次其次,氢气应用的另一个短板是销售价格相对较高氢气应用的另一个短板是销售价格相对较高。一般来说,当前市场的氢气大多为工业生产的中间品,灰氢、蓝 氢比例较大,且氢气本身能量密度较高,因此单位能量的制造成本并不高。但受累于氢气的供应链网络较弱,且氢气 本身较为活跃、易逃逸以及容易造成金属产生氢脆的特性,氢气的运输成本极高,因此尽管氢气出厂价格低于燃油高 于天然气,但氢气的终端销售价格远高于其他类型的直接燃料。 图图 5:氢气与
20、其他类型能源的单位能量的出厂价和零售价对比氢气与其他类型能源的单位能量的出厂价和零售价对比 资料来源:北极星氢能网、招商证券 氢能作为未来极富成长空间的能源氢能作为未来极富成长空间的能源, 近几年以来在成本端的努力已卓有成效近几年以来在成本端的努力已卓有成效, 且其应用也已经受到主要国家政府的重且其应用也已经受到主要国家政府的重 视视,包括美国包括美国、欧盟欧盟、日韩和中国等主要经济体日韩和中国等主要经济体,均发布了对未来氢能应用的规划均发布了对未来氢能应用的规划。规划内容主要包括电解槽装机量、 制氢方式及对应的比例、减排吨位等等。中国早年对新能源方向的政策主要以促进纯电充汽车、混合动力汽车以
21、及燃 料电池汽车的销售为主,2015 年在关于 16-20 年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知中,提及对于燃料电 池外的其他车型补助标准适当退坡;2016 年开始独立提出发展氢能和燃料电池技术创新,在氢的制取储运及加氢站 等方面展开研发;在“十四五规划”中,进一步提出要在 2025 年以工业副产氢为主,可再生能源制氢进入试点运营; 2035 年以可再生能源半集中式制氢为主,工业副产氢为辅;2050 年实现零排放制氢,可再生能源集中化制氢为主。 表表 1:重要经济体对于氢能的规划布局:重要经济体对于氢能的规划布局 国家国家相关文件相关文件举措与实现目标举措与实现目标 美国国家氢能发展战略 2
22、030-35 年实现电解水制氢与 SMR+CCS 制氢规模相当;2050 年 全面实现工业与交通超低碳和零碳制氢用氢 欧盟 法国 欧盟氢能源战略 计划投资 15 亿欧元,2030 年电解槽装机容量达 6.5GW,2030 年 减排 2100 万吨二氧化碳,国内氢气产量 135 万吨 德国 2030 年预计产生 90-110 太瓦时氢需求, 2030 年电解槽装机容量达 5GW 敬请阅读末页的重要说明7 行业深度报告 日本氢燃料电池战略线路图 2030 年国内使用可再生能源制氢为主,2050 年实现零排放制氢, 具体可通过 CCS 和可再生能源制氢两条路径实现 韩国氢能经济发展路线图 2022
23、年国内氢气主要通过大型电解槽制氢获得,氢气成本下降至 5500 韩元/kg,2040 年国内氢气全部为绿氢,成本下降至 3000 韩 元/kg 中国十四五规划文件 2025 年以工业副产氢为主,可再生能源制氢进入试点运营;2035 年以可再生能源半集中式制氢为主,工业副产氢为辅;2050 年实现 零排放制氢,可再生能源集中化制氢为主 资料来源:GGII、普华永道、招商证券 与此同时,省域地区也陆续推出了促进氢能发展的政策文件。与此同时,省域地区也陆续推出了促进氢能发展的政策文件。据不完全统计,已有河北、广东、山东、浙江、北京、 上海、重庆等多个省市在其“十四五”规划中明确提出要发展氢能产业。例
24、如重庆提出到 2022 年要建成 10 座加氢站, 氢燃料电池车规模达到 800 辆,到 2025 年建成 15 座加氢站,氢燃料电池车规模达到 1500 辆;河北省则提出要在 2022 年使氢产业链年产值达到 150 亿元,到 2025 年培育国内先进的企业 10-15 家,氢产业链年产值达到 500 亿元; 北京在 8 月 16 日推出北京市氢能产业发展实施方案(2021-2025 年) ,提出到 2025 年之前,要培育 10-15 家国 际氢能产业链龙头,京津冀地区累计实现氢能产业链规模 1000 亿元以上,减少碳排放 500 万吨。 表表 2:国内部分省市关于发展氢能的政策规划:国内
25、部分省市关于发展氢能的政策规划 政策时间政策时间发行省市发行省市文件名文件名主要内容主要内容 2019年8月浙江省 浙江省加快培育氢能产业发 展的指导意见 到 2022 年,浙江省氢燃料电池整车产能达到 1000 辆,氢燃料发动机产量超过 1 万台,氢能产业总产值 超过 100 亿元。 2020年3月重庆市 重庆市氢燃料电池汽车产业 发展指导意见 到 2022 年,要建成加氢站 10 座,氢燃料电池汽车 运行规模力争达到 800 辆;到 2025 年,要建成加氢 站 15 座,氢燃料电池汽车运行规模力争达到 1500 辆。 2020年6月山东省 山东省氢能产业中长期发展 规划(20202030
26、 年) 要打造济南的“中国氢谷”和青岛的“东方氢岛”。 2021年7月河北省 河北省氢能产业发展“十四五” 规划 到2022年, 河北省氢能产业链年产值达到150亿元。 到 2025 年,还要培育国内先进的企业 10-15 家,氢 能产业链年产值达到 500 亿元。 2021年7月上海市 上海市先进制造业发展“十四 五”规划 将建设燃料电池汽车示范应用上海城市群, 突破多类 型整车产品,电堆、膜电极、双极板等关键零部件实 现批量产业化,产业链整体技术水平达到国际领先, 推动长三角地区燃料电池汽车产业创新发展, 同时加 快加氢站建设。 2021年8月北京市 北京市氢能产业发展实施方 案(2021
27、-2025 年) 到 2025 年之前, 北京市要培育 10 家-15 家具有国际 影响力的产业链龙头企业, 整个京津冀区域则要累计 实现氢能产业链产业规模 1000 亿元以上,减少碳排 放 200 万吨。 资料来源:环保圈、招商证券 政策的倾斜也带来氢能产业的蓬勃发展政策的倾斜也带来氢能产业的蓬勃发展。 根据企查查上关键词为“氢能”的企业搜索, 2018 年以来相关公司的注册量呈 现大幅度增长,由 2018 年 243 的注册数上升至 2019 年 416 的注册数,且 2021 年继续保持良好态势,一季度氢能 企业的注册量达到 143,同比 2020 年同期增长了 123%,二季度氢能企业
28、的注册量达到 196 家,同比增长了 70%。 敬请阅读末页的重要说明8 行业深度报告 图图6:历年氢能企业注册量:历年氢能企业注册量图图7:2021 年氢能企业注册量继续呈现大幅增长年氢能企业注册量继续呈现大幅增长 资料来源:企查查、招商证券资料来源:企查查、招商证券 氢能企业层面迎来的不仅是注册数量的大幅度增长氢能企业层面迎来的不仅是注册数量的大幅度增长,也迎来包括央企在内的诸多核心企业的关注也迎来包括央企在内的诸多核心企业的关注。据 7 月 16 日国新 办 2021 年上半年中央企业经济运行情况举行的新闻发布会介绍,当前已有三分之一的央企参与了氢产业链的布局。 如中石油中石化参与了氢能
29、源储运和终端建设的环节, 国家能源集团和中船 718 所参与了氢能产业链布局及装备的制 造等。根据中国氢能行业发展报告 2020 ,中国未来的氢能发展目标包括氢需求量、产业产值、终端销售价格、加 氢站数量、氢燃料电池汽车保有量,以及从产业链环节的储氢路径、储运路径和加注模式的演化。具体来看,这一目 标要求中国在 2050 年氢的需求总量达到约 6000 万吨,产值达到 12 万亿元,氢终端价格明显下降,加氢站数量达到 12000 座,是当前数量的 50 倍以上,氢燃料汽车保有量达到 3000 万辆。从最终的能源结构来看,当前中国氢气供 应结构中有接近 70%为化石能源制氢, 未来更环保的可再生
30、能源电解制氢以及生物制氢的途径将得到更大范围地普及 与渗透, 预计到 2050 年, 电解制氢的比例将达到 70%, 生物制氢比例达到 20%, 而化石能源制氢比例将下降到 20%。 表表 3:未来氢能市场的发展脉络与数据展望:未来氢能市场的发展脉络与数据展望 2025 年年2035 年年2050 年年 氢需求总量(万吨)300045006000 产业产值(万亿元)1512 氢终端销售价格(元/kg)403020 加氢站数量(座)200200012000 氢燃料汽车保有量(万辆)101003000 制氢路径 工业副产氯提纯为主, 电解 水制氢试点运营 可再生能源、 电解水制氢半 集中化为主;C
31、CUS 技术 实现产业化 可再生能源、 电解水制氢集 中化生产为主;工业副产 +CCUS 技术为辅 储氢路径 高压气氢运输为主、 液氢运 输试点推广 液氢运输作为主动脉, 高压 气态储运作为毛细血管 液态储运+高压气态储运+ 管道储运+有机液体储运 等多种路径并存 加注模式 合建站为主, 在站制氢一体 站试点运营 加氢站及其他基础设施多 元化、网络化发展 形成多元化、 网络化的氢能 基础设施体系 资料来源: 中国氢能发展报告 2020 、招商证券 敬请阅读末页的重要说明9 行业深度报告 二、二、制氢端:制氢端:燃料制氢仍为主力,水解制氢渐入佳境燃料制氢仍为主力,水解制氢渐入佳境 1、化石燃料制
32、氢:仍为主流工艺,依赖集中化装置化石燃料制氢:仍为主流工艺,依赖集中化装置 目前的制氢技术依然是化石能源制氢为主,目前的制氢技术依然是化石能源制氢为主,国内占比超过国内占比超过 99%。这主要包括煤制氢和天然气制氢,其中天然气制氢 全球范围内占比大约 70%,在天然气资源较为丰富的地区,制氢成本大约为 1.35 元/千方米;煤制氢则在我国多煤少 气的资源格局下得到广泛应用,在山西、内蒙古等煤炭资源丰富的地区,煤制氢的成本可能低至 0.34 元/千方米;此 外化石能源制氢还包括化工副产物制氢, 如丙烷脱氢项目和乙烷裂解项目, 均可实现副产并量售氢气, 据不完全统计, 我国焦炉煤气、丙烷脱氢、烧碱
33、工业等可利用副产氢超过 800 万 t/a。 图图 8:中国的各类化石能源制氢方式产能占比中国的各类化石能源制氢方式产能占比 资料来源:现代化工、招商证券 从煤制氢的角度来看从煤制氢的角度来看, 中国当前通过煤化工的方式制氢中国当前通过煤化工的方式制氢的手段的手段已经比较成熟已经比较成熟, 生产方式主要为煤气化炉利用变压吸附生产方式主要为煤气化炉利用变压吸附 (PSA)技术提纯到燃料电池用氢需求技术提纯到燃料电池用氢需求。根据中国氢能发展报告 2020 ,一台投煤量 2000 吨/天的煤气化炉,只需 把其约 2%-3%的负荷作用提纯制氢,就可以提供 1560-2340kg/天的氢气。煤制氢对于
34、资源的密集度和投入规模都有 要求,在煤炭资源丰富的地区,煤炭价格可能低至 200 元/吨,这种情况下煤制氢成本大约 6.77 元/kg,而当煤炭价格 涨至 1000 元/kg 时,煤制氢成本会达到 12.14 元/kg。此外煤制氢项目一般初期投入巨大,单位投资成本在 11.7 万 元/(千方米/小时) ,因此只有大规模生产的条件下,才能有效摊薄资本投入。 图图 9:我国煤制氢产业在煤炭产量丰富,煤价较低的地区成本也更低:我国煤制氢产业在煤炭产量丰富,煤价较低的地区成本也更低 资料来源:未势能源、车百智库、招商证券 天然气制氢主要采用蒸汽重整制氢技术(SMR) ,天然气原料成本大约占总的制氢成本
35、的 70%90%,鉴于中国天然 气产量较低且含硫量较高,预处理工艺复杂,因此国内天然气制氢的经济性远低于国外,目前仅有西部盆地等天然气 资源丰富的区域适合探索 SMR 技术。工业副产氢则是指在生产化工产品的同时得到的氢气,主要有焦炉煤气、氯碱 化工、轻烃利用、合成氨合成甲醇等副产氢气方式。工业副产氢在产能分布上有差别,PDH 及乙烷裂解项目较多分 布于华东及沿海地区,较大规模的氯碱厂主要分布于新疆、山东、内蒙古等地,焦化厂主要分布于华北、华东地区, 敬请阅读末页的重要说明10 行业深度报告 而合成氨企业主要分布于山东、山西、河南等地。根据中国氢能发展报告 2020的统计,工业副产氢的供应潜力
36、约为 450 万吨/年,其中焦炉煤气副产氢的供氢潜力最大,为 271 万吨/年,对应的制氢成本也最低,约为 0.831.33 元/千方米。 图图 10:中国的各类化石能源制氢方式的产能潜力和制氢成本中国的各类化石能源制氢方式的产能潜力和制氢成本 资料来源: 中国氢能发展报告 2020 、招商证券 从设备端来看,因化石燃料制氢往往依赖地域的高资源集中度和大规模生产带来的经济性,因此相关的制氢设备往往 价格高昂,主要由头部的石化企业自制或相关的空分、深冷设备厂商提供。国内相关的设备厂商主要包括盈德气体集 团、杭氧股份、中建五洲以及中泰股份等,此外海外巨头林德集团也广泛参与国内重要化石燃料制氢项目。
37、 2、水电解制氢:极富潜力的绿氢源泉,设备端仍处初步成长期水电解制氢:极富潜力的绿氢源泉,设备端仍处初步成长期 除化石燃料制氢外除化石燃料制氢外,电解水制氢是另一重要途径电解水制氢是另一重要途径,且将是未来制作绿氢的主流方式且将是未来制作绿氢的主流方式。目前电解水制氢占全球制氢规模目前电解水制氢占全球制氢规模 的的 4%,而在中国尚且不足而在中国尚且不足 1%。电解水制氢主要包括碱性制氢、PEM 制氢和 SOEC 制氢三种方式。碱性电解水制氢 (AEC)是目前较为成熟的方式,并且已步入早期商业化阶段。AEC 一般以碱性溶液(氢氧化钾或氢氧化钠)为电 解质,以石棉作为隔膜,起分离气体的作用。阴极
38、与阳极主要由金属合金构成,如 Ni-Mo 合金。碱性电解的优势在于 成本较低,具体来看,受益于碱性条件下如锰、镍等非贵金属的催化剂的广泛使用和规模化生产的经济性,在过去在过去的的 4 年中,电解槽成本已经下降了年中,电解槽成本已经下降了 40%,如今已经占据绿氢制备成本的不足,如今已经占据绿氢制备成本的不足 50%比例,且预计未来会进一步下降。比例,且预计未来会进一步下降。 表表 4:不同制氢方式的效率、能耗、商业化程度对比:不同制氢方式的效率、能耗、商业化程度对比 效率效率 生产能耗生产能耗 (kWh/kg 氢气氢气) 成熟度成熟度 天然气重整65%-75%44-51商业化 煤气化45%-6
39、5%51-74商业化 电解水 AEC62%-82%61-92商业化 PEM67%-82%55-58商业化 SOEC110%/实验阶段 资料来源:中科富海、招商证券 敬请阅读末页的重要说明11 行业深度报告 图图 11:氢气制备成本中,预计未来电解槽成本仍有较大降幅氢气制备成本中,预计未来电解槽成本仍有较大降幅 资料来源:Hemado、招商证券 PEM 电解技术是近几年以来快速发展的技术,主要采用 PEM 传导质子,并隔绝电极两侧的气体,相比碱性电解水制 氢,PEM 电解技术的氢气渗透率极低,因而产生的氢气纯度极高;此外电解槽一般采用零间距结构,欧姆电阻较低, 可提升电解过程中的使用效率,并且一
40、定程度上降低电力功耗;且压力调控范围较大,氢气输入压力可达数兆帕,可 以适应快速变化的可再生能源的电力输入环境。鉴于 PEM 相比碱性电解水与可再生能源更为优良的匹配效果,欧盟 规划了以 PEM 电解水逐步替代碱性电解水的路线,且通过立法,如规定电解槽制氢响应时间小于 5 秒进而达到这一 要求。美国能源部也提出 H2Scale 规划,支持 Giner、Proton Onsite 等公司开展 PEM 电解槽制造与规模化技术 研发,资助金额均超过 400 万美元。然而,相比碱性电解水,PEM 电解的劣势在于成本过高以及使用寿命较短。在 成本方面, 制约 PEM 电解规模化使用的关键在于较高的双极板
41、成本 (约占电解槽的 48%) 和膜电极成本 (约占 10%) , 且质子交换膜技术长期被国外少数企业垄断,难以大规模推广;在使用寿命方面,PEM 水电解当前的堆寿命低于 5 万小时,系统寿命处于 10-20 年之间,均低于碱性水电解。然而,因更大的降本空间和更低的能耗,支持全脱碳的 PEM 技术未来有望成为水电解技术的重要核心,目前 PEM 水电解制氢已迈入 10 MW 级别示范应用阶段,100 MW 级别的 PEM 电解槽正在开发,自 2017 年以来,PEM 水电解的项目数量就大幅提升,且额定装机功率的平均值也在 2020 年得到了大幅提高。 表表 5:碱性水电解和:碱性水电解和 PEM
42、 水电解水电解 技术经济指标技术经济指标 碱性水电解碱性水电解PEM 水电解水电解 现在状态现在状态未来目标未来目标现在状态现在状态未来目标未来目标 电流密度/(A/cm2)0.2-0.40.81-21.5-3 压力/Mpa36310 系统效率/%62-8267-8774-8782-93 H2电耗(kWh/m3)4.5-6.54.3-5.74.5-5.54.1-4.8 电解系统额定功率/MW150-10-20100 单堆产氢量/(m3/h)250 堆寿命/h90000900005000099.99- 动态响应速度/s35200500 电解系统市场规模(亿元)8002
43、00060007000 PEM 电解槽能源转化效率60%63%68%74% 碱性电解槽能源转化效率63%65%71%78% PEM 电解槽市场占比5%10%20%40% 敬请阅读末页的重要说明13 行业深度报告 碱性电解槽市场占比95%90%80%60% 资料来源: 中国氢能发展报告 2020 、招商证券 三、三、储氢端:储氢端:降本普及用氢的必争之地,设备端技术迭代将左右战局降本普及用氢的必争之地,设备端技术迭代将左右战局 1、运送与储备环节:氢价降低的瓶颈,期待进一步的技术突破运送与储备环节:氢价降低的瓶颈,期待进一步的技术突破 相比其他能源形式,氢气的高成本往往来自于储氢端而非制氢端,因
44、此尽管制氢端的电解水制氢成本较高,且技术突 破的路径较长,但传统化石燃料制氢的整体成本仍然并不高,这体现在氢气的出厂价和终端消费价的巨大差异,导致导致 这一差异的主要瓶颈就在于储运氢的高成本这一差异的主要瓶颈就在于储运氢的高成本。氢是元素周期表中的首位元素,气体状态下密度极小,因此必须加以压 缩,使其呈现高密度气态或固态、有机态的形式,才能大规模运送,因此压缩和储运过程本身就会耗费较大的成本。 此外,类似天然气的管道运输方式也得到考虑,然而现有的天然气管道不能直接用于运输氢气,因为钢管运氢容易产 生氢脆,即氢分子溶于钢中,造成应力集中,甚至超出钢的强度极限,所以要采用管道运输,需采用含碳量极低
45、的材 料,一般会是天然气管道材料的两倍,或者可采用天然气和氢气混合运输的方式,但氢气的含量占比不得超过 20%。 鉴于以上种种限制,氢的储运环节一直是降本的难点,在我国今年 1-7 月的 80 多起氢能产业投资事件中,涉及制氢 事件的投资依然是主流,达到 30 多起,然而涉及储运氢的投资占比则仅有 3%,未来技术攻关和降本增效的空间很 大。 图图 15:2021 年年 1-7 月氢能产业链各环节投资项目数量占比月氢能产业链各环节投资项目数量占比 资料来源:氢云链、招商证券 在下游消费市场在下游消费市场,氢气主要分为燃料氢氢气主要分为燃料氢、化工氢化工氢、工业氢工业氢、能源氢和高纯电子氢能源氢和
46、高纯电子氢。不同种类的氢气有各自的制造来源, 以及对应的储运成本。一般来说,管道氢和化工氢分别来自于焦炉煤气、氯碱尾气和煤制天然气的副产物,纯度较低, 且采用管道运输的方式,因此到货价格较低,分别约为 0.6 元/千方米和 11.5 元/千方米。工业氢、能源氢和高纯电 子氢主要来自甲醇制氢、水电解或其他形式能源制氢(如光伏、核电、风电等) ,纯度一般高于 99.9%,运输距离也 相对较远,主要采用长管拖车运输,因此到货价格较高,工业氢和能源氢分别约为 34 元/千方米、5 元/千方米,高 纯电子氢价格则更高。 表表 7:不同类型所得的氢气与之对应的不同供应方式不同类型所得的氢气与之对应的不同供
47、应方式 供应来源供应来源 燃料氢燃料氢化工氢化工氢工业氢工业氢高纯电子氢高纯电子氢能源氢能源氢 焦炉煤气氯焦炉煤气氯 碱尾气碱尾气 煤制氢天然气制氢煤制氢天然气制氢 甲醇制氢水电解甲醇制氢水电解 制氢制氢 水电解水电解多种来源多种来源 纯度/%6096-99.999.999.999999.99 运输方式管道管道长管拖车长管拖车长管拖车 到货价格(元/千方米)0.61-1.53.0-4.055 运输距离/km厂内10-4020020050000500500500kg/d 敬请阅读末页的重要说明14 行业深度报告 资料来源:北极星氢能网、招商证券 为了将以上各类氢运送到使用端为了将以上各类氢运送到
48、使用端,需要对氢气进行变相存储需要对氢气进行变相存储,形成高压氢形成高压氢、液氢液氢、金属固氢金属固氢、有机液氢有机液氢、管道氢的形管道氢的形 态。态。常压下,液态氢的密度能达到气态氢密度的将近 800 倍,而即使将气态氢的压力增加到 70Mpa,其密度也不到 液态氢密度的 60%,因此,但从储能密度的角度来看,低温液氢运输更有经济性。然而现实技术存在制约,氢气的液 化温度低至-252.76 摄氏度,即使全力加压也只能使这一温度要求降低至-240 摄氏度,因此技术难度极大。此外,氢 液化的过程中,能耗也很大,理论上液化 1kg 氢的能耗约为 14.4MJ,仅占其自身能量的 10%,然而实际能耗
49、却高出 3 倍以上。能够提供氢气液化并付诸商业化用途的主要为气体领域的国际巨头,如德国林德、法国液化空气、美国普 莱克斯等,而这些公司提供的氢气液化装置,液化过程也会损耗氢气本身超过 1/3 的能量,相比天然气液化仅损失 6%8%的能量,氢气液化的成本依然过高。 因此,从技术上来说,相对更成熟的储运方式还是气态运输。因此,从技术上来说,相对更成熟的储运方式还是气态运输。对于加氢站来说,当前市场消费端的氢气使用量不大, 且加氢站比较分散,采用集装格拖车一次性无法充分运输足够量的氢气,经济性不强,因此主要采用长管拖车运输。 长管拖车由牵引车和管束车组成,自重约为 36 吨,满载氢气的重量约为 0.
50、32 吨,管束内的氢气卸载率一般达到 70%85%,是相对方便且便宜的运输方式。总体来说,在短距离运输中,相对成熟的长管拖车的气态运输尚有一定 经济性,然而长距离运输中,因长管拖车的氢气运输重量仅占自重的 1%,因此成本很高,只有期待氢气液化的可行 性进一步提高,从而使用液氢槽罐车运输才能更有效地降本。此外,管道运输尽管成本极低,但初期投入巨大,且初 期设备的利用率也较低,将液化气管道用来输送氢气,管道的腐蚀性和强度变化仍有待进一步研究。 表表 8:各种运输形态的氢气的参数对比:各种运输形态的氢气的参数对比 储氢技术储氢技术高压气氢高压气氢低温液氢低温液氢金属储氢金属储氢有机储氢有机储氢管道储