氫能產(chǎn)業(yè)的痛點和機會
作者：admin 發(fā)布日期：2022/9/20 9:27:26
發(fā)展氫能：零碳的重要抓手。氫能是一種優(yōu)質(zhì)的二次能源，其制取便利、高效環(huán)保、應用廣泛，能助力減碳、優(yōu)化能源結(jié)構。全球已有多國在國家層面提出了氫能相關戰(zhàn)略，而在我國實現(xiàn)“2030年碳達峰，2060年碳中和”的進程中，發(fā)展氫能及相關產(chǎn)業(yè)、技術將是重要抓手。
我國氫能現(xiàn)狀：潛力大，難點多。從資源稟賦和產(chǎn)業(yè)基礎看，中國是世界第一產(chǎn)氫大國，中國發(fā)展氫能具有較好的條件，且目前我國氫能發(fā)展較快，在全球新投資的氫能項目中我國占比較高，發(fā)展?jié)摿^大。但我國氫能產(chǎn)業(yè)仍有以高排放的灰氫為主、制取和儲運技術薄弱、綠氫價格較高、應用場景單一等問題，制約行業(yè)發(fā)展。
未來趨勢：空間廣闊、賽道眾多。我們預計，從總量來看，氫能需求預計將保持年均3.5-6.0%的增速，而相關的生產(chǎn)、儲運等領域，將實現(xiàn)更高增速的增長，成為我國能源體系的重要組成 部分。根據(jù)目前行業(yè)的主要痛點，即實現(xiàn)供給端平價和需求端廣泛應用，從短期發(fā)展視角看，可以關注氫能應用領域的熱點賽道，尤其是氫燃料電池、燃料電池車及加氫站建設；而從中長期發(fā)展視角看，可以關注上游的可再生能源制氫、電解槽等賽道，以及中游的液氫儲運、輸氫管道建設等賽道。
1、發(fā)展氫能：零碳的重要抓手
氫能是指氫在物理與化學變化過程中釋放的能量，它是一種理想的二次能源，被認為是全球能源轉(zhuǎn)型的重大戰(zhàn)略方向。其產(chǎn)業(yè)鏈分為上游制氫、中游儲運和下游終端消費三個環(huán)節(jié)，涉及的產(chǎn)業(yè)領域非常廣泛。
從生產(chǎn)端來看，氫能的優(yōu)勢在于制取、儲運便利，相對環(huán)保。一是氫能來源廣泛，除了以化石燃料制氫外，還可利用風電、太陽能等通過電解水形式制氫。二是儲運相對便利，氫可以氣、液態(tài)存儲于高壓罐中，也可以固態(tài)存儲于儲氫材料中，相對于以電網(wǎng)運輸，波動大、損耗多的風能、太陽能等更具優(yōu)勢。三是相對綠色環(huán)保，氫能的燃燒產(chǎn)物是水，在使用可再生能源制氫的前提下能實現(xiàn)零碳排放，而傳統(tǒng)化石能源通過制氫，而不是直接發(fā)電，其碳排放強度也會有所下降。
從應用端來看，氫能的優(yōu)勢在于高效、應用廣泛。一是高效，相對于其他常見能源，氫氣燃燒的熱值更高，能達到142KJ/g，遠高于其他能源，從而能夠提升效率。二是氫氣的應用廣泛，既可以用作燃料電池發(fā)電，應用于汽車，船舶和航空領域，也可以單獨作為燃料氣體或化工原料進入生產(chǎn)，同時還可以在天然氣管道中摻氫燃燒，應用于建筑供暖等。目前在已經(jīng)規(guī)?；瘧玫哪茉粗?，僅有石油能具備供熱、供電、交通燃料等多種功能，而氫氣無疑又是一種具有多種能源特性、適用多種場景的優(yōu)質(zhì)能源。
自《巴黎協(xié)定》制定了“將全球平均氣溫較前工業(yè)化時期上升幅度控制在2℃以內(nèi)，并努力將溫度上升幅度限制在1.5℃以內(nèi)”的長期目標后，多國宣布在一定時間內(nèi)實現(xiàn)碳中和。而發(fā)展氫能來推進減碳、優(yōu)化能源結(jié)構，是達成零碳排放的重要舉措之一。
當前，全球多國已經(jīng)出臺氫能頂層設計和戰(zhàn)略路線。根據(jù)國際氫能委員會的報告，在全球已有31個國家在國家層面提出了氫能相關戰(zhàn)略，這些國家占全球GDP的73%。綜合來看，海外各國的國家氫能戰(zhàn)略，首要目標在于盡快脫碳，其次才是增加能源種類，其中澳大利亞、俄羅斯、加拿大等國還有擴大氫能出口的戰(zhàn)略目標。而重點技術領域上，主要集中在降低氫價、發(fā)展氫燃料交通和工業(yè)脫碳上。值得注意的是，由于各國的資源稟賦存在差異，發(fā)展氫能的路線也存在差異，例如天然氣資源豐富的俄羅斯，就以發(fā)展以天然氣為原料的藍氫，而非常見的綠氫為主要技術方向。
在我國，2021年9月22日，中央碳達峰、碳中和“1+N”政策體系中首個頂層設計文件《關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，著重提到了“統(tǒng)籌推進氫能‘制儲輸用’全鏈條發(fā)展”，“推動加氫站建設”，“推進可再生能源制氫等低碳前沿技術攻關”，“加強氫能生產(chǎn)、儲存、應用關鍵技術研發(fā)、示范和規(guī)?；瘧谩钡葰淠茉串a(chǎn)業(yè)的重要舉措。與此同時，各地政府也將氫能領域作為實現(xiàn)“雙碳”目標的重要抓手。
2、我國氫能現(xiàn)狀：潛力大，難點多
中國的能源結(jié)構仍然以化石能源為主，急需加強清潔能源發(fā)展。從一次能源消費結(jié)構來看，我國煤炭、石油、天然氣等化石能源的占比高達84.1%，非化石能源占比僅為15.9%，相較2025年20%的要求還有一定距離，而相比2060年80%的目標還相去甚遠。從最終能源消費結(jié)構來看，化石能源占比也依然高達61.9%，電能占比僅為26.9%，而且從發(fā)電方式來看，高碳排放的火電仍是我國主要發(fā)電方式，占比高達70.7%。氫能作為綠色、清潔、高效的二次能源，可優(yōu)化現(xiàn)有能源結(jié)構、有效降低二氧化碳排放量，改善環(huán)境問題，助力“雙碳”目標的實現(xiàn)。
從資源稟賦和產(chǎn)業(yè)基礎看，中國是世界第一產(chǎn)氫大國，中國發(fā)展氫能具有較好的條件。中國政府網(wǎng)、經(jīng)濟日報援引國際氫能協(xié)會統(tǒng)計顯示，目前國際制氫年產(chǎn)量6300萬噸左右，中國每年產(chǎn)氫約2200萬噸，占世界氫產(chǎn)量的三分之一，且大部分是相對成本較為低廉的煤制氫，可為氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初級階段提供充足的低成本的氫源。
而且我國制備氫氣的資源很豐富，棄電資源能作為氫能供給的重要來源。中國是全球第一大可再生能源發(fā)電國，截至2020年底，中國可再生能源發(fā)電裝機總規(guī)模達9.3億千瓦，占全球總量的80%以上。我國每年在風電、光伏、水電等可再生能源上的棄電約1000億千瓦時，可用于電解水制氫約200萬噸，可再生能源有望成為中國綠氫供給的主要來源。
目前我國也是全球發(fā)展氫能速度較快的國家之一，在截至2021年初全球投資的氫能項目中，我國占比較高。據(jù)國際氫能協(xié)會統(tǒng)計，全球氫能產(chǎn)業(yè)鏈上已建成、在建和規(guī)劃項目共228個，主要分布在歐洲、澳大利亞、亞洲、中東、智利等國家和地區(qū)。從地域分布來看，預計歐洲的投資份額最大（約45%），其次是亞洲，而中國占亞洲總投資的50%左右，居首位。
雖然潛力大、增速快，但我國氫能行業(yè)仍面臨以下難點。
一是我國生產(chǎn)的大都是高排放的灰氫。依據(jù)制取方式和過程中碳排放量的不同，氫氣可分為化石能源燃燒產(chǎn)生的灰氫、通過碳捕集和封存技術來減少碳排放制取的藍氫，以及由清潔能源和可再生能源制取的綠氫。從能源轉(zhuǎn)換效率和排放量來看，無疑低排放、高效率的綠氫，尤其是水力、風能電解制氫才是未來的主要方向。
中國當前煤化工行業(yè)發(fā)展較為成熟，2016年我國煤制氫占比高達62%，相比來看，全球水平氫氣供給中僅有18%為煤制氫，而在氫能產(chǎn)業(yè)最為發(fā)達的日本，其煤制氫的比重僅為6%，電解水制取的綠氫占比高達63%。在以煤炭作為制氫主要來源的情況下，碳排放水平相比直接使用煤炭所差無幾，無法達到低碳的要求，所以當前我們面臨的一個難點是需要加大研發(fā)和應用綠氫制造技術的比例。
二是制取、儲運技術薄弱，綠氫價格短期或?qū)⑤^高。從縱向比較上看，我國僅有廣東省公布了自2016年以來能源用氫的價格，可以看到近年來一直保持上漲的趨勢。從橫向比較上看，2021年上半年，德國氫氣價格為74.4元/公斤，美國為106.35元/公斤，日本為70元/公斤，而中國僅為60-70元/公斤。
雖然我國的氫氣價格并不算高，但需要注意，這一方面是由于我國氫氣供給目前以煤制氫為主，根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，2018年煤制氫的價格約在1.2-2.2美元/千克，而綠氫的價格高達3-7.5美元/千克，所以短期氫價相對較低。另一方面，是由于目前政府在消費用氫上給予大量補貼，實際中用氫價格僅為40元/千克左右，但補貼難以長期維持。如果未來綠氫占比提高、補貼金額減少，氫氣價格或?qū)⒊霈F(xiàn)明顯的抬升。
除了生產(chǎn)成本，我國氫氣儲運成本也面臨上漲的可能。目前國內(nèi)普遍采用20MPa氣態(tài)高壓儲氫和長管拖車運輸?shù)姆绞?，成本約為20元/公斤，占氫氣終端消費價格的一半。但氣態(tài)運輸儲氫密度低，壓縮能耗高，僅適用于日需求量在300千克以下、運輸距離較短的加氫站，隨著今后國內(nèi)用氫規(guī)模的擴大、運輸距離的拉長，50MPa氣態(tài)高壓儲氫或液氫運輸才能滿足高效經(jīng)濟的要求，目前國外采用低溫液態(tài)儲氫的比例高達70%。但在國內(nèi)現(xiàn)有技術下，液化過程總成本高昂，且前期設備固定投資較大，這將進一步抬升未來氫氣的價格。
三是目前氫能的應用場景比較單一，主要作為傳統(tǒng)化工原料。當前，我國氫氣主要應用于化工和鋼鐵等領域，具體分布在石化、化工、焦化等行業(yè)，主要作為化工原料用于生產(chǎn)甲醇、合成氨以及各類化工產(chǎn)品如化肥等。其中，僅有少量的高純度氫氣作為工業(yè)原料，如高純度電子氫氣等，而應用于燃料電池的能源用氫不足0.1%。可以看出，目前氫氣消費仍然集中于傳統(tǒng)高能耗領域，并未能發(fā)揮其減碳效果，這一方面是由于我國目前制備高純度氫氣能力有限，另一方面也是因為相關的應用技術發(fā)展還尚未成熟。
3、未來趨勢：空間廣闊、賽道眾多
我國發(fā)展氫能及相關產(chǎn)業(yè)是大勢所趨，但仍面臨眾多難點、堵點。那么，未來氫能源相關產(chǎn)業(yè)將會有多大的發(fā)展空間，又有哪些值得關注的細分賽道呢？
首先，從總量來看，氫能需求預計將保持年均3.5%左右的增速，成為我國能源體系的重要組成部分。根據(jù)行業(yè)權威機構中國氫能聯(lián)盟預計，到2030年碳達峰情景下，氫能在中國終端能源體系的占比將從2019年的2.7%提高到6%，而到2060年碳中和情景下，這一比重將提高到20%。這對應著我國對氫氣的年需求量，從2020年的3342萬噸，增長至2030年和2060年的3715萬噸和1.3億噸，年均增速約為3.5%。這一目標相較于該機構2019年制定的，未考慮“雙碳”目標下，年均增速2.0%的方案更為積極。
對比國際上的路線圖，我們預計實際增速可能高于此，或?qū)⒃?%左右。國際能源署在《2050年凈零排放——全球能源部門路線圖》中預測，為實現(xiàn)在2050年碳中和，全球?qū)錃獾男枨髮?020年的0.87億噸增長至5.3億噸，年均增長6.2%。而國際氫能委員會在2021年11月的報告《凈零氫能報告》中也提到，為實現(xiàn)碳中和、全球降溫1.5度的目標，到2050年，全球?qū)錃獾男枨鬄?.6億噸，占全球最終能源需求的22%，年均增速達7.0%。這兩個目標均較國內(nèi)機構要更積極，也就是說，如果碳中和的進程需要加快，氫能源行業(yè)發(fā)展也會進一步提速。
氫能需求的增長，勢必帶來生產(chǎn)端的增長。前文提到，根據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計口徑，2012-2020年，我國氫氣產(chǎn)量的年均增速約為5.7%，呈現(xiàn)穩(wěn)步增長趨勢，預計下一階段生產(chǎn)增速將略有提高，以滿足日益增長的國內(nèi)消費和出口需求。根據(jù)中國氫能協(xié)會在2019年《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》中的預測，氫能產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值在2050年將達到從2019年的3000億元增加至12萬億元，年均增速12.6%。而在考慮“碳達峰、碳中和”的目標后，預計實際增速還將高于此。
而產(chǎn)能的擴充將創(chuàng)造更多就業(yè)和投資。根據(jù)國際氫能委員會2017年的報告《氫能源未來發(fā)展趨勢》，到2050年，全球氫能產(chǎn)業(yè)將每年創(chuàng)造2.5萬億美元的市場收益，并提供超過3000萬個工作崗位。而其與麥肯錫2021年2月發(fā)布的《氫能觀察》中又進一步提到，到2030年，對氫能源及整個價值鏈的總投資預計將達到5000億美元。我國作為產(chǎn)氫大國，產(chǎn)量約占全球的1/3，并綜合考慮發(fā)展速度，預計我國每年在氫能領域的新增的就業(yè)和投資也將相當可觀。
具體來看氫能源行業(yè)的細分賽道，哪些有發(fā)展機遇？這取決于目前行業(yè)面臨的最大痛點是什么，要特別關注我國當前氫能領域的薄弱環(huán)節(jié)、“卡脖子”領域。
一方面是如何獲取更平價低碳的綠氫。
首先是提高綠氫占比。根據(jù)《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書2019》，預計到2050年，隨著我國能源結(jié)構轉(zhuǎn)型，從以化石能源為主轉(zhuǎn)為以可再生能源為主的能源消費結(jié)構，通過可再生能源電解水制氫將成為主要的氫氣來源，預計綠氫占比達到70%以上，高排放的灰氫占比將逐步縮減至20%。在2020年考慮“雙碳”目標后，這一目標也再次更新，中國氫能聯(lián)盟專家委員會主任余卓平提到，我國可再生能源制氫產(chǎn)量在2030年和2060年要分別達到500萬噸和1億噸，占比分別為13.5%和76.9%。
其次，在當前技術條件下，我國氫能終端消費價格高于其他能源，要推廣氫能的使用，就要實現(xiàn)綠氫平價。中國氫能聯(lián)盟專家委員會主任余卓平分析，如果到2025年我國風電、光伏的新增裝機發(fā)電成本降低到0.3元/千瓦時，綠氫成本將降到約25元/千克，能夠與天然氣制氫進行競爭。等2030年可再生能源發(fā)電成本降低到0.2元/千瓦時后，綠氫成本將低至15元/千克，可以與現(xiàn)在化石能源加上碳捕集技術制氫的價格進行競爭?！吨袊鴼淠墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展報告2020》則給出了到2025、2030和2050年降低氫價至40、35、20元/千克的實現(xiàn)路徑表，可以看出，要使得氫能終端價格有所降低，需要依靠上游制氫、儲運、加氫多環(huán)節(jié)的整合。
另一方面是如何更廣泛、高效地應用綠氫。能源轉(zhuǎn)型委員會預測了到2050年氫能在各行業(yè)的滲透率，在當前氫氣的主要應用領域如氨和甲醇制取上，氫氣滲透率將達100%，而在鋼鐵、水泥等其他化工領域和水運、航空等交通領域，氫氣的滲透率也將繼續(xù)提高，但這還需要將當前使用的灰氫轉(zhuǎn)為綠氫，從而減少排放。國際氫能委員會分析，在2050年氫氣的消費結(jié)構中，43.2%的氫氣將被用于交通領域，而第二大用途則是用于工業(yè)，占比為27.3%，另外，還有9.8%和16.7%的氫氣將被運用于發(fā)電和熱力。
其中，在運輸方面，氫氣主要用于制造燃料電池供電動汽車使用；而在工業(yè)領域，主要是作為工業(yè)或能源原料；在發(fā)電領域，氫是儲存可再生能源的主要選擇之一，氫和氨可用于燃氣輪機以提高電力系統(tǒng)靈活性；在熱力領域，氫氣可以混合到現(xiàn)有天然氣網(wǎng)絡中，未來也可以在氫氣鍋爐或燃料電池中直接使用。
為了實現(xiàn)在供給端平價和需求端廣泛應用的目標，當前哪些氫能源產(chǎn)業(yè)領域和賽道更值得關注？首先，我們可以參考政府報告中提到的重點技術領域，《2030年碳達峰行動方案》中提到了多項與氫能源相關的行動，如氫冶金試點、推廣氫燃料動力車輛、推進加氫站建設、創(chuàng)新低成本可再生能源制氫技術等。而在工信部發(fā)布的《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》中，也提到了發(fā)展可再生能源電解制氫技術，氫燃料燃氣輪機、超高壓氫氣壓縮機、高效氫燃料電池等新能源裝備，綠氫煉化等降碳技術等方向。
而在當前全球各主要經(jīng)濟體提出的頂層氫能戰(zhàn)略中，最受關注的應用領域是化工、冶煉、中重型運輸和公交。這說明，這些是在當前最具有緊迫性，也更具有可行性的技術應用領域，也是未來我國在氫能綜合應用中更應關注和突破的方向。
具體地，我們按產(chǎn)業(yè)鏈的上中下游分別尋找未來的焦點賽道。從生產(chǎn)端看，核心在于如何低成本制取零碳排放的綠氫，與此相關的賽道包括電解槽、催化劑、碳捕集和封存（CCUS）等。其中，可以從低碳電力和水中產(chǎn)生干凈的氫氣，是未來增加綠氫供給的核心。近年來我國電解制氫項目及裝機容量增速較快，從2015年的1.63MW，增至2020年的23.47MW，年均增速高達70.5%。要實現(xiàn)到2030年和2060年綠氫占比達13.5%和76.9%的目標，分別需要部署電解槽裝機80GW和500GW，這意味著在2020-2030年間要保持年均125.6%的超高增速，而在2030年后，年增速逐步趨于正常。
從儲運端看，需要提高儲運的效率、增加基礎設施供應，主要涉及的賽道包括高壓氣氫儲運、液化儲運、氫氣管網(wǎng)建設等。
根據(jù)《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書（2019）》的技術路線展望，“低壓到高壓、氣態(tài)到多相態(tài)”是氫氣儲運未來的發(fā)展方向。根據(jù)鄒才能等（2019）的預測，到2050年，我國液態(tài)儲運的比例將從2020年的10%提高到55%，而這就需要在氫氣液化相關技術方面的大量投入。
在儲運的基礎設施上，氫氣管網(wǎng)建設有較大的發(fā)展空間。工業(yè)氫氣運輸主要以管道形式為主，低壓管道運氫適合大規(guī)模、長距離的情況，在未來有極大的需求。全球在2020年共建成輸氫管道6000公里，其中，中國僅有400公里，占比為6.7%。而根據(jù)劉自亮等的研究，預計在中速發(fā)展的情況下，到2050年全球?qū)⒔ǔ砷L距離和短距離輸氫管道7.5萬和100萬公里，年均增速約為18.9%。中國預計到2030年將建成氫氣管道3000公里，年均增速為22.3%，較全球增長更快。
從需求端看，值得關注的賽道包括氫燃料電池與催化劑，氫燃料車以及相關的基礎設施建設等。
氫燃料電池通過將氫氣和氧氣轉(zhuǎn)化為水，從而產(chǎn)生電能，是未來氫氣應用在化工、交通、發(fā)電等領域的重要形式。《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書（2019）》中預測，我國燃料電池系統(tǒng)的規(guī)模將從2019年的1萬套，增長到2050年的550萬套。這其中需要重點攻克的技術難關，是催化劑的研發(fā)。氫燃料電池的核心系統(tǒng)是電堆，電堆系統(tǒng)的核心是催化劑和質(zhì)子交換膜，其中催化劑占燃料電池電堆成本的40%以上。目前燃料電池的催化劑主要是昂貴的鉑基，且我國目前還未能實現(xiàn)量產(chǎn)，未來對燃料電池的高需求，勢必需要我國能盡快開發(fā)高效低成本的低鉑或非鉑催化劑。
氫燃料電池在交通運輸行業(yè)中的應用是未來的重要增長點。目前我國燃料電池汽車占新能源汽車銷量的比重最高也不超過0.4%。其中，截至2020年8月，燃料電池車主要以物流車和客車為主，乘用車占比僅為0.1%，且主要用于租賃。根據(jù)車百智庫的預測，氫燃料電池汽車保有量將在2025、2035和2050年分別達到10萬、100萬和3000萬輛，年均增速約為25.6%，主要應用于重卡、客車等大型車輛中，在乘用車中的滲透率也將提高到12%。
而氫燃料汽車的廣泛應用，還需要基礎設施，如加氫站的配套建設。截至2020年底，全球共建成加氫站約544座，其中我國128座，占比約為23.5%。根據(jù)《中國氫能與燃料電池白皮書（2019）》預測，我國加氫站數(shù)量在2035年將達到1500座，在2050年將達到10000座以上，為實現(xiàn)這一目標，加氫站數(shù)量的年均增速達15.6%。而根據(jù)香橙研究會統(tǒng)計的情況，當前我國加氫站建設的速度在全球領先，在建數(shù)量遠超其他國家和地區(qū)，可以預見在近期，我國將繼續(xù)推進氫能基礎設施領域建設。
雖然目前我國氫能源產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的頂層設計尚未公布，但根據(jù)各省份已經(jīng)公布的氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、路線圖，我們也可以研判，在短期內(nèi)，在應用端發(fā)力會是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重心。
綜合來看，氫能產(chǎn)業(yè)未來具有廣闊的發(fā)展空間。短期發(fā)展視角來看，可以關注氫能應用領域的熱點賽道，尤其是氫燃料電池、燃料電池車及加氫站建設。而從中長期發(fā)展視角看，可以關注上游的可再生能源制氫、電解槽等賽道，以及中游的液氫儲運、輸氫管道建設等賽道。
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