終極能源氫能助力碳中和,帶你梳理下一個"鋰電"的全產業鏈!

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01為什麼要發展氫能源?

目前,在“碳中和”的背景之下,我國能源發展逐步從總量擴張向提質增效轉變,能源效率、能源結構、能源安全已成為影響我國能源高質量發展的三大關鍵所在。

相比其他轉型方式,氫能與電能結合將成為構建現代能源體系的重要途徑。

電能是多種能源間靈活高效轉化的關鍵媒介,能量轉換效率通常在90%以上。

電氣化水平的提升,有利於提升能源利用效率、降低化石能源在終端能耗中的佔比,並緩解我國能源資源與負荷中心逆向分佈的問題。

氫能與電能同屬二次能源,更容易耦合電能、熱能、燃料等多種能源並與電能一起建立互聯互通的現代能源網路。

更為重要的是,氫能可實現不連續生產和大規模儲存,這將顯著增加電力網路的靈活性。

但建設整個能源系統所需要的時間週期會非常漫長,對於整個新能源系統的構建來說,目前只是剛剛起步的階段。

而氫能源作為其中一種互補型的清潔能源,整體產業鏈也剛剛開始建設,在沒有形成規模化的產業鏈之前,前期的成本依然很高,因此中下游的企業的機會相對來說就比較少。

根據過去風光電發展經驗來看,通常情況下面,最先相關收益的一般是上游相關的零部件企業,然後逐步傳達至中下游的企業。

因此,我們可以首先來看整個氫能源的產業鏈。

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氫能源產業鏈整體可以分為上游的制氫、純化和液化,中游的運輸儲能,以及下游應用的加氫站和氫燃料車相關的電池系統。

02政策梳理

氫能扶持政策密集出臺。我國早期氫能政策較少,多為鼓勵支援、技術創新等。

2019年兩會期間,氫能被首次寫進《政府工作報告》,全國各地掀起了氫能發展熱潮。

隨後,燃料電池汽車示範應用政策的釋出、新能源汽車產業發展規劃(2021-2035)的釋出以及“雙碳目標”的設定,均為氫能產業及氫燃料電池汽車的發展注入動力。

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今年多省釋出“十四五”氫能產業規劃。

據不完全統計,今年北京、山東、河北、河南等省份相繼出臺“十四五”氫能發展規劃或扶持政策,並從產業規模、企業數量、燃料電池汽車、加氫站等方面明確階段目標。

中國氫能聯盟預測,2025年中國氫能產業產值將達到1萬億元。

根據國際氫能委員會最近釋出的報告,自今年2月以來,全球範圍內已經宣佈了131個大型氫能開發專案,全球專案總數達到359個。

預計到2030年,全球氫能領域的投資將激增至5000億美元。

國際氫能委員會預測,到2050年,全球氫能產業將創造3000萬個工作崗位,減少60億噸二氧化碳排放,創造2。5萬億美元的市場規模,並在全球能源消費佔比達到18%。

該報告特別指出,中國未來有望領跑全球氫能產業發展。

預計到2050年,氫能在中國能源領域的佔比有望達到10%。

03氫能的上游:制氫

制氫按照不同的工藝可以分為:“灰氫”、“藍氫”和“綠氫”三類。

其中“灰氫”為目前我國的主要製備工藝,即利用傳統化石能源製取氫氣,同時排放溫室氣體。

而目前我國的幾個龍頭煤化工企業,基本已經過度到了“藍氫”階段,即利用二氧化碳捕捉與封存技術(CCS)降低碳排放。

少數頂級化工企業,例如寶豐能源,已經開始嘗試“綠氫”生產工藝,“綠氫”是透過可再生能源(如風電、水電、太陽能)等方法制氫,生產過程基本不會產生溫室氣體。

目前國際主要使用天然氣制氫,我國則以煤制氫為主。

目前,全球制氫技術的主流選擇是化石能源制氫,主要是由於化石能源制氫的成本較低。

其中天然氣重整制氫由於清潔性好、效率高、成本相對較低,佔到全球48%。

我國能源結構為“富煤少氣”,煤制氫成本要低於天然氣制氫,因而國內煤制氫佔比最大(64%),其次為工業副產(21%)。

根據中國氫能聯盟與石油和化學規劃院的統計,2019年我國氫氣產能約4100萬噸/年、產量約3342萬噸/年。

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整體而言,據《中國氫能源及燃料電池產業白皮書2020》估算,2030年我國氫氣的年需求量將從3342萬噸增加至3715萬噸,2060年則增加至1。3億噸左右。

“藍氫”則成為“灰氫”過渡到“綠氫”的重要階段。

灰氫中工業副產製氫,具有生產成本較低、技術成熟、效率高等優點,預計未來我國PDH擴產將超過3000萬噸/年,即使按3000萬噸/年測算,預計將帶來90萬噸/年以上的副產氫潛在增量,整體處於一個緩步攀升的過程。

雖然藍氫在灰氫的基礎上結合CCS技術,成本有所提升,但是依然低於綠氫成本,因此看好藍氫未來的增長空間。

綠氫其經濟性受電價的影響較大。如果按照平均工業電價0。6元計算,產氫成本約40-50元/kg,明顯偏高。

據估算,當電價低於0。3元時,電解水制氫成本與其他工藝路線相當。

從增長空間來看,受益於可再生能源成本下降以及碳排放約束,2020-2030年間綠氫比例將從3%上升15%,2050年我國氫氣需求量將接近6000萬噸。

長期來看,只要成本端可以降低,綠氫佔比有望大幅提升。

目前電解水制氫的經濟性主要取決於電費。

以目前主流的鹼性電解水為例,制氫效率約5度/立方米,電費成本約佔85%,因此其經濟性受電價的影響大。

如果按照平均工業電價0。6元計算,產氫成本約40-50元/kg,明顯偏高。

據估算,當電價低於0。3元時,電解水制氫成本與其他工藝路線相當。

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所以,總得來說,從短期的角度來說,目前綠氫的成本過高,想要商業化的話還需要綠電成本降低下來。

但對於風力發電、光伏發電之類的不穩定能源,氫儲能則是一個非常理想的解決方案。

以風電來說,風電是非常不穩定的,如果你把風力發電機直接接到用電器上,會經常出現斷電或者燒掉用電器的情況。

當今的主要解決方案是:

1:用大量電池組儲存電能。

2:直接接入國家電網,利用智慧電網分時消納不穩定電力。

但是,上述情況都存在成本高、技術難度大等弊端。

但如果風力發電機直接接一個電解槽,利用氫儲能,問題就解決了。

有風的時候,發多少電,就電解多少水,沒風的時候,電解槽不工作也無所謂,只要控制系統實時監測氫氣儲量即可。

而這兩天又有相關的綠氫政策出臺。

12月3日,經有關部門審批印發《“十四五”工業綠色發展規劃》(以下簡稱“《規劃》”)。

《規劃》提出,到2025年,工業產業結構、生產方式綠色低碳轉型取得顯著成效,綠色低碳技術裝備廣泛應用,能源資源利用效率大幅提高,綠色製造水平全面提升,為2030年工業領域碳達峰奠定堅實基礎。

因此電解槽作為綠氫中關鍵的零部件,會迎來比較大的發展機會,可以類比於風電中的塔筒。

04氫能的中游:儲運

氫是所有元素中最輕的,在常溫常壓下為氣態,密度僅為0。0899kg/m3,是水的萬分之一,因此其高密度儲存一直是一個世界級難題。

高壓氣態儲氫是目前最常用並且發展比較成熟的儲氫技術,其大規模的運輸的方式是管道運輸。

我國目前正不斷建設氫氣管道工程,中國石油天然氣管道工程有限公司中標河北定州至高碑店氫氣長輸管道專案,擬建設管道全長達145公里。

這條管道擬建設管徑508毫米,設計運輸量10萬噸/年。

未來管道輸送氫氣壓力等級升級和氫氣管道規模擴大能降低氫能管道輸送成本。

液態儲運的儲氫密度高,能運送大量氫氣,適用長距離氫氣運輸。

但液體轉化成本高,我國油氣公司在LNG和LPG領域有豐富的經驗和運輸車輛儲備,未來伴隨成本下降,有望在液態氫氣運輸上具備競爭力。

相對另兩種運輸方式,固態難度較大,還有待發展。

加氫站是氫能產業發展的重要環節,自2014年以來,全球加氫站的數量不斷增長,到2020年底達到了553站。

儲運氫氣的方式主要分為氣態儲運、液態儲運和固態儲運(儲氫材料)。

我國目前氫氣運輸的主要方式是高壓氣態長管拖車為主,但是未來有望同時發展氣、液、固三種儲運方式。

下面是三種方式的對比:

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從技術的角度來說,氫氣會導致金屬產生“氫脆”現象。

但是,儲存氫氣不是必須選用金屬管體。目前進行研究的蜂窩狀陶瓷儲氫罐可以有效解決氫氣的儲存問題。

還有一些有關碳纖維高壓儲氫瓶,玻璃纖維儲氫瓶等各種材質的儲氫裝置,都可以解決氫氣的儲存問題。

儲氫材料

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雖然氫能比其他能源更具優勢,但大範圍的應用仍受限。

其中氫能大規模進入市場的主要障礙之一是包括生產、運輸和加註在內的供氫基礎設施的缺乏,也就是氫產業鏈上游和中游的完善度不足。

就目前技術發展程度而言,氫的交貨成本遠大於等能量水平下的汽柴油成本,而其中氫的運輸成本在交貨成本中佔約6%左右。

影響我國氫氣售價的最主要因素是包括制氫和儲運氫氣在內的氫氣成本部分,其中最主要的因素是氫氣成本。

05氫能的下游:應用

氫能產業鏈的下游應用包括傳統石化工業應用、氫燃料電池應用、加氫站等方面。

除了傳統的石化工業應用以外,加氫站、氫燃料電池是目前相當重要的應用方向。

氫燃料電池應用主要在三個市場,分別是便攜裝置市場、固定式系統應用市場、交通運輸應用市場。

其中,在交通運輸領域的裝機率佔到將近70%,氫燃料電池汽車成為汽車領域重要的發展方向之一。

氫燃料電池汽車的應用和商業化離不開氫站基礎設施的建設,加氫站也是氫能下游的一個十分重要的環節。

接下來將重點介紹氫能下游中氫燃料電池汽車及加氫站的發展現狀。

1、氫燃料汽車

氫能源汽車產業上游為汽車生產材料,主要材料為氫燃料電池、氫內燃機、輪胎、電機、內飾外飾等。

汽車生產企業將材料組裝成氫能源汽車,下游為氫能源汽車產業服務行業,主要為加氫站、汽車維修、汽車美容、汽車保險等。

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氫燃料電池汽車因其具有良好的環境相容性、能量轉換效率高、噪音小、續航里程長、加註燃料時間短、無需充電等特點,被視為很有前景的清潔能源汽車,且在能源資源獲取上,氫氣具有多種來源渠道。

如利用風能、太陽能等可再生能源透過電解水方式獲取,從工業廢氣中提純獲取,不會受到傳統能源資源的限制。

相比於傳統汽車,氫能源汽車使用氫燃料電池作為動力來源,具有能量轉換效率高和完全無汙染的優點。

相比於鋰電池電動車,氫能源汽車除了不受溫度影響、續航里程更長以外,還具有能迅速補充燃料(3~5分鐘)的優點。

然而,不同於鋰電池電動車可以利用現有電網建造充電站,氫能源汽車使用的加氫站目前完全依賴長管拖車運輸,效率較低且成本較高。

加氫站成本高昂、數量稀少加上汽車自身成本較高等一系列原因制約了氫能源汽車的發展,目前氫能源汽車尚未得到大範圍應用。

隨著氫燃料電池技術的突破、國家對清潔能源的日益重視。

中國開始加大對氫燃料電池領域的規劃和支援力度。

《中國製造2025》提出實現燃料電池汽車的執行規模進一步擴大,達到1000輛的執行規模。

到2025年,制氫、加氫等配套基礎設施基本完善,燃料電池汽車實現區域小規模執行。

中國汽車工程學會曾預測到2030年,我國氫能汽車產業產值有望突破萬億元大關。

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氫能源燃料電池是氫能源汽車的核心,隨著氫能源汽車的發展進入成熟階段,產量將迎來爆發式增長時期,氫燃料電池的市場需求也將大大開啟。

據統計資料顯示,2015年我國燃料電池出貨量約10。5MW,同比增長14。1%,出貨量首次超10MW。

未來,燃料電池市場將持續增長,預計到2021年出貨量將超20MW,2030年將達35MW。

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2、加氫站

加氫站是指:透過將不同來源的氫氣透過壓縮機增壓儲存在站內的高壓罐中,再透過加氣機為氫燃料電池汽車加註氫氣,可以類比傳統燃油車的加油站。

加氫站主要裝置包括:洩氣柱、壓縮機、儲氫罐、加氣機、管道、控制系統、氮氣吹掃裝置、監控裝置等。

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目前,國內氫能的應用主要集中在燃料電池汽車方面。

在燃料電池產業鏈上,加氫站屬於上游制氫運氫與下游燃料汽車應用的重要樞紐。

如果沒有完善的加氫站基礎設施,將很難支撐起燃料電池車應用規模的擴大,加氫站的建設是產業發展的基礎。

國內發展燃料電池汽車產業可遵循以下路徑:

透過補貼和發展商用車(公交、大巴、物流車等),帶動加氫站等配套基礎設施的完善;

逐步完善和便捷的加氫設施支撐更多燃料電池汽車的用量;

由此形成良性迴圈,最後再向乘用車推廣,擴充套件到更為廣闊的私家車領域。

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對來加氫站來說,壓縮機、儲氫罐、加氣機為核心裝置。

2025年後國內燃料電池汽車產業將進入快速發展階段,到2030年國內燃料電池汽車年銷量規模可達百萬以上,配套加氫站數量將在4500座以上,對應加氫站投資規模800億元,相關裝置投資規模達到500億元。

以外供氫氣作為氫源的加氫站,裝置方面的投資主要在於氫氣壓縮裝置(40%)和高壓儲氫裝置(30%),其他還包括站控系統和加註裝置等;

估算到2030年各類裝置投資規模分別為,氫氣壓縮裝置(201億)、高壓儲氫裝置(151億)、站控系統及其他(100億)、氫氣加註裝置(50億)。

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06氫能源相關企業

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