2023年氫能源專題報告 電解水制氫占比將不斷提升

2023年氫能源專題報告電解水制氫占比將不斷提升核心觀點：氫能是實現(xiàn)深度脫碳的終極選擇。氫能能夠實現(xiàn)真正的零碳排放，并且能夠幫助風光等可再生能源實現(xiàn)大規(guī)模消納，實現(xiàn)電網(wǎng)大規(guī)模調峰和跨季節(jié)、跨地域儲能，是我國實現(xiàn)低碳轉型的重要載體。近年來氫能的能源屬性已經(jīng)得到政府認可，多重利好政策下發(fā)助力氫能發(fā)展，由于氫能在我國低碳轉型的過程中扮演著多重重要角色，預計其消費需求將持續(xù)增長，其中化工和交通領域對于氫能的需求快速增長。破局在即，綠氫制取迎來產(chǎn)業(yè)化拐點?；茉春凸I(yè)副產(chǎn)制氫為主流制氫方式，在全球及我國氫能制取中占比合計95%以上，而電解水制氫受限于技術難度大以及制氫成本高，尚未實現(xiàn)大規(guī)模推廣應用。電解水制氫的成本構成中電費占比約80%，工業(yè)用電價格變動對于制氫成本影響顯著。未來隨著風電、光伏等可再生能源LCOE持續(xù)下降，綠氫制取成本有望明顯下降。電解槽供需兩旺，光儲龍頭和設備廠商加速布局。電解槽是電解水制氫系統(tǒng)中的核心設備，2023年Q1中國已公開招標的制氫項目電解槽需求量約835MW，已經(jīng)超過2022年全年電解槽出貨量。中國電解槽競爭格局相對集中，CR3廠商2022年電解槽出貨量占比約80%，然而，隨著近年來越來越多的廠商進軍電解槽行業(yè)，行業(yè)競爭將不斷加劇，預計具備技術、資金和渠道優(yōu)勢的廠商將更加受益于電解槽市場增長。1.氫能是實現(xiàn)深度脫碳的終極選擇氫能是真正清潔零碳的能源氫能來源豐富且能夠實現(xiàn)真正的零碳排放。氫能是指氫在物理與化學變化過程中釋放的能量，它來源豐富、綠色低碳且下游應用廣泛；由于氫燃燒的產(chǎn)物是水，因此氫能能夠實現(xiàn)真正的零碳排放，是世界上最干凈的能源。與其他能源類型相比，氫能還具有燃燒熱值高、無地域和時間限制、儲運形式多樣等多種優(yōu)點；但與此同時，受能源屬性和技術手段限制，氫能也存在著生產(chǎn)儲存難、易燃易爆、運輸成本高、擴散系數(shù)大等問題。氫能是我國實現(xiàn)低碳轉型的重要載體我國具有富煤貧油少氣的資源特征，實現(xiàn)低碳轉型需大力發(fā)展可再生能源。2022年我國原油和天然氣進口量分別達到了5.08億噸和1.09億噸對外依存度分別高達71.2%和40.2%。在此背景下，大力發(fā)展以風電、光伏為代表的可再生能源成為了我國打破對外能源依賴的重要途徑。2018年至2022年我國風電和光伏裝機占比由18.87%增長至29.62%，可再生能源逐漸成為我國電力結構的重要組成部分。氫能可參與解決可再生能源的消納與波動問題。風電、光伏等可再生電源具有間歇性、波動性等問題，而氫能能幫助此類可再生能源實現(xiàn)大規(guī)模消納，并實現(xiàn)電網(wǎng)大規(guī)模調峰和跨季節(jié)、跨地域儲能，是我國實現(xiàn)低碳轉型的重要載體之一。氫能的能源屬性已經(jīng)受到政策重視利好政策相繼下發(fā)，大力支持氫能發(fā)展。近年來隨著我國風光建設加速，氫能可以與電相互轉換、幫助可再生能源消納的作用得到高度重視。2019年3月，氫能首次被寫入《政府工作報告》；2022年3月，國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》，明確氫能是未來國家能源體系的重要組成部分，是用能終端實現(xiàn)綠色低碳轉型的重要載體；2023年4月，國家能源局發(fā)布《2023年能源工作指導意見》，提出要加快攻關新型儲能關鍵技術和綠氫制儲運用技術，推動儲能和氫能規(guī)?；瘧?。氫能在各行業(yè)脫碳路徑中扮演多重角色氫能是實現(xiàn)綠色低碳轉型的重要載體，在各行業(yè)脫碳路徑中扮演多重角色。根據(jù)HydrogenCouncil統(tǒng)計，氫能能夠實現(xiàn)能源體系從骨干到終端應用的脫碳，其在能源轉型中發(fā)揮的作用包括實現(xiàn)可再生能源大規(guī)模集成和發(fā)電、允許跨地域和跨季節(jié)能源分配、為能源系統(tǒng)的彈性提供緩沖以及助力工業(yè)、交通、建筑、電力系統(tǒng)等多個行業(yè)實現(xiàn)脫碳，是我國實現(xiàn)綠色低碳轉型的重要載體。歐盟碳邊境調節(jié)機制倒逼綠氫替代氫能被納入歐盟碳邊境調節(jié)機制覆蓋行業(yè)，綠氫發(fā)展進入快車道。4月18日歐盟議會支持歐盟碳市場改革（EUETS）方案并通過歐盟碳邊境調節(jié)機制（CBAM），同意對進口鋼鐵、水泥、鋁、化肥、電力和氫氣征收二氧化碳成本。根據(jù)CBAM協(xié)議，中國向歐盟出口產(chǎn)品時，2023年10月起需要報告產(chǎn)品碳排放信息但無需繳費，2026年1月1日起則需要支付碳關稅。從行業(yè)覆蓋來看，由于氫能納入CBAM法案意味著氫能中僅有制取過程完全無碳排放的綠氫能免征關稅，因此該法案通過有望倒逼我國綠氫消費占比提升并逐步替代灰氫。氫能需求持續(xù)增長，化工和交通是其消費的重要突破口零碳背景下氫能需求有望達到1.0~1.3億噸。在雙碳戰(zhàn)略目標下，隨著我國能源結構逐步向清潔化和低碳化轉型，化石燃料在終端能源需求中的占比將逐漸下降，而以氫能為代表的清潔燃料消費占比將持續(xù)提升。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟的預測，以2060年實現(xiàn)碳中和為目標，屆時我國各行業(yè)氫能需求合計將增長至1.0~1.3億噸左右?；ず徒煌闅淠芟M的重要突破口。從各行業(yè)能源消費結構來看，化工原料、道路交通等行業(yè)對于氫能的需求增長較快，零碳情境下氫能在上述行業(yè)的終端能源消費中占比有望達到40-80%，進而成為其主要電源類型，但由于一般工業(yè)、船運、航空等高碳排行業(yè)對化石能源依賴度較深，預計屆時氫能還無法實現(xiàn)大規(guī)模的能源替代。2.破局在即，綠氫制取迎來產(chǎn)業(yè)化拐點氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制氫、儲運氫、加氫和用氫氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制氫到用氫一系列環(huán)節(jié)，我國在技術、材料、裝備等環(huán)節(jié)與國外先進水平仍有一定差距。從氫氣制備到使用過程來看，氫能產(chǎn)業(yè)鏈可分為制氫、儲運氫、加氫和用氫四個環(huán)節(jié)。根據(jù)清華大學的研究，我國氫能相關技術已取得長足發(fā)展，但在氫氣的制取、儲運、應用等環(huán)節(jié)仍存在關鍵技術未被突破，與國外先進水平相比還有一定差距。氫氣制取可根據(jù)碳排放強度分為三種方式化石能源和工業(yè)副產(chǎn)制氫為主流制氫方式。根據(jù)制取過程的碳排放強度，氫被分為灰氫、藍氫和綠氫?；覛涫侵竿ㄟ^化石燃料燃燒產(chǎn)生的氫氣，在生產(chǎn)過程中會有大量二氧化碳排放；藍氫主要為天然氣重整得到，并使用CCUS技術固碳以降低碳排放，但當前因固碳成本較高也難以普及；綠氫主要通過可再生能源制造，以電解水制氫為代表，制氫過程無碳排放，未來有望替代灰氫成為主要氫氣來源。中國是第一大產(chǎn)氫國，產(chǎn)氫原料以煤炭為主中國為世界第一大產(chǎn)氫國，煤炭占制氫原料的比重在60%以上。根據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2022年中國氫氣產(chǎn)量3,781萬噸，同比增長14.58%，是世界第一大產(chǎn)氫國。從制氫原料來看，全球人工制氫原料主要為天然氣和醇類，而我國由于資源稟賦差異，制氫原料以煤炭為主，該技術方式下制氫時的碳排放相對最高。此外，電解水在全球和中國的制氫原料中占比均不到5%，未來提升空間廣闊。電解水制氫占比將不斷提升2050年電解水制氫占比有望超過70%。在氫能市場發(fā)展初期，工業(yè)副產(chǎn)制氫由于具備成本優(yōu)勢和技術成熟優(yōu)勢，是我國氫氣制取最為主流的方式；隨著氫能制取技術的持續(xù)發(fā)展以及氫能供需量的增長，煤制氫配合CCS技術以及電解水制氫的占比將有所提高。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預測，2050年我國氫氣供給結構中，可再生能源電解水制氫占比將達到70%，成為最有效的供氫主體之一。電解水制氫技術近年來快速發(fā)展中國電解水制氫技術近年來快速發(fā)展。電解水制氫是指在充滿電解液的電解槽中通入直流電，使水分子在電極上發(fā)生電化學反應，從而分解成氫氣和氧氣的過程。根據(jù)智慧芽統(tǒng)計，2004年至2022年中國共申請“電解水制氫”相關專利8,904個，且近兩年申請數(shù)量維持在每年近2,000個的高位。電解水制氫技術路線分析當下電解水制氫主要有四種技術路徑。根據(jù)電解質種類不同，電解水制氫主要分為堿性電解水制氫（ALK）、質子交換膜電解水制氫（PEM）、陰離子交換膜電解水制氫（AEM）和固體氧化物電解水制氫（SOEC）四種技術路線。其中，ALK較為成熟且已經(jīng)實現(xiàn)了大規(guī)模應用，是目前使用最廣泛的電解水制氫方式；而PEM由于在車規(guī)級氫能、波動性可再生能源等應用場景中優(yōu)勢明顯，近年來研發(fā)進展較快且已經(jīng)進入商業(yè)化早期；AEM和SOEC作為新興技術還未實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)，前者在耐久性、制造工藝等方面有待提升，后者還處于基礎材料的研發(fā)階段。電解水制氫成本高昂，電價是關鍵電解水制氫成本高昂，其中電費占比近70%?，F(xiàn)階段電解水制氫的成本較化石燃料制氫更高，導致其大范圍應用受到限制。以目前國內較為成熟的堿性電解水制氫（ALK）為例，其成本中電費占比近70%?？紤]到電費等于度電價格乘以電耗，因此通過降低可再生能源度電成本以及降低電耗，將能夠顯著降低制氫成本。可再生LCOE下降有望帶動電解水制氫成本下探可再生能源LCOE快速下降。根據(jù)北京大學能源環(huán)境于政策研究室測算，以光伏、陸風為代表的可再生能源發(fā)電成本隨著裝機容量的提升而快速下降，經(jīng)濟性逐漸提升。電解水制氫成本對電價敏感度高，可再生能源LCOE下降有望電解水制氫成本下探。根據(jù)測算，當單位電耗不變時，工業(yè)用電價格每降低0.1元/kWh，電解水制氫的制氫成本就下降5.56元/kg；當工業(yè)用電價格降至0.25元/kWh及以下時，電解水制氫和天然氣制氫的制氫成本將逐漸靠攏，而當工業(yè)用電價格降至0.1元/kWh及以下時，電解水制氫的經(jīng)濟性將有望趕上煤制氫和氯堿制氫。當前我國光伏已實現(xiàn)平價上網(wǎng)，預計隨著未來可再生能源LCOE的持續(xù)下探降電解水制氫成本將不斷下探。電解水制氫成本與電價/年工作時間敏感性分析工業(yè)用電價格和制氫系統(tǒng)年工作時間是決定制氫成本的關鍵因素。在其他因素不變的條件下對電解水制氫成本做電價與年工作時間的敏感度分析，可以看到制氫成本和電價呈正比關系，與年工作時間成反比關系。在情景1條件下，當年工作時間≥3000小時且工業(yè)用電價格低于0.20元/kWh時，電解水制氫成本在10~18元/kg之間，可具備初步的經(jīng)濟性。3.電解槽供需兩旺，光儲龍頭和設備廠商加速布局電解槽是電解水制氫系統(tǒng)的核心電解槽是電解水制氫系統(tǒng)的核心設備。電解水制氫系統(tǒng)主要由電解槽、分離器、洗滌器、冷卻器、供水、加堿等設備組成，其中電解槽是電解水制氫系統(tǒng)的核心設備。電解槽工作原理為：電解池的隔膜兩邊分別有陽極板與陰極板，電解槽內充滿電解液，在兩個電極通上直流電后，在陽極析出氧氣，在陰極析出氫氣。電解槽出貨量和市場規(guī)模2023Q1電解槽需求大幅增長。根據(jù)氫云鏈統(tǒng)計，2023Q1中國已公開招標的制氫項目共有13個，其制氫系統(tǒng)對應的電解槽容量達到了835MW，該容量已經(jīng)超過了2022年全年中國電解槽出貨量。根據(jù)BloombergNEF預測，2023年我國電解槽出貨量有望達到1.4-2.1GW，有望占當年全球出貨量的60%以上，同比增加75%-163%。電解槽行業(yè)競爭格局中國電解槽市場競爭格局相對集中。根據(jù)BloombergNEF統(tǒng)計全球電解槽市場競爭格局相對分散，以隆基氫能為首的CR10廠商2022年合計出貨量占比約50%。而中國電解槽市場競爭格局更為集中以中船派瑞氫能、考克利爾競力和隆基股份為代表的CR3市占率在80%左右。三大老牌龍頭企業(yè)穩(wěn)健發(fā)展，光儲龍頭和設備廠商加速布局三大老牌龍頭企業(yè)穩(wěn)健發(fā)展。當前國內三大老牌電解水制氫企業(yè)為中船重工718所（派瑞氫能）、考特利爾競立（蘇州競立）和天津大陸，其中中船重工718所同時具備ALK、PEM兩種技術路線，考特利爾競立和天津大陸則采用ALK技術路線。三大企業(yè)多年來深耕電解水制氫行業(yè)，在積累了深厚的技術經(jīng)驗以外，還積累了穩(wěn)定豐富的客戶資源，整體上電解水制氫業(yè)務發(fā)展穩(wěn)健。光儲龍頭和設備廠商加速布局。近年來以隆基股份、陽光電源為代表的光儲龍頭和華電重工、雙良節(jié)能等設備廠商也開始布局電解槽業(yè)務，其中隆基股份、華電重工等企業(yè)以ALK技術路線為主，陽光電源、國富氫能等企業(yè)則以PEM技術路徑為主。技術、資金和渠道共建電解槽競爭壁壘電解槽技術和生產(chǎn)工藝壁壘較高。電解槽的成本構成中電解電堆占比近一半，而該部分的研發(fā)制造相對復雜，且涉及電化學、工程設計、金屬材料等多個學科領域，此外還需要掌握電極涂層及配套工藝。與此同時，電解槽廠商還需要大量時間來驗證其產(chǎn)品地穩(wěn)定性與可靠性，進而積累行業(yè)應用經(jīng)驗，因此對于新進入廠商會形成一定的技術壁壘。電解槽資金與渠道壁壘較高。電解槽的下游廠商主要包括各類能源集團或電力運營商等，其資金回款周期普遍較長，而電解槽生產(chǎn)需要大量的資金投入，這對于新進入廠商形成了一定壁壘；此外電解槽出貨規(guī)模多取決于下游各企業(yè)的采購訂單或項目合作等，而電解槽制氫廠商的核心生產(chǎn)設備，目前只能夠通過客戶長期使用驗證來印證產(chǎn)品的質量。在此背景下，具有渠道優(yōu)勢的電解槽廠商更容易獲得下游客戶青睞，進而也更容易搶占市場份額。4.重點企業(yè)分析華光環(huán)能：環(huán)保能源雙驅動，制氫+火電靈活性改造雙邏輯鍋爐制造業(yè)務起家，能源與環(huán)保雙主業(yè)。公司橫跨能源與環(huán)保領域，涉及業(yè)務包括裝備制造、工程服務、項目運營。公司為中大型電站鍋爐制造企業(yè)，在鍋爐制造領域處于國內第二梯隊前列；在熱電運營領域，公司占無錫市區(qū)熱電聯(lián)產(chǎn)供熱市場的70%左右。布局火電靈活性改造新技術。公司與中科院合作研發(fā)，基本完成了煤粉預熱燃燒的關鍵技術和中試研究。煤粉預熱技術通過使用小型流態(tài)化裝置作為燃料預熱裝置，將燃料的預熱和燃燒分開，燃料先在預熱燃燒器中加熱，再進爐膛燃燒。2023年1月12日，公司和中科院工程熱物理研究所針對該技術進行簽約，獲得20-300MW機組的獨家技術授權。公司累計銷售鍋爐數(shù)量超過5000臺，具有強大的存量客戶基礎，可提供全流程解決方案。該項技術可以降低鍋爐出力水平，提升火電機組的靈活性。1500Nm3/h堿性電解槽下線。公司已成功實現(xiàn)堿性水電解槽制氫技術、裝備以及系統(tǒng)集成的成功落地，并于2023年3月16日成功下線1500Nm3/h堿性電解槽。這標志著公司已經(jīng)具備年產(chǎn)1GW電解水制氫設備的制造能力，邁入了規(guī)?；娊馑茪涞男沦惖?，并具備隨時批量化生產(chǎn)交付能力。昇輝科技：制氫制備加速突破一體化智慧解決方案服務商，加速氫能源汽車規(guī)?；茝V。公司是國內領先的一體化智慧解決方案服務商，將新能源作為重點攻堅賽道并成立了昇輝新能源有限公司。2022年初公司已初步打通氫能全產(chǎn)業(yè)鏈，目前已具備具備自主生產(chǎn)5-1500Nm3/h全系列制氫成套設備的能力；此外公司積極布局新能源汽車運營平臺，加快氫能源汽車規(guī)?；茝V。1000Nm3/h堿性電解槽下線。公司已于2023年1月成功下線佛山首臺套1000Nm3/h堿性水制氫設備，這標志了公司已完成制氫設備100Nm3/h到1000Nm3/h的量級跨越。本次下線的1000Nm3/h電解水制氫設備優(yōu)勢明顯，單方耗電量低至0.4度，轉化率較平均指標提高了20%，進而達到77%，這也意味著公司成為佛山首家同時擁有100Nm3/h和1000Nm3/h堿性制氫成套設備的生產(chǎn)商，并具備隨時交付能力。與大連市普蘭店區(qū)政府簽訂氫能項目合作協(xié)議。公司于2023年3月15日與大連市普蘭店區(qū)政府簽訂氫能產(chǎn)業(yè)項目戰(zhàn)略合作協(xié)議，致力于進一步發(fā)揮各自組織、資源和技術優(yōu)勢，協(xié)助打造大連市臨港新能源新材料產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。后續(xù)公司將參與建設普蘭店區(qū)灘涂光伏離網(wǎng)制氫項目以及氫能港口規(guī)劃和建設，為項目提供裝備解決方案并助力氫能應用。華電重工：工程解決方案龍頭，入局制氫設備和材料公司是工程解決方案龍頭，后強勢入局氫能領域。公司是工程整體解決方案龍頭，業(yè)務范圍包括物料輸送工程、熱能工程、鋼結構工程、煤化工工程和海洋風電工程的系統(tǒng)設計、裝備研發(fā)制造以及EPC承包。公司自2