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        氫能產業鏈全景深度解析

        來源:高瞻智庫  瀏覽數:  發表日期:
          國際能源轉型一直沿著從高碳到低碳、從低密度到高密度的路徑進行,而被譽為“21世紀的終極能源”的氫氣是目前公認的最為理想的能量載體和清潔能源提供者。
          氫能是一種清潔、高效、安全、可持續的二次能源,可通過多種途徑獲取。且符合我國碳減排大戰略,同時有利于解決我國能源安全問題,是我國能源革命的重要媒介。
          氫能的應用可以廣泛滲透到傳統能源的各個方面,包括交通運輸、工業燃料、發電等,主要技術是直接燃燒和燃料電池技術。
          根據國際氫能委員會預計,到2050年,氫能將承擔全球18%的能源終端需求,創造超過2.5萬億美元的市場價值,燃料電池汽車將占據全球車輛的20%-25%,屆時將成為與汽油、柴油并列的終端能源體系消費主體。
          根據中國氫能聯盟預計,2050年氫能在中國終端能源體系中占比至少達到10%,氫氣需求量接近6000萬噸,其中交通運輸領域用氫2458萬噸,約占該領域用能比例19%,燃料電池車產量達到520萬輛/年。
          
          氫能產業鏈:涵蓋氫能端及燃料電池端
          氫能產業鏈涵蓋氫能端及燃料電池端。在氫能及燃料電池領域,我國已經初步形成從基礎研究、應用研究到示范演示的全方位格局,布局了完整的氫能產業鏈。
          與鋰電池產業鏈相比,氫能源與燃料電池產業鏈更長,復雜度更高,理論經濟價值含量更大。
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          氫燃料產業鏈全景梳理:

          資料來源:方正證券
          氫能產業鏈:氫能端
          氫能端指氫氣從生產到下游應用的過程,包括制氫(電解水制氫、工業副產氫等)、儲氫氫、運氫、加氫(加氫站加氫)等核心環節。
          制氫
          目前制氫技術路線按原料來源主要分為化石原料制氫、化工原料制氫、工業尾氣制氫和電解水制氫幾種。
          常規的制氫技術路線中以傳統化石能源制氫為主,全球范圍內主要是使用天然氣制氫,我國由于煤炭資源比較豐富,因此主要使用煤制氫技術路線,占全國制氫技術的60%以上。
          制氫路線上將由化石能源制氫逐步過渡至可再生能源制氫。大規模低成本氫氣是關鍵,路線由“灰氫”向“綠氫”發展。未來“可再生能源+水電解制氫”有望成為大規模制氫發展趨勢。
          從三大工業氣體巨頭依托空分技術儲備及資源調配能力在氫能產業鏈的全方位布局的能力向國內產業發展推導,國內具有氫的制備和純化技術儲備的本土空分設備及工業氣體公司,有望受益國內氫能產業的發展。
          
          儲氫
          氫氣的可大規模存儲和運輸是其區別于化學電池儲能的重要特性。在資源總量不受約束,制備成本中遠期可控的前提下,氫氣的儲存性能和運輸效率是氫能網絡建設的瓶頸問題。
          目前,氫氣的儲存主要有氣態儲氫、液態儲氫和固體儲氫三種方式、高壓氣態儲氫已得到廣泛應用,低溫液態儲氫在航天等領域得到應用,有機液態儲氫和固態儲氫尚處于示范階段。
          在儲氫環節,國內主要廠商包括深冷股份(深冷股液氫裝置、液氫儲罐、儲氫系統);富瑞特裝(車載高壓供氫系統和加氣設備);京城股份(車載儲氣瓶、鋼質無縫氣瓶,鋼質焊接氣瓶,焊接絕熱氣瓶,碳纖維全纏繞碳復合氣瓶);中材科技(粗紗、細砂、短切纖維、耐堿纖維、縫編織物等玻璃纖維制品)。
          
          運氫
          加氫站網絡化分布是氫燃料電池技術大規模商用化的基本保障,而解決加氫站網絡化分布的關鍵是解決氫氣運輸問題。
          氫氣在常溫常壓下為氣態,密度僅為0.0899千克/立方米。作為易燃氣體,它屬于?類危險品(非燃料),與空氣混合能形成爆炸性混合物,遇熱即發生爆炸,因此對運輸安全要求較高。
          目前氫氣的輸運方式主要有氣態運輸、液態輸運和固體輸運三種方式。
          我國氫能示范應用主要圍繞工業副產氫和可再生能源制氫地附近(小于200公里)布局,氫能儲運以高壓氣態方式為主。
          
          加氫站
          產業發展基礎設施先行,加氫站和氫氣作為燃料電池車產業重要的原料及基礎設施,是氫能源產業上游制氫和下游用戶的聯系樞紐,其布局和建設是燃料電池汽車商業化發展的突破口。
          加氫站的建設數量和普及程度,在很大程度上決定了氫燃料電池汽車的產業化進程,而低價制氫和運輸也是氫燃料電池汽車進一步普及推廣的關鍵環節,決定了行駛成本的經濟性與否。
          自從1999年5月全球第一座加氫站在德國慕尼黑機場建成以來,各國相繼推動加氫站建設。
          根據H2Stations的統計,截至2020年底,全球范圍內在運的加氫站數量已達到553個。
          我國加氫站建設進度逐步加快,截止2020年底,加氫站建成128座。同時,中石油、中石化、國家能源集團等二十余家大型央企紛紛跨界發展氫能產業。
          加氫站技術路線圖:
          
          加氫站的營運方式:我國大部分采用外供高壓氫氣
          從加氫站的營運模式來看,能否盈利主要取決于運營成本(氫氣的價格)、投資額(設備)、加氫站運行負荷(燃料電池汽車保有量)。
          從目前國內外加氫站的運營情況來看,目前供氫的方式主要分為兩種:站內制氫和外供氫氣。
          站內制氫主要是水電解制氫,該技術已經相當成熟并且在歐洲大多數加氫站獲得應用;而外供氫氣則是大規模的利用天然氣重整制氫或者鋼廠、化工廠副產氫氣,在凈化之后使用高壓氧氣瓶集束拖車運輸至加氫站。
          中國加氫站氫源絕大部分來自于外供高壓氫氣。
          典型的外供氫的高壓氣氫加氫站投資組成中,除去土建及,設備費用占據最大比例,主要是壓縮機、儲氫瓶、加氫和冷卻系統,由于國內缺乏成熟量產的加氫站設備廠商,進口設備推高了加氫站建設成本。
          由于燃料電池汽車還沒有實現大規模運營,目前加氫站建設成本和運營成本遠遠高于傳統加油站、加氣站。從全球范圍內來看,政府和整車企業是加氫站建設的主體,政府補貼的幅度均超過50%。
          外供高壓氫加氫站建設成本構成:

               資料來源:國聯證券
          加氫站國產化逐步開啟
          雖然中國所生產的加氫站設備各項技術指標仍有欠缺,但是目前國產化已經開啟,業內企業在各領域均推出自主產品。
          厚普股份提供加氫站成套設備,覆蓋設計到部件研發、生產,成套設備集成、加氫站安裝調試和售后服務;中集安瑞科2021年1月7日中標國家能源集團70MPa加氫站項目;鴻達興業已在務,已在內蒙古建設運營我國第一座民用液氫加工廠;嘉化能源副產氫提純、運輸、加氫站一體化運營企業、國投聚力合作。
          央企布局氫能產業鏈:

          資料來源:石油和化學工業規劃院
          氫能產業鏈:燃料電池端
          從氫能實際應用來看,氫燃料電池汽車是氫能高效利用的最有效途徑,當前我國已布局了較為完整的氫能產業鏈。
          氫能燃料電池產業是電池產業中具有戰略性、前瞻性的一項綠色儲能技術,代表著未來新能源的發展方向,具有良好的發展前景。
          燃料電池的能量密度高,可達0.5-1.0kWh/kg,特別適合重載車。電堆與氫罐是分開的,提高了發動機的安全性,電堆不易產生爆炸。氫燃料電池車在續駛里程、加氫時間、駕駛舒適性均可與燃油車接近。
          當前氫能產業鏈已初具雛形,且燃料電池系統性能已滿足商業化需求,但大規模商業化應用依然受經濟性及實用性制約。
          燃料電池端包括其上游核心材料,如雙極板、膜電極及密封層等環節;中游主要為燃料電池系統集成,包括電堆及供氣系統等;下游主要為燃料電池的應用場景,目前重點應用方向為交通領域的燃料電池汽車。
          
          燃料電池上游:核心材料
          目前在燃料電池系統、電堆環節,國產企業已經實現產品批量供應,隨著膜電極國產化的逐步深入,燃料電池產業鏈已經基本實現國產化。但產業鏈中質子交換膜、碳紙等材料環節仍處于研發或小批量試制階段,持續引導國產化推進,實現技術獨立可控對成本下降意義重大。
          催化劑
          催化劑是膜電極的關鍵材料之一,在降低催化劑成本的方面,目前有兩條路徑,一條是降低鉑的使用量,另一條則是研發非鉑催化劑,兩者都已有所進展。
          在工業化生產方面,日本、英國、比利時等國外供應商的催化劑制備技術處于絕對的領先地位,已經能夠實現批量化生產(>10公斤/批次),而且性能穩定,可靠性高。國內目前幾乎沒有產業化催化劑制造企業,催化劑產品也比較單一。該領域參與廠商主要有貴研鉑業等。
          質子交換膜
          質子交換膜是一種固態電解質膜,其作用是隔離燃料與氧化劑、傳遞質子(H+)。該環節主要廠商包括東岳集團和騰龍股份等。
          
          氣體擴散層
          氣體擴散層位于流場和催化層之間,其作用是支撐催化層、穩定電極結構,具有質/熱/電的傳導功能。
          國外大多數制造廠商都已實現氣體擴散層的規?;a,且都有多款適應不同應用場景的產品銷售,包括日本東麗、德國SGL和加拿大AVCarb等。
          國內氣體擴散層還處于初級碳微孔層的制備階段。
          雙極板
          雙極板是燃料電池的陰極板和陽極板,其作用是傳導電子、分配反應氣并帶走生成水。
          燃料電池常采用的雙極板材料包括石墨碳板、復合雙極板、金屬雙極板三大類,由于車輛空間限制(尤其是乘用車),要求燃料電池具有較高的功率密度。
          因此相對較薄的金屬雙極板有更好的應用前景。
          國內石墨雙極板技術近年來發展迅速,技術水平與國外相當,但厚度通常在2mm以上。復合膜壓碳板在國外已突破0.8mm薄板技術,具備與金屬板同樣的體積功率密度。
          目前國內薄碳板開發方面,國鴻有來自于加拿大巴拉德公司的授權技術。純國產復合膜壓碳板處于研制開發階段,預計2021年1mm薄板開始批量生產。
          安泰科技在氣體擴散層和雙極板這兩個環節均有涉及。
          對比國內外燃料電池電堆,國內電堆在核心材料與關鍵技術方面仍存在短板,也是造成燃料電池電堆成本居高不下的主要原因。
          其中膜電極層三大關鍵材料P/t催化劑、質子交換膜、碳紙主要依賴進口,國產材料尚無法滿足高性能燃料電池電堆使用需求.
          集流體雙極板方面,石墨雙極板經過多年開發已以國外技術水平相當,但低成本、輕薄的金屬雙板開發仍為空白。
          
          燃料電池中游:燃料電池電堆
          從成本端來看,系統中最核心的部分是燃料電池電堆和空壓機,根據DOE對80KW系統的成本測算,在年產50萬套的規?;瘲l件下,電堆已占據燃料電池系統約一半成本,可以說是燃料電池心臟,而空壓機占比超過四分之一,這兩部分也是降低燃料電池系統綜合成本的關鍵。
          燃料電池系統成本構成:

          資料來源:DOE,國聯證券
          燃料電池電堆主要廠商包括億華通、騰龍股份、大洋電機、雄韜股份、濰柴力。
          氫氣循環系統廠商方面,雪人股份是空壓機的主要供應商、漢鐘精機自主研發螺桿空氣壓縮機。
          但由于產業規模尚小,同時MEA等部件國產化時點較晚,造成目前除了系統、電堆龍頭企業外,大部分國產化產品尚未能形成大規模,長周期應用,政策扶持期將提供國產部件的規?;瘧眉凹夹g提升的空間。
          氫能及燃料電池產業鏈梳理示意:

          《中國氫燃料電池產業發展報告》
          氫燃料汽車:我國已進入商業化初期
          《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》指出,交通領域將是氫能消費的重要突破口,在商用車領域,2030年燃料電池商用車銷量將達到36萬輛,占商用車總銷量的7%(樂觀情景將達到72萬輛,占商用車總銷量13%);2050年銷量有望達到160萬輛,占比37%(樂觀情景下銷量300萬輛,占比70%以上)。
          
          當前我國燃料電池汽車已進入商業化初期,截止2020年底,我國燃料電池汽車保有量7352輛。
          2020年9月,財政部、工業和信息化部、科技部等5部門聯合發布了《關于開展燃料電池汽車示范應用的通知》,明確燃料電池汽車示范期間,將采取“以獎代補”方式,對入圍示范的城市群按照其目標完成情況給予獎勵。
          在4年補貼扶持期間,補貼后燃料電池汽車基本實現對標燃油車平價,刺激市場化整車采購需求,推動產業邁出規?;谝徊?,進入降本放量的良性循環,加速平價階段的到來。
          
          氫燃料電池車輛的推廣應用前景除了取決于整車技術的先進性、成熟度與成本外,也和包含制氫、儲氫、運氫和加氫站在內的氫能源鏈發展的完備程度及發展潛力密切相關。
          要實現無補貼的燃料電池車商業化,必須大幅度降低燃料電池發動機的成本和氫氣的成本,同時降低加氫站的建設費用。
          德勤分析數據顯示,中國氫燃料電池公交車的總成本(TCO,購買成本和運營成本)在2019年為178美元/百公里,預計到2029年TCO將下降至55美元/百公里,將低于純電動公交和燃油公交車的成本。
          以目前燃料電池的購車和使用成本來看,除了燃料電池系統等車輛相關部件成本有較大下降空間外,制氫儲氫環節的技術進步和基礎設施的推廣也是推廣燃料電池汽車的重要把手。
          因此,產業發展初期的政策扶持顯得尤為重要,政策扶持下產業進入規?;?降本-開拓市場的良性內循環,此外,持續的技術進步也將反哺解決各環節核心技術的成本制約,進一步提升商業化競爭力。
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