氢能产业链深度解析

乐晴智库精选 2021-11-25 21:16


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氢能:“21世纪的终极能源”

国际能源转型一直沿着从高碳到低碳、从低密度到高密度的路径进行,而被誉为“21世纪的终极能源”的氢气是目前公认的最为理想的能量载体和清洁能源提供者。
氢能是一种清洁、高效、安全、可持续的二次能源,可通过多种途径获取。且符合我国碳减排大战略,同时有利于解决我国能源安全问题,是我国能源革命的重要媒介。

氢能的应用可以广泛渗透到传统能源的各个方面,包括交通运输、工业燃料、发电等,主要技术是直接燃烧和燃料电池技术。
根据国际氢能委员会预计,到2050年,氢能将承担全球18%的能源终端需求,创造超过2.5万亿美元的市场价值,燃料电池汽车将占据全球车辆的20%-25%,届时将成为与汽油、柴油并列的终端能源体系消费主体。
根据中国氢能联盟预计,2050年氢能在中国终端能源体系中占比至少达到10%,氢气需求量接近6000万吨,其中交通运输领域用氢2458万吨,约占该领域用能比例19%,燃料电池车产量达到520万辆/年。

氢能产业链:涵盖氢能端及燃料电池端


氢能产业链涵盖氢能端及燃料电池端。在氢能及燃料电池领域,我国已经初步形成从基础研究、应用研究到示范演示的全方位格局,布局了完整的氢能产业链。
与锂电池产业链相比,氢能源与燃料电池产业链更长,复杂度更高,理论经济价值含量更大。
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氢燃料产业链全景梳理:
资料来源:方正证券

氢能产业链:氢能端

氢能端指氢气从生产到下游应用的过程,包括制氢(电解水制氢、工业副产氢等)、储氢氢、运氢、加氢(加氢站加氢)等核心环节。
制 氢
目前制氢技术路线按原料来源主要分为化石原料制氢、化工原料制氢、工业尾气制氢和电解水制氢几种。
常规的制氢技术路线中以传统化石能源制氢为主,全球范围内主要是使用天然气制氢,我国由于煤炭资源比较丰富,因此主要使用煤制氢技术路线,占全国制氢技术的60%以上。
制氢路线上将由化石能源制氢逐步过渡至可再生能源制氢。大规模低成本氢气是关键,路线由“灰氢”向“绿氢”发展。未来“可再生能源+水电解制氢”有望成为大规模制氢发展趋势。
从三大工业气体巨头依托空分技术储备及资源调配能力在氢能产业链的全方位布局的能力向国内产业发展推导,国内具有氢的制备和纯化技术储备的本土空分设备及工业气体公司,有望受益国内氢能产业的发展。
储 氢
氢气的可大规模存储和运输是其区别于化学电池储能的重要特性。在资源总量不受约束,制备成本中远期可控的前提下,氢气的储存性能和运输效率是氢能网络建设的瓶颈问题。
目前,氢气的储存主要有气态储氢、液态储氢和固体储氢三种方式、高压气态储氢已得到广泛应用,低温液态储氢在航天等领域得到应用,有机液态储氢和固态储氢尚处于示范阶段。
在储氢环节,国内主要厂商包括深冷股份(深冷股液氢装置、液氢储罐、储氢系统);富瑞特装(车载高压供氢系统和加气设备);京城股份(车载储气瓶、钢质无缝气瓶,钢质焊接气瓶,焊接绝热气瓶,碳纤维全缠绕碳复合气瓶);中材科技(粗纱、细砂、短切纤维、耐碱纤维、缝编织物等玻璃纤维制品)。
运 氢
加氢站网络化分布是氢燃料电池技术大规模商用化的基本保障,而解决加氢站网络化分布的关键是解决氢气运输问题。
氢气在常温常压下为气态,密度仅为0.0899千克/立方米。作为易燃气体,它属于І类危险品(非燃料),与空气混合能形成爆炸性混合物,遇热即发生爆炸,因此对运输安全要求较高。
目前氢气的输运方式主要有气态运输、液态输运和固体输运三种方式。
我国氢能示范应用主要围绕工业副产氢和可再生能源制氢地附近(小于200公里)布局,氢能储运以高压气态方式为主。

加氢站

产业发展基础设施先行,加氢站和氢气作为燃料电池车产业重要的原料及基础设施,是氢能源产业上游制氢和下游用户的联系枢纽,其布局和建设是燃料电池汽车商业化发展的突破口。
加氢站的建设数量和普及程度,在很大程度上决定了氢燃料电池汽车的产业化进程,而低价制氢和运输也是氢燃料电池汽车进一步普及推广的关键环节,决定了行驶成本的经济性与否。

自从1999年5月全球第一座加氢站在德国慕尼黑机场建成以来,各国相继推动加氢站建设。

根据H2Stations的统计,截至2020年底,全球范围内在运的加氢站数量已达到553个。
我国加氢站建设进度逐步加快,截止2020年底,加氢站建成128座。同时,中石油、中石化、国家能源集团等二十余家大型央企纷纷跨界发展氢能产业。
加氢站技术路线图:
加氢站的营运方式:我国大部分采用外供高压氢气
从加氢站的营运模式来看,能否盈利主要取决于运营成本(氢气的价格)、投资额(设备)、加氢站运行负荷(燃料电池汽车保有量)。
从目前国内外加氢站的运营情况来看,目前供氢的方式主要分为两种:站内制氢和外供氢气。
站内制氢主要是水电解制氢,该技术已经相当成熟并且在欧洲大多数加氢站获得应用;而外供氢气则是大规模的利用天然气重整制氢或者钢厂、化工厂副产氢气,在净化之后使用高压氧气瓶集束拖车运输至加氢站。
中国加氢站氢源绝大部分来自于外供高压氢气。
典型的外供氢的高压气氢加氢站投资组成中,除去土建及,设备费用占据最大比例,主要是压缩机、储氢瓶、加氢和冷却系统,由于国内缺乏成熟量产的加氢站设备厂商,进口设备推高了加氢站建设成本。
由于燃料电池汽车还没有实现大规模运营,目前加氢站建设成本和运营成本远远高于传统加油站、加气站。从全球范围内来看,政府和整车企业是加氢站建设的主体,政府补贴的幅度均超过50%。
外供高压氢加氢站建设成本构成:资料来源:国联证券
加氢站国产化逐步开启
虽然中国所生产的加氢站设备各项技术指标仍有欠缺,但是目前国产化已经开启,业内企业在各领域均推出自主产品。
厚普股份提供加氢站成套设备,覆盖设计到部件研发、生产,成套设备集成、加氢站安装调试和售后服务;中集安瑞科2021年1月7日中标国家能源集团70MPa加氢站项目;鸿达兴业已在务,已在内蒙古建设运营我国第一座民用液氢加工厂;嘉化能源副产氢提纯、运输、加氢站一体化运营企业、国投聚力合作。
央企布局氢能产业链:
资料来源:石油和化学工业规划院

氢能产业链:燃料电池端

从氢能实际应用来看,氢燃料电池汽车是氢能高效利用的最有效途径,当前我国已布局了较为完整的氢能产业链。
氢能燃料电池产业是电池产业中具有战略性、前瞻性的一项绿色储能技术,代表着未来新能源的发展方向,具有良好的发展前景。
燃料电池的能量密度高,可达0.5-1.0kWh/kg,特别适合重载车。电堆与氢罐是分开的,提高了发动机的安全性,电堆不易产生爆炸。氢燃料电池车在续驶里程、加氢时间、驾驶舒适性均可与燃油车接近。
当前氢能产业链已初具雏形,且燃料电池系统性能已满足商业化需求,但大规模商业化应用依然受经济性及实用性制约。
燃料电池端包括其上游核心材料,如双极板、膜电极及密封层等环节;中游主要为燃料电池系统集成,包括电堆及供气系统等;下游主要为燃料电池的应用场景,目前重点应用方向为交通领域的燃料电池汽车。


燃料电池上游:核心材料

目前在燃料电池系统、电堆环节,国产企业已经实现产品批量供应,随着膜电极国产化的逐步深入,燃料电池产业链已经基本实现国产化。但产业链中质子交换膜、碳纸等材料环节仍处于研发或小批量试制阶段,持续引导国产化推进,实现技术独立可控对成本下降意义重大。
催化剂
催化剂是膜电极的关键材料之一,在降低催化剂成本的方面,目前有两条路径,一条是降低铂的使用量,另一条则是研发非铂催化剂,两者都已有所进展。
在工业化生产方面,日本、英国、比利时等国外供应商的催化剂制备技术处于绝对的领先地位,已经能够实现批量化生产(>10公斤/批次),而且性能稳定,可靠性高。国内目前几乎没有产业化催化剂制造企业,催化剂产品也比较单一。该领域参与厂商主要有贵研铂业等。
质子交换膜
质子交换膜是一种固态电解质膜,其作用是隔离燃料与氧化剂、传递质子(H+)。该环节主要厂商包括东岳集团和腾龙股份等。

气体扩散层
气体扩散层位于流场和催化层之间,其作用是支撑催化层、稳定电极结构,具有质/热/电的传导功能。

国外大多数制造厂商都已实现气体扩散层的规模化生产,且都有多款适应不同应用场景的产品销售,包括日本东丽、德国SGL和加拿大AVCarb等。

国内气体扩散层还处于初级碳微孔层的制备阶段。
双极板
双极板是燃料电池的阴极板和阳极板,其作用是传导电子、分配反应气并带走生成水。
燃料电池常采用的双极板材料包括石墨碳板、复合双极板、金属双极板三大类,由于车辆空间限制(尤其是乘用车),要求燃料电池具有较高的功率密度。

因此相对较薄的金属双极板有更好的应用前景。
国内石墨双极板技术近年来发展迅速,技术水平与国外相当,但厚度通常在2mm以上。复合膜压碳板在国外已突破0.8mm薄板技术,具备与金属板同样的体积功率密度。
目前国内薄碳板开发方面,国鸿有来自于加拿大巴拉德公司的授权技术。纯国产复合膜压碳板处于研制开发阶段,预计2021年1mm薄板开始批量生产。
安泰科技在气体扩散层和双极板这两个环节均有涉及。
对比国内外燃料电池电堆,国内电堆在核心材料与关键技术方面仍存在短板,也是造成燃料电池电堆成本居高不下的主要原因。

其中膜电极层三大关键材料P/t催化剂、质子交换膜、碳纸主要依赖进口,国产材料尚无法满足高性能燃料电池电堆使用需求.

集流体双极板方面,石墨双极板经过多年开发已以国外技术水平相当,但低成本、轻薄的金属双板开发仍为空白。



燃料电池中游:燃料电池电堆
从成本端来看,系统中最核心的部分是燃料电池电堆和空压机,根据DOE对80KW系统的成本测算,在年产50万套的规模化条件下,电堆已占据燃料电池系统约一半成本,可以说是燃料电池心脏,而空压机占比超过四分之一,这两部分也是降低燃料电池系统综合成本的关键。
燃料电池系统成本构成:
资料来源:DOE, 国联证券
燃料电池电堆主要厂商包括亿华通、腾龙股份、大洋电机、雄韬股份、潍柴力。
氢气循环系统厂商方面,雪人股份是空压机的主要供应商、汉钟精机自主研发螺杆空气压缩机。
但由于产业规模尚小,同时MEA等部件国产化时点较晚,造成目前除了系统、电堆龙头企业外,大部分国产化产品尚未能形成大规模,长周期应用,政策扶持期将提供国产部件的规模化应用及技术提升的空间。
氢能及燃料电池产业链梳理示意:
《中国氢燃料电池产业发展报告》

氢燃料汽车:我国已进入商业化初期


《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》指出,交通领域将是氢能消费的重要突破口,在商用车领域,2030年燃料电池商用车销量将达到36万辆,占商用车总销量的7%(乐观情景将达到72万辆,占商用车总销量13%);2050年销量有望达到160万辆,占比37%(乐观情景下销量300万辆,占比70%以上)。
当前我国燃料电池汽车已进入商业化初期,截止2020年底,我国燃料电池汽车保有量7352辆。
2020年9月,财政部、工业和信息化部、科技部等5部门联合发布了《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》,明确燃料电池汽车示范期间,将采取“以奖代补”方式,对入围示范的城市群按照其目标完成情况给予奖励。
在4年补贴扶持期间,补贴后燃料电池汽车基本实现对标燃油车平价,刺激市场化整车采购需求,推动产业迈出规模化第一步,进入降本放量的良性循环,加速平价阶段的到来。
氢燃料电池车辆的推广应用前景除了取决于整车技术的先进性、成熟度与成本外,也和包含制氢、储氢、运氢和加氢站在内的氢能源链发展的完备程度及发展潜力密切相关。
要实现无补贴的燃料电池车商业化,必须大幅度降低燃料电池发动机的成本和氢气的成本,同时降低加氢站的建设费用。
德勤分析数据显示,中国氢燃料电池公交车的总成本(TCO,购买成本和运营成本)在2019年为178美元/百公里,预计到2029年TCO将下降至55美元/百公里,将低于纯电动公交和燃油公交车的成本。
以目前燃料电池的购车和使用成本来看,除了燃料电池系统等车辆相关部件成本有较大下降空间外,制氢储氢环节的技术进步和基础设施的推广也是推广燃料电池汽车的重要把手。
因此,产业发展初期的政策扶持显得尤为重要,政策扶持下产业进入规模化-降本-开拓市场的良性内循环,此外,持续的技术进步也将反哺解决各环节核心技术的成本制约,进一步提升商业化竞争力。


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