氫能源行業(yè)研究嶄露頭角一見“氫”心

氫能源行業(yè)研究-嶄露頭角一見“氫”心1.全球能源結(jié)構(gòu)加快轉(zhuǎn)型，推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展1.1發(fā)展氫能有助于實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)受全球氣候變暖、不可再生的化石能源不斷消耗等因素影響，全球能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)正向低碳化轉(zhuǎn)型。國際社會(huì)對保障能源安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、應(yīng)對氣候變化等問題日益重視，許多國家已將可再生能源作為新一代能源技術(shù)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要新領(lǐng)域，其中太陽能光伏發(fā)電是可再生能源利用的重要組成部分之一?？稍偕茉匆?guī)?；门c常規(guī)能源的清潔低碳化將是能源發(fā)展的基本趨勢。加快發(fā)展可再生能源已成為全球能源轉(zhuǎn)型的主流方向。到2025年新建光伏項(xiàng)目的發(fā)電成本將較新建煤電低三成以上，在成本競爭優(yōu)勢的推動(dòng)下，全球光伏發(fā)電量在總發(fā)電量中的占比將從2018年的2.4%提高到2050年的24%水平，屆時(shí)全球能源供給將全面開啟“太陽能時(shí)代”。根據(jù)國際可再生能源機(jī)構(gòu)（IRENA）發(fā)布的《全球能源轉(zhuǎn)型：2050路線圖（2019年版）》的預(yù)測數(shù)據(jù)，2050年全球光伏裝機(jī)量將達(dá)到8519GW。全球主要國家于2016年簽訂了《巴黎氣候協(xié)定》，形成了氣候共識(shí)，并紛紛制定了二氧化碳減排計(jì)劃。我國于2020年宣布了“雙碳目標(biāo)”，即2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和。為了實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，使用低碳清潔的可再生能源替代目前高碳的煤、石油等化石能源變得越來越緊迫。在此次能源變革中，氫能因?yàn)槠淝鍧崯o污染、單位質(zhì)量能量密度高、可存儲(chǔ)、可再生、來源廣泛等優(yōu)勢，多國都在大力發(fā)展氫能。氫能可以利用化石燃料生產(chǎn)，也可以利用可再生能源來進(jìn)行生產(chǎn)，其燃燒僅生成水，不會(huì)產(chǎn)生污染環(huán)境的物質(zhì)，通過能源載體和循環(huán)碳經(jīng)濟(jì)可以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的氫利用，有利于緩解全球的能源危機(jī)問題。發(fā)展氫能可以保障國家能源安全，較少對化石燃料的進(jìn)口依賴，解決能源與環(huán)境尖銳矛盾，有利于實(shí)現(xiàn)CO2減排目標(biāo)。1.2國內(nèi)政策推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展2016年10月，中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院資源與環(huán)境分院和中國電器工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書（2016）》首次提出了我國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路線圖。對我國中長期加氫站和燃料電池車輛發(fā)展目標(biāo)進(jìn)行了規(guī)劃。主要包括：到2020年，加氫站數(shù)量達(dá)到100座；燃料電池車輛達(dá)到10,000輛；氫能軌道交通車輛達(dá)到50列；到2030年，加氫站數(shù)量達(dá)到1,000座，燃料電池車輛保有量達(dá)到200萬輛；到2050年，加氫站網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成，燃料電池車輛保有量達(dá)到1,000萬輛。2019年兩會(huì)期間，氫能被首次寫入《政府工作報(bào)告》，2016-2022年期間，工信部、國務(wù)院、發(fā)改委等多部門陸續(xù)發(fā)布支持、規(guī)范氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展政策，國家的“十四五”規(guī)劃中提到，要加速氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，氫能產(chǎn)業(yè)在“十四五”期間將提速發(fā)展。在地方政策方面，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國有北京市、上海市、廣州市、浙江省、江蘇省、貴州省和四川省等多個(gè)省市地區(qū)發(fā)布了氫能相關(guān)政策或規(guī)劃。其中，根據(jù)北京市的《北京市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)施方案（2021-2025）》，2023年前，力爭建成37座加氫站，推廣燃料電池汽車3000輛；2025年前，培育10-15家具有國際影響力的產(chǎn)業(yè)鏈龍頭企業(yè)，京津冀區(qū)域累計(jì)實(shí)現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)業(yè)規(guī)模1000億元以上，實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車?yán)塾?jì)推廣量突破1萬輛，累計(jì)推廣分布式發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)規(guī)模10MW以上。根據(jù)江蘇省的《江蘇省氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)規(guī)劃》，2025年，基本建立完整的氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)體系，力爭全省整車產(chǎn)量突破1萬輛，建設(shè)加氫站50座以上，基本形成布局合理的加氫網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)業(yè)整體技術(shù)水平與國際同步，成為我國氫燃料電池汽車發(fā)展的重要?jiǎng)?chuàng)新策源地。根據(jù)四川省的《四川省氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2025年）》，到2025年，燃料電池汽車（含重卡、中輕型物流、客車）應(yīng)用規(guī)模達(dá)6000輛，氫能基礎(chǔ)設(shè)施配套體系初步建立，建成多種類型加氫站60座；氫能示范領(lǐng)域進(jìn)一步拓展，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供（含氫能發(fā)電和分布式能源）、軌道交通、無人機(jī)等領(lǐng)域示范應(yīng)用，建設(shè)氫能分布式能源站和備用電源項(xiàng)目5座，氫儲(chǔ)能電站2座。到2025年，逐漸健全強(qiáng)化氫能產(chǎn)業(yè)鏈，培育國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)25家，覆蓋制氫、儲(chǔ)運(yùn)氫、加氫、氫能利用等領(lǐng)域。其中核心原材料企業(yè)2家，制氫企業(yè)7家，儲(chǔ)運(yùn)和加氫企業(yè)6家，燃料電池及整車制造企業(yè)10家。2.氫能需求量加快增長，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間巨大2.1中國氫氣需求逐步提高，氫氣產(chǎn)量世界第一根據(jù)中國氫能聯(lián)盟，2020年我國氫氣需求量約3342萬噸，至2030年我國氫氣的年需求量將提高到3715萬噸，在終端能源消費(fèi)中占比約5%，其中，可再生氫產(chǎn)量約500萬噸，部署電解槽裝機(jī)約80GW。至2060年，我國氫氣的年需求量將增至約1.3億噸，在終端能源消費(fèi)中占比約20%，其中，工業(yè)領(lǐng)域、交通運(yùn)輸領(lǐng)域、發(fā)電與電網(wǎng)平衡和建筑領(lǐng)域?qū)⑹撬膫€(gè)主要用氫領(lǐng)域，氫氣需求量將分別達(dá)7794萬噸、4051萬噸、600萬噸和585萬噸。在實(shí)現(xiàn)碳中和碳達(dá)峰的過程中，中國氫氣需求將逐步提高。目前我國氫氣年產(chǎn)量位居世界第一，從2018年開始?xì)錃饽戤a(chǎn)量已超過兩千萬噸規(guī)模。當(dāng)前我國的金屬儲(chǔ)氫材料產(chǎn)銷量也已超過日本，是世界最大儲(chǔ)氫材料產(chǎn)銷國。據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)，2012-2020年，中國氫氣產(chǎn)量從1600萬噸增長至2500萬噸，整體呈穩(wěn)步增長趨勢，2020年中國氫氣產(chǎn)量同比增長13.6%。2.2國內(nèi)氫能源行業(yè)競爭格局較為分散中國石化和國家能源集團(tuán)是國內(nèi)氫氣產(chǎn)量最大的兩家企業(yè)，2020年，國家能源集團(tuán)年生產(chǎn)400萬噸的氫氣，占總體產(chǎn)量的16%；中國石化氫氣年生產(chǎn)量達(dá)350萬噸，占全國氫氣產(chǎn)量的14%。國家能源集團(tuán)和中國石化兩家企業(yè)的市場份額占據(jù)三成，其他氫氣生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量多，氫氣生產(chǎn)規(guī)模相對較小，市場競爭格局較為分散。隨著其他大型央企進(jìn)入氫能源行業(yè)，未來氫能源行業(yè)的市場集中度有望提升。2.3央企加快氫能全產(chǎn)業(yè)鏈布局氫能產(chǎn)業(yè)鏈上游為制氫環(huán)節(jié)，中游為氫氣的儲(chǔ)運(yùn)，下游為氫能的應(yīng)用領(lǐng)域，涵蓋電力、燃料/燃料電池和供熱方面。其中，氫能作為燃料電池可應(yīng)用于軍事、加氫站和氫燃料電池汽車等領(lǐng)域。2021年7月份，根據(jù)國資委在國新辦新聞發(fā)布會(huì)的表示，已有超過三分之一的中央企業(yè)在布局包括制氫、儲(chǔ)氫、加氫、用氫等全產(chǎn)業(yè)鏈，均取得了一批技術(shù)研發(fā)和示范應(yīng)用的成果。如中國石化和中國石油重點(diǎn)布局氫能儲(chǔ)運(yùn)零售終端建設(shè)和運(yùn)營領(lǐng)域，國家能源集團(tuán)和中船重工重點(diǎn)布局氫能產(chǎn)業(yè)鏈及氫能裝備，國家電投、東方電氣和中船重工將重心放在氫燃料電池及其核心部件，東風(fēng)集團(tuán)、一汽集團(tuán)、中國中車和寶武集團(tuán)則聚焦終端應(yīng)用燃料電池汽車、列車、氫冶金。3.當(dāng)前制氫仍以化石燃料為主，燃料電池為重點(diǎn)應(yīng)用方向3.1煤制烯烴是當(dāng)前主要制氫方式氫能源按照生產(chǎn)來源可劃分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫。通過化石燃料（如石油、天然氣、煤炭等）燃燒產(chǎn)生的氫氣是灰氫，在生產(chǎn)過程中會(huì)排放二氧化碳，目前的氫氣主要是灰氫，約占全球氫氣產(chǎn)量的95％左右。將天然氣通過蒸汽甲烷重整或自熱蒸汽重整制成的氫氣是藍(lán)氫，其生產(chǎn)過程中結(jié)合使用了碳捕捉、利用與儲(chǔ)存（CCUS）等先進(jìn)技術(shù)。通過使用可再生能源（如太陽能、風(fēng)能等）制造的氫氣是綠氫，例如通過可再生能源發(fā)電進(jìn)行電解水制氫，在綠氫生產(chǎn)的過程中沒有碳排放，所以是氫能利用的理想形態(tài)，但受到目前技術(shù)及制造成本的限制，綠氫尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。制氫的方法包括化石燃料重整、氣化制氫；生物質(zhì)制氫；電解水制氫；光解水制氫；熱化學(xué)循環(huán)水分解制氫；光熱化學(xué)循環(huán)水分解制氫等典型制氫方法。目前，氫氣生產(chǎn)原料主要包括煤炭、天然氣等化石能源和工業(yè)副產(chǎn)氣等。2019年，在中國氫氣生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)能分布中，煤制氫產(chǎn)量居首，約2124萬噸，占比63.5%；其次為工業(yè)副產(chǎn)氫和天然氣制氫，產(chǎn)量分別為708萬噸和460萬噸，電解水制氫產(chǎn)量約50萬噸。根據(jù)頭豹研究院，2020年中國氫氣市場規(guī)模約40億元，至2030年和2050年，中國氫氣市場規(guī)模將分別增長至567億元和7542億元，未來市場空間廣闊。當(dāng)前化石燃料制氫技術(shù)最為成熟，制氫效率最高，但是在各類制氫技術(shù)中，化石燃料制氫的二氧化碳排放量也更多。相比之下，用風(fēng)電、光伏等可再生能源制氫可以大幅降低二氧化碳的排放量，也有利于解決棄風(fēng)棄光問題。由于目前電解水的能量損耗率較高，可再生能源制氫的效率約30%。另外，核能制氫的碳排放量也較低，同時(shí)核能制氫的效率能夠達(dá)到約55%。煤制烯烴是指以煤為原料合成甲醇后再通過甲醇制取乙烯、丙烯等烯烴的技術(shù)。目前，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)材料之一是作為各類塑料主要原料的合成樹脂。合成樹脂主要產(chǎn)品是聚乙烯、聚丙烯，主要原料是石油和煤炭，國內(nèi)石油的進(jìn)口依賴度約7成，而煤炭基本能夠自給自足，因此煤制烯烴對于原材料供應(yīng)安全而言意義重大。近年國內(nèi)在煤制烯烴技術(shù)和部分關(guān)鍵裝備達(dá)到了國際先進(jìn)水平。2020年11月9日，中科院大連化物所自主開發(fā)的第三代甲醇制烯烴技術(shù)與裝備（DMTO-Ⅲ）在北京通過了中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的科技成果鑒定，其各項(xiàng)指標(biāo)均居于國際先進(jìn)水平，將單套煤經(jīng)甲醇制烯烴裝置由60萬噸/年提升至100萬噸/年，該技術(shù)使煤制烯烴流程更短、能耗更低，將進(jìn)一步推動(dòng)煤制烯烴產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。截至“十三五”末，我國已建成了36套煤（甲醇）制烯烴項(xiàng)目，產(chǎn)能占全國聚乙烯、聚丙烯總產(chǎn)能的30%。根據(jù)隆眾資訊統(tǒng)計(jì)，從2015年-2019年的聚烯烴綜合成本看，油制最高，氣制次之，煤制則長期維持偏低成本，所以煤制烯烴具有明顯的成本優(yōu)勢。煤制烯烴過程中會(huì)釋放二氧化碳，主要原因是，煤的碳含量高、氫含量低，而烯烴的氫含量高、碳含量低，因此，需要用煤和水制取氫氣，同時(shí)排放二氧化碳；油制烯烴也存在同樣的問題。“十四五”期間，國內(nèi)煤制烯烴行業(yè)仍將繼續(xù)發(fā)展。根據(jù)《現(xiàn)代煤化工“十四五”發(fā)展指南》，“十四五”的發(fā)展目標(biāo)形成是2000萬噸/年煤(甲醇)制烯烴的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，煤制烯烴在“十四五”期間仍將是國內(nèi)制氫采用的主要方式。3.2電解水制氫成本較高，PEM技術(shù)未來發(fā)展空間廣闊根據(jù)電解質(zhì)系統(tǒng)的差別，可將電解水制氫分為堿性電解水(ALK)、質(zhì)子交換膜(PEM)電解水和固體氧化物電解水(SOEC)3種。三者的基本原理都在氧化還原反應(yīng)過程中，阻止電子的自由交換，而將電荷轉(zhuǎn)移過程分解為外電路的電子傳遞和內(nèi)電路的離子傳遞，從而實(shí)現(xiàn)氫氣的產(chǎn)生和利用，但三者的電極材料和電解反應(yīng)條件不同。中國的ALK制氫技術(shù)相對成熟，在國內(nèi)市場份額較高，但是在制氫效率等重要技術(shù)指標(biāo)上仍與國外存在一定差距。國內(nèi)的PEM制氫技術(shù)發(fā)展時(shí)間較短，其性能尤其是壽命尚缺乏市場驗(yàn)證，整體上落后于歐美。運(yùn)行負(fù)荷、度電成本和電解效率是堿性ALK電解水制氫技術(shù)降本的關(guān)鍵因素，目前PEM電解水制氫系統(tǒng)設(shè)備成本高出ALK電解系統(tǒng)設(shè)備成本的6-7倍。2020年，可再生能源（陸上風(fēng)電、光伏和水電）電解水制氫，ALK平準(zhǔn)化成本約23-28元/kg，采用PEM電解水制氫技術(shù)成本約為ALK的1.4倍。2021年11月4日，中國石化直屬機(jī)構(gòu)石科院自主技術(shù)、在燕山石化建設(shè)的首套質(zhì)子交換膜（PEM）制氫示范站啟動(dòng)，意味著中國石化首次打通了PEM電解水制氫設(shè)備從關(guān)鍵材料、核心部件到系統(tǒng)集成的整套流程。中國石化PEM制氫示范站采用大面積均一膜電極，此設(shè)計(jì)方案可直接發(fā)展為單槽兆瓦級規(guī)模，為質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)進(jìn)行大型化試驗(yàn)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。作為核心部件的質(zhì)子交換膜電解槽，制氫效率達(dá)85%以上，其陰極和陽極催化劑、雙極板以及集電