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氫能產(chǎn)業(yè)鏈圖譜與全球市場(chǎng)格局梳理

科創(chuàng )經(jīng)濟圈發(fā)布時(shí)間:2024-08-16 11:55:05

  氫能作為新型能源體系的重要一環(huán),對減少溫室氣體排放,盡早實(shí)現碳達峰、碳中和目標具有重要意義。當前,以新能源為軸心的國際能源競爭不斷深化,搶抓國際市場(chǎng)機遇,推進(jìn)燃料電池、電解槽等各項關(guān)鍵技術(shù)全面成熟,加快推動(dòng)氫能在交通、工業(yè)、儲能等領(lǐng)域的重點(diǎn)應用,是推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵所在。據中國氫能聯(lián)盟預計,到2025年,我國氫能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達到1萬(wàn)億元;到2050年,氫氣需求量將接近6000萬(wàn)噸,實(shí)現二氧化碳減排約7億噸,氫能在我國終端能源體系中占比超過(guò)10%,產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值達到12萬(wàn)億元,成為引領(lǐng)經(jīng)濟發(fā)展的新增長(cháng)極。

  01 概述

  氫能是氫和氧進(jìn)行化學(xué)反應釋放出的化學(xué)能,是一種二次清潔能源。根據氫制取過(guò)程的碳排放強度,氫被分為“灰氫”“藍氫”和“綠氫”。目前,我國氫氣制取以煤制氫方式為主,占比約80%。未來(lái),隨著(zhù)可再生能源發(fā)電成本持續降低,綠氫占比將逐年上升,預計2050年將達到70%。

  氫能來(lái)源廣泛,具有能量密度高、清潔安全、靈活高效、應用場(chǎng)景廣泛、儲運方式多樣等優(yōu)點(diǎn),是推動(dòng)傳統化石能源清潔高效利用和支撐可再生能源大規模發(fā)展的理想能源載體,被譽(yù)為二十一世紀的“終極能源”,受到各國廣泛關(guān)注。

  02 產(chǎn)業(yè)鏈圖譜

氫能產(chǎn)業(yè)鏈圖譜

  ◆氫能產(chǎn)業(yè)鏈上游

  氫能產(chǎn)業(yè)鏈上游主要為制氫。國外主要制氫方式為天然氣重整制氫,而我國主要利用工業(yè)制氫,現有工業(yè)制氫產(chǎn)能約2500萬(wàn)T/A,其中煤制氫產(chǎn)能約1000萬(wàn)T/A,約占總量的40%,占比最大,成本最低,約為10-13元/公斤。其次是工業(yè)副產(chǎn)氫約800萬(wàn)T/A,制氫成本約為10-16元/公斤。而電解水制氫的成本約為30-40元/公斤。隨著(zhù)電解水制氫成本的持續下降,未來(lái)電解水制氫成為各國瞄準的方向和攻關(guān)重點(diǎn)。

中國制氫主要技術(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)比較對比

  從制氫技術(shù)來(lái)看,質(zhì)子交換膜、電解槽等核心技術(shù)尚未突破,高速率制氫設備還在研發(fā)階段。目前國內電解水制氫路線(xiàn)以堿性電解槽為主,主要是堿性電解槽技術(shù)路線(xiàn)成熟,成本具有顯著(zhù)優(yōu)勢。PEM電解槽由于成本高,商業(yè)推廣依然需要時(shí)間,且技術(shù)優(yōu)勢不明顯。固體氧化物水電解槽采用水蒸氣電解,高溫環(huán)境下工作,能效最高,但尚處于實(shí)驗室研發(fā)階段。目前,電催化劑、質(zhì)子交換膜、膜電極、雙極板等核心組件技術(shù)國內外差距較大,大量依賴(lài)外國進(jìn)口。

  其中,質(zhì)子交換膜作為PEM制氫技術(shù)的核心材料被國外企業(yè)占據主導,全球市場(chǎng)占有率超過(guò)90%。國內的質(zhì)子交換膜制造企業(yè)面臨技術(shù)、市場(chǎng)、人才和資金的四大壁壘,目前山東東岳集團已研制出接近杜邦Nafion性能的產(chǎn)品,陽(yáng)光電源與中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所合作推出SEP50PEM電解槽,功率為250kW,是目前國內具備量產(chǎn)能力的PEM電解槽。

制氫相關(guān)企業(yè)

  ◆氫能產(chǎn)業(yè)鏈中游

  氫能產(chǎn)業(yè)中游主要包括儲運氫和加氫站建設。儲運氫環(huán)節,主要有高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、固體儲氫和有機液體儲氫等方式。當前,美國、歐洲已分別建成2600km、1500km的氫管道,而我國氫氣管道里程約400km,在用管道僅有百公里左右。儲運氫環(huán)節成為我國氫能產(chǎn)業(yè)亟待攻克的環(huán)節。

三種氫儲運比較

  由于成本低、使用方便、儲存條件易滿(mǎn)足等優(yōu)勢,高壓氣態(tài)儲運氫是目前儲運氫的主流方式。國內由于高端碳纖維技術(shù)不夠成熟,無(wú)法規?;a(chǎn)且復合材料成本較高,目前主要以35MPaIII型瓶為主,所以低成本高壓臨氫環(huán)境用新材料將是研發(fā)的重點(diǎn)。

  歐洲、美國、日本等國家和地區液氫技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相對成熟,低溫液態(tài)儲運氫等環(huán)節已進(jìn)入規?;瘧秒A段。我國液氫技術(shù)主要應用在航天領(lǐng)域,民用領(lǐng)域尚處于起步階段,氫液化系統的核心設備(氫透平膨脹機與低溫閥門(mén)等)仍然依賴(lài)于進(jìn)口,液氫儲罐制造技術(shù)與裝備與國外也有一定的差距。因此,如何降低液化與貯存成本是低溫液態(tài)儲氫產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展方向。

  由于安全性、穩定性等優(yōu)點(diǎn),固態(tài)金屬氫化物儲運氫將成為我國未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。目前,國內金屬氫化物儲氫應用還較少,正處于研發(fā)與示范階段,提高金屬氫化物的儲氫量、降低材料成本、提高金屬氫化物的可循環(huán)性等將是未來(lái)的研究重點(diǎn)。

儲運氫相關(guān)企業(yè)

  而在加氫站建設方面,截止到2021年底,日本擁有全球最多的加氫站,達159座。美國的加氫站數量逐年提升,到2030年將超過(guò)韓國、日本、中國數量的總和。我國計劃到2030年建設1500座加氫站,加氫站數量正穩步提升。未來(lái),美國和亞洲將成為加氫站數量領(lǐng)先的國家和地區。

加氫站相關(guān)企業(yè)

  ◆氫能產(chǎn)業(yè)鏈下游

  氫能產(chǎn)業(yè)鏈下游包括燃料電池以及終端應用,其中燃料電池是核心也是最具發(fā)展潛力的環(huán)節。在燃料電池環(huán)節,日本、美國、韓國均已研發(fā)出氫燃料電池車(chē)輛并投放市場(chǎng),我國氫燃料電池領(lǐng)域整體處于成長(cháng)上升階段,與發(fā)達國家技術(shù)水平有一定差距,特別是燃料電池電堆和核心零部件、關(guān)鍵材料等核心技術(shù),與發(fā)達國家相比相對落后,一些關(guān)鍵零部件和材料仍依賴(lài)進(jìn)口。

  在終端應用環(huán)節,氫能應用領(lǐng)域廣泛,其中交通領(lǐng)域是氫能應用的主要發(fā)力點(diǎn)。除此之外,氫能還可應用于家庭供電、氫能煉鋼等領(lǐng)域。日本和德國在家庭供電方面發(fā)展勢頭良好。日本、德國、瑞典等還在探索“氫能煉鋼”項目示范。我國在交通領(lǐng)域的應用探索不斷向前,已經(jīng)基本掌握了燃料電池車(chē)的核心技術(shù),具備進(jìn)行大規模示范運行的條件。但其他應用領(lǐng)域還與國際水平存在較大差距,在熱電聯(lián)供、天然氣與氫氣摻燒、加氣站摻氫供應等領(lǐng)域有較大發(fā)展空間。

  03 全球綠氫市場(chǎng)格局

  綠氫是未來(lái)氫能發(fā)展的主流方向,是實(shí)現全球碳中和、國家能源安全的關(guān)鍵路徑。全球各國高度重視綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展,在綠氫應用規劃、電解設備產(chǎn)能、電解設備技術(shù)發(fā)展、綠氫貿易等方面展開(kāi)了合作與競爭,目前出現了歐美日韓等地區規劃快、市場(chǎng)慢,中國地區市場(chǎng)快、規劃慢等特點(diǎn):歐美日韓等地在國家級政策、項目規劃方面先聲奪人,但實(shí)際進(jìn)度相對較慢;中國在國家政策方面反應較慢,但市場(chǎng)行動(dòng)迅速,已經(jīng)在全球電解槽產(chǎn)能和裝機量上實(shí)現占比過(guò)半的成績(jì)。

  ◆主要國家綠氫規劃:歐美激進(jìn)、中國“佛系”

  到2030年,歐美綠氫產(chǎn)能規劃達到千萬(wàn)噸/年,日韓也達到百萬(wàn)噸級別。中國在國家層面僅提出在2025年實(shí)現綠氫產(chǎn)能20萬(wàn)噸/年。歐美規劃2030年完成灰氫替代。根據IEA數據,2021年,全球氫氣需求超過(guò)9400萬(wàn)噸,其中美國和歐洲分別占據全球14%/9%左右,對應約1300萬(wàn)噸和950萬(wàn)噸,而歐美兩地區2030年綠氫規劃已經(jīng)達到1000萬(wàn)噸/年。根據IEA預測,到2030年全球氫能需求量大約在1.3億噸左右,總需求增長(cháng)約為40%。因此根據綠氫產(chǎn)能規劃,歐美到2030年有望基本完成現有灰氫替代。

  中國尚未綠氫產(chǎn)能提出中長(cháng)期規劃。中國氫氣需求量占全球的30%,約2800萬(wàn)噸,但中國對2030年目標無(wú)規劃。氫云鏈認為,其中主要原因是中國氫能產(chǎn)業(yè)有“自下而上”發(fā)展的特點(diǎn),政府不設定長(cháng)期發(fā)展目標,由市場(chǎng)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展,顯得相對“佛系”。

  ◆產(chǎn)能競爭

  可再生能源電解水制氫是目前綠氫的最主要生產(chǎn)方式,電解槽是生產(chǎn)綠氫的關(guān)鍵部件,因此綠氫產(chǎn)能布局現階段可體現為電解槽產(chǎn)能布局。

  電解槽產(chǎn)能快速過(guò)剩。在2022年前,電解槽產(chǎn)能是達成綠氫產(chǎn)能規劃的焦點(diǎn),歐洲頻繁對電解槽產(chǎn)能能否滿(mǎn)足綠氫規劃提出質(zhì)疑。2022年后,全球電解槽企業(yè)加速擴張電解槽產(chǎn)能。根據BNEF數據,2022年底全球電解槽產(chǎn)能Top 20企業(yè)產(chǎn)能共計14GW,到2023年底預計全球電解槽產(chǎn)能Top 20企業(yè)產(chǎn)能共計26.4GW,且仍在快速發(fā)展中。電解槽幾乎在1年內就實(shí)現了從“預期產(chǎn)能不足”到“產(chǎn)能?chē)乐剡^(guò)剩”的轉變。

  電解槽有望實(shí)現“產(chǎn)在中國,用在全球”。中國在電解槽的產(chǎn)能及裝機量等方面都已經(jīng)實(shí)現領(lǐng)跑全球,隨著(zhù)電解槽市場(chǎng)持續發(fā)展,中國有望憑借規模效應延續成本優(yōu)勢、建立技術(shù)優(yōu)勢,實(shí)現電解槽“生產(chǎn)在國內,應用在全球”,進(jìn)而復刻鋰電、光伏產(chǎn)業(yè)的成績(jì)。

  ◆技術(shù)競爭

  電解槽的競爭主要包括國家間技術(shù)競爭和不同技術(shù)路線(xiàn)競爭。歐美日專(zhuān)利領(lǐng)跑,中國重視應用創(chuàng )新。根據IEA數據,日本在電解制氫方面的專(zhuān)利申報占比高達28%,全球第一;美國緊隨其后,達到13%;中國對于氫專(zhuān)利貢獻較少。氫云鏈認為,主要原因是IEA統計的是國際專(zhuān)利,而中國企業(yè)多數情況下僅申報了國內專(zhuān)利,同時(shí)國內現階段更重視在應用上實(shí)現突破,在發(fā)展中實(shí)現技術(shù)進(jìn)步。

  電解技術(shù)持續創(chuàng )新,不同路線(xiàn)邊界趨向模糊。目前由于成本優(yōu)勢,ALK產(chǎn)品在中國占據絕對市場(chǎng)地位,在歐洲也實(shí)現了對PEM的趕超。但在“綠電制綠氫”的需求推動(dòng)下,各類(lèi)技術(shù)持續創(chuàng )新,并開(kāi)始趨同:從結構看,ALK、PEM與AEM的結構設計有一定互相借鑒、相互驅動(dòng)的趨勢;從性能看,市場(chǎng)已經(jīng)出現在電流密度、動(dòng)態(tài)響應上媲美PEM的ALK產(chǎn)品;從成本看,PEM也逐漸向ALK接近。

  ◆貿易競爭

  作為未來(lái)的大宗商品,與石油、天然氣類(lèi)似,綠氫將同樣存在供需地理空間錯配的情況,綠氫貿易前景廣闊、勢在必行。綠氫貿易的發(fā)展,需要滿(mǎn)足產(chǎn)能、需求、成本、基礎設施等一系列前提條件。

  發(fā)展綠氫貿易意義重大。各國發(fā)展氫能貿易的目的包括:一是搶占氫能商品出口,重構全球能源市場(chǎng)格局;二是保障氫能進(jìn)口,實(shí)現國家能源安全。

  綠氫貿易執行難。受限于綠氫生產(chǎn)成本和運輸成本等問(wèn)題,現階段國際綠氫貿易大多處于探討階段。預計在綠氫產(chǎn)業(yè)進(jìn)入成熟期,成本、基礎設施等必要條件基本具備,市場(chǎng)上才會(huì )出現綠氫大規模國際貿易。


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