2024年電解制氫行業(yè)研究——產(chǎn)業(yè)鏈篇
引言 氫氣是一種來源豐富、應用廣泛的工業(yè)氣體，同時兼具能源載體的性質(zhì)，是一種無法直接從自然界獲取的二次能源。綠氫是指利用風光等可再生能源電解水制氫或生物質(zhì)等其他環(huán)保方式制氫，全程不產(chǎn)生污染氣體和碳排放。綠氫從生產(chǎn)到應用全面擺脫了對傳統(tǒng)化石能源的依賴，能夠有效助力深度脫碳減排，是實現(xiàn)碳中和愿景的重要路徑，也是新能源行業(yè)閉環(huán)形成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 隨著風光發(fā)電的規(guī)模的不斷增長和低碳要求的不斷提升，綠氫逐漸擁有更大的發(fā)展空間和市場，我國綠氫項目數(shù)量和規(guī)模都呈現(xiàn)逐年增長的趨勢，但綠氫制備的關(guān)鍵設(shè)備電解槽的零部件國產(chǎn)化率仍有待提升。由于氫氣儲運成本仍相對較高，目前綠氫市場應用仍以可就地消納、作為工業(yè)原材料擁有不可替代性的大化工領(lǐng)域為主，交通、建筑等燃料能源領(lǐng)域則以成本優(yōu)勢相對明顯、配套設(shè)施較為完善的風光電力為主，氫燃料的應用推廣仍需靜候佳期。對此我們從產(chǎn)業(yè)鏈角度梳理了行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀。 電解制氫產(chǎn)業(yè)鏈簡介
資料來源：毛宗強等《制氫工藝與技術(shù)》、張軒等《電解水制氫成本分析》、 煤炭深加工現(xiàn)代煤化工、華寶證券、中盛咨詢整理
電解水制氫中游包括制氫和儲運兩個環(huán)節(jié)，是產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)難度較高的兩個環(huán)節(jié)，也是未來綠氫能否實現(xiàn)平價的關(guān)鍵。下游根據(jù)氫氣的性質(zhì)可劃分為工業(yè)原材料和燃料兩種，工業(yè)原材料的應用是目前集中式風光發(fā)電制氫的主要應用領(lǐng)域，燃料應用中，綠氫在交通領(lǐng)域相對受到了更廣泛的推廣。
資料來源：中盛咨詢依據(jù)公開資料整理 一 產(chǎn)業(yè)鏈上游 01 風光發(fā)電規(guī)模增長，平價發(fā)展有望推動電解制氫降本
2024年2月，我國風光利用率分別降至93.7%和93.4%，首次跌破“95%消納紅線”。電解水制氫項目通常與風光電廠配套進行，理論上電解水制氫可與所有風光電場適配，解決風光電力的消納問題。因此電解水制氫規(guī)模的增長與風光電場的數(shù)量與發(fā)電量呈正相關(guān)。2023年我國發(fā)電量達到89,090.8億千瓦時，其中風電占比9.08%，發(fā)電量8,090.50億千瓦時，光伏占比3.30%，發(fā)電量2,939.70億千瓦時，2024年1-9月風光電力占比再度上漲，分別達到9.54%和4.36%。
資料來源：國家統(tǒng)計局、中盛咨詢整理
目前我國可再生能源電力價格仍普遍高于傳統(tǒng)火電價格，在政策驅(qū)動下風光電力向著平價化方向發(fā)展。我們根據(jù)部分電力公司公開價格數(shù)據(jù)測算，2023年底風電平均上網(wǎng)電價為496.51元/兆瓦時，較上年下降了2.06%，約為火電平均上網(wǎng)價格的1.02倍，光伏上網(wǎng)電價平均上網(wǎng)電價為763.48元/兆瓦時，較上年下降了3.64%，約為火電價格的1.57倍。
02 上游零部件部分國產(chǎn)化，技術(shù)方面存在較大進步空間 堿性電解槽零部件主要分為隔膜和催化劑。目前堿性電解槽廣泛使用的隔膜為以聚苯硫醚（PPS）織物為基底的新型復合隔膜，有著耐熱性能優(yōu)異、機械強度高、電性能優(yōu)良的特點，日本東麗的PPS隔膜，價格約在每平米400元左右，長期占據(jù)著我國PPS隔膜的主要市場份額。 堿性電解槽的催化劑主要以鎳基為主，電極通常采用鎳網(wǎng)的形式，具有價格低廉，耐酸耐堿耐高溫等特點，國內(nèi)生產(chǎn)商包括揚州玉峰、英凱模等，歐美堿性電解槽所使用的高性能鎳基合金催化劑，是與國產(chǎn)電解槽價格、制氫效率、使用壽命等方面拉開差距的主要原因之一。 資料來源：陽光電源、氫啟未來網(wǎng)、高工氫電、碳能科技、中盛咨詢整理 PEM電解槽主要分為質(zhì)子交換膜、電極催化劑、氣體擴散層和雙極板四個部分。其中僅行業(yè)目前常用的石墨雙極板和金屬雙極板可完全實現(xiàn)國產(chǎn)化替代，且已向著耐腐蝕的鈦基雙極板展開技術(shù)研發(fā)，上海治臻和金泉益搭建有PEM電解槽雙極板的生產(chǎn)線并已開始出貨。其他零部件生產(chǎn)技術(shù)均與國際先進水平存在一定差距，對進口相對依賴。 質(zhì)子交換膜生產(chǎn)技術(shù)長期被歐美和日本國家所壟斷，國內(nèi)的工業(yè)級的PEM產(chǎn)品幾乎全部使用杜邦的NafionTM系列，國內(nèi)僅東岳未來氫能、浙江漢丞、通用氫能和科潤新材料等少數(shù)企業(yè)擁有生產(chǎn)PEM電解槽質(zhì)子交換膜的能力。 PEM電解槽常用的陰極催化劑為以碳為載體材料的鉑碳催化劑，鉑載量約在0.4-0.6g/c㎡；陽極催化劑以氧化銥為主，催化劑中銥載量約為1-2g/c㎡，鉑和銥均為產(chǎn)量稀少的貴金屬，價格昂貴，催化劑中的貴金屬載量是未來技術(shù)突破的主要方向。 PEM電解槽的氣體擴散層陽極選擇耐酸耐腐蝕的鈦氈作為陽極氣體擴散層的主要材料，陰極碳紙和鈦氈均可以作為氣體擴散層材料，國內(nèi)碳紙氣體擴散層存在一定的工藝壁壘，鈦氈氣體擴散層生產(chǎn)企業(yè)也相對較少，工業(yè)級的質(zhì)子膜電解槽產(chǎn)品國內(nèi)仍以進口品牌使用為主，國產(chǎn)化率具備較大進步空間。 資料來源：Nel、派瑞氫能、TrendBank、平安證券、中盛咨詢整理 二 產(chǎn)業(yè)鏈中游 01 我國綠氫產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，技術(shù)趨勢明顯 我國綠氫制取項目呈快速增長趨勢，單項目制氫規(guī)模不斷擴大。根據(jù)勢銀能鏈與GGII，截至2023年12月31日，我國已存在337個綠氫項目，其中2023年全年新增186項，占總量的55.19%；2021-2023年我國電解水制氫設(shè)備出貨量從350MW增長至1.2GW，CAGR為85.16%，其中最大單項目制氫規(guī)模2021年僅為160MW，2023年大幅增至750MW。 從電解水制氫設(shè)備招標項目技術(shù)路線來看，2023年堿性技術(shù)路線電解槽招標量占據(jù)主導地位，招標規(guī)模2,846.5MW占比達95.7%，PEM技術(shù)路線電解槽招標規(guī)模66MW，占比2.2%，SOEC招標規(guī)模63MW，占比2.1%。大東時代智庫（TD）預計，在小規(guī)模分布式制氫上會以PEM為主，而在大規(guī)模集中式制氫上，2026年前會以ALK為主，PEM為輔的模式。 資料來源：大東時代智庫、中盛咨詢整理 02 氫氣儲運降本需求明確，技術(shù)有待突破
現(xiàn)階段氫氣的儲運方法主要包括高壓氣態(tài)儲運、固體材料儲運、低溫液態(tài)儲運和有機液態(tài)儲運四種。
資料來源：國際氫能網(wǎng)、中盛咨詢依據(jù)公開資料整理
其中高壓氣態(tài)儲運是國內(nèi)最普遍的運氫方式，氣氫拖車運輸技術(shù)最為成熟但運輸效率僅為1-2%，適用于小規(guī)模、200km內(nèi)的短途運輸。目前20MPa車約66萬，30MPa車約166萬，以20MPa壓力運輸，當運輸距離100km時，運輸成本為8.66元/kg，隨著距離增加，運輸成本受人工費和油費推動顯著上升，如果運輸壓力標準由20MPa提升至50MPa，100km的運輸成本可降至5.60元/kg。國內(nèi)管束儲氫企業(yè)主要有中集安瑞科、浙江藍能、北京天海、國富氫能、新興能源裝備、中材科技、眾邦能源等。其他氫能儲運方式由于成本或技術(shù)成熟度問題，在我國尚未開始大規(guī)模應用。
三 產(chǎn)業(yè)鏈下游 01 工業(yè)用氫可就地消納，項目規(guī)模不斷增長
大化工領(lǐng)域是綠氫主要應用場景，終端能源消費滲透率逐步提升。據(jù)IEA《Global Hydrogen Review 2024》，2023年全球氫需求超過97百萬噸，其中煉油氫需求達43百萬噸，工業(yè)氫需求達54百萬噸；工業(yè)氫需求中約60%用于氨生產(chǎn)，30%用于甲醇生產(chǎn)，10%用于冶金。而據(jù)中國石化《中國能源展望2060》，2023年，我國氫氣消費量約3,549萬噸，在終端能源消費總量中的占比不足4%，幾乎全部氫氣用于工業(yè)部門，建筑、交通等部門用氫合計不足3%。
資料來源：IEA、中國石化、國海證券、中盛咨詢整理
從我國綠氫項目建設(shè)情況來看，根據(jù)2024綠氫產(chǎn)業(yè)大會上的GGII數(shù)據(jù)顯示，在已建成項目中，從數(shù)量占比來看，66%項目下游應用為交通；從裝機占比來看，化工及煉化占比超過70%。在建及規(guī)劃項目中，從數(shù)量占比來看，化工與交通約2:1；從裝機占比來看，化工應用占比高達92%，其次為交通。
02 交通領(lǐng)域以氫燃料電池車為主，推廣仍需靜候佳期
我國氫燃料電池的應用處于試點階段，多應用于大型客車和重型專用車，《中國零排放貨運年度進展報告2022》以49噸氫燃料電池重型貨車為例對氫燃料電池車生命周期使用成本進行了測算，并與傳統(tǒng)燃油重型貨車進行了比較，最終結(jié)果顯示氫燃料電池5年內(nèi)綜合成本為532.35萬元，約為傳統(tǒng)燃油車的2.3倍，而一次性購置成本為150萬元，約為傳統(tǒng)燃油車的3.8倍。
據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會公布燃料電池汽車產(chǎn)銷數(shù)據(jù)，2024年6月全國燃料電池汽車產(chǎn)銷分別完成1,181輛和1,117輛。2024年上半年全國氫燃料電池汽車產(chǎn)銷數(shù)據(jù)分別為2,773輛和2,644輛，同比增加11.1%和9.7%（2023年上半年產(chǎn)銷數(shù)據(jù)為2,495輛和2,410輛）。 燃料電池車的推廣應用離不開配套設(shè)施加氫站的建設(shè)，目前我國的加氫站主要以外供氫、氣態(tài)、35MPa壓力加氫站為主，根據(jù)GGII《中國加氫站數(shù)據(jù)庫》，2023年國內(nèi)新建加氫站87座，加氫站分為外供和現(xiàn)場制氫兩種，2023年國內(nèi)新建加氫站有13座是制氫加氫一體站。外供氫加氫站的電解水制氫和運輸成本每公斤高于60元，而現(xiàn)階段灰氫的制備儲運成本約為每公斤30元。對于現(xiàn)場制氫加氫站而言，電解水制氫加氫一體站的建設(shè)成本為外供氫加氫站的3.2倍，是甲醇重整制氫加氫一體站的1.7倍，是天然氣重整制氫加氫一體站的1.6倍。因此氫燃料電池車受購置和使用成本影響，目前主要以摸索商業(yè)模式為主，為綠氫降本后的大規(guī)模推廣做前期的準備。
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