按能源的基本形態(tài)分類，可分為一次能源與二次能源。前者為天然能源，指在自然界中現(xiàn)成存在的能源，如煤炭、石油、天然氣、風(fēng)能、水能等。而后者則指由一次能源加工轉(zhuǎn)換而成的能源產(chǎn)品，如電力、煤氣、蒸汽及各種石油制品等。
其中，一次能源面臨的問題主要集中于再生性方面。現(xiàn)階段，人類應(yīng)用的能源主要以化石能源為主，而這些不可再生的能源在未來將面臨資源枯竭的問題。因此，開發(fā)光伏、風(fēng)電等項目是保證能源來源穩(wěn)定的關(guān)鍵。
而二次能源的革新則是旨在解決碳排放的問題。二次能源作為連接一次能源與用戶的紐帶，包括煤氣、焦炭、汽油等，但該類能源在燃燒放熱的過程中，會產(chǎn)生大量的二氧化碳與污染物質(zhì)。此時，想要解決能源應(yīng)用中的碳排放問題，就需要開發(fā)更加優(yōu)質(zhì)、清潔的含能體物質(zhì)。
其中，氫能作為與鋰電類似的零碳高效能源儲用方式，逐漸受到了人們的關(guān)注，而整個行業(yè)也在需求之下迎來產(chǎn)業(yè)化起步的元年。
那么，氫能源有哪些優(yōu)點，能讓其成為重要性與鋰電“并肩”的二次能源?行業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了哪些過程，又將邁向哪個階段?未來又將以什么樣的形態(tài)完成氫能源的制備?在產(chǎn)業(yè)化元年中，又有哪些企業(yè)將脫穎而出?
“碳中和”目標(biāo)指引下，氫能源地位不輕
在“碳達峰、碳中和”目標(biāo)的指引下，繼太陽能、風(fēng)能等新能源迎來快速發(fā)展后，氫能作為公認的低碳、零碳能源脫穎而出。而其熱度持高不下、各省紛紛為其出臺相關(guān)政策推動發(fā)展，與以下三大核心因素的驅(qū)動不無關(guān)系：
首先，當(dāng)前地球環(huán)境碳排放問題嚴(yán)峻，全球能源向減碳加氫的方向發(fā)展。隨著工業(yè)化進程的加速，能源需求日益增長，由化石燃料為主體的能源結(jié)構(gòu)帶來CO2排放總量的快速上升。“清潔、低碳、安全、高效”的能源變革成為大勢所趨。而氫能作為無碳的能源載體，可以很好地實現(xiàn)能源的“去碳化”，而未來真正完成綠氫生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變后，將在全生命周期中真正實現(xiàn)能源的脫碳。
次之，氫兼具能源和原料的雙重屬性，有著鋰電難以比擬的時移優(yōu)勢。氫具備能源和原料的雙重屬性，因此電解水制氫既可以平抑風(fēng)光等可再生能源的波動，解決一部分“棄風(fēng)棄光”問題，還可替代化石燃料為化工、工業(yè)、交通等領(lǐng)域提供綠色燃料。
而與鋰電等其他的儲能方式相比，氫儲能具有跨季節(jié)、跨區(qū)域和大規(guī)模存儲的優(yōu)勢，其放電時間可橫跨小時至季度，容量規(guī)模則大至百GW級別;從能量轉(zhuǎn)換上看，氫能不僅可轉(zhuǎn)換為電能，還可以轉(zhuǎn)換為熱能、化學(xué)能多種形式的能源，應(yīng)用場景更加廣闊。
最后，對于我國來說，增加氫能使用占比可有效保障能源安全，提升能源自給率。我國整體的資源稟賦為“富煤貧油少氣”，根據(jù)《中國海洋能源發(fā)展報告2022》預(yù)測，2022年我國原油、天然氣的對外依存度分別為70.9%、42.5%。而氫能可以通過天然氣摻氫的方式改變天然氣燃燒特性，增加燃燒值并減少對天然氣的需求，還可通過水電解生成氫幫助我國擺脫資源束縛，減少能源的對外依存度。
不過，即使氫能源具有眾多優(yōu)勢，但從目前來看，氫作為能源應(yīng)用的普及程度不高，現(xiàn)階段主要作為工業(yè)原料使用。從全球視角來看，2021年，全球氫氣需求超過9400萬噸，但主要用于化工(合成氨/合成甲醇)和煉油，全球交通運輸氫氣需求僅為3萬噸左右。而用于化工領(lǐng)域的氫氣，也遠未做到零碳。2021年，全球工業(yè)用氫和煉油用氫絕大部分源于化石燃料制氫，產(chǎn)生的直接二氧化碳凈排放量分別為6.3億噸和2.0億噸。
普及程度不高，也意味著在氫能源在邁入產(chǎn)業(yè)化元年后，將迎來快速發(fā)展的過程。而在未來，氫能也將廣泛用于交通、電力、新能源消納領(lǐng)域。
交通方面，各國積極推廣的氫燃料電池汽車，在商用車領(lǐng)域逐漸滲透，已初具規(guī)模，未來航空、船舶領(lǐng)域也有望進行替代。電力方面，氫可以作為電能儲存的介質(zhì)，未來有望用于長時儲能，或參與全球運輸和貿(mào)易，實現(xiàn)電能在時間和空間上的調(diào)節(jié)。新能源消納方面，運用新能源發(fā)電離網(wǎng)制氫后就地消納或通過其他方式運輸可有效實現(xiàn)對當(dāng)?shù)仫L(fēng)光資源的充分利用，解決部分地區(qū)棄風(fēng)棄光嚴(yán)重的情況。
IEA預(yù)計，在2050年全球“凈零排放”目標(biāo)與產(chǎn)業(yè)級別的催化下，2030年，全球氫能應(yīng)用規(guī)模需達到2億噸，2050年更將達到5億噸。
CNKI，平安證券研究所
三大制氫路線并行
綠氫成為終極形態(tài)?
目前，氫的產(chǎn)業(yè)化制取主要有以下三種相對較為成熟的技術(shù)路線：一是以煤炭、天然氣為代表的化石燃料制氫(灰氫);二是以焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣等為代表的工業(yè)副產(chǎn)氣制氫(藍氫);三是利用水的電解反應(yīng)制備氫氣的電解水制氫(綠氫)。
三類氫氣制取方法的原材料、制備過程、工藝復(fù)雜度、技術(shù)成熟度、經(jīng)濟效應(yīng)和碳排放等方面均有所不同，但總的來說，制氫路線短期內(nèi)由經(jīng)濟性優(yōu)勢主導(dǎo)，而零碳屬性是長期發(fā)展的決定因素。
其中，全球目前氫氣的主要制取方式，仍以傳統(tǒng)化石燃料制氫為主。化石燃料制氫指的是以煤或天然氣為原料還原制氫的傳統(tǒng)方案，主要包括煤氣化制氫與天然氣蒸汽重整制氫。
煤氣化制氫是煤在氣化爐中與水蒸氣發(fā)生分步反應(yīng)制備的氫氣，其原理為：煤在氣化爐中與水蒸氣反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣，一氧化碳進一步與水反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣。天然氣制氫則主要為天然氣中的甲烷與水蒸氣發(fā)生分步反應(yīng)生成的氫氣，反應(yīng)前通常需對天然氣進行脫硫處理，防止催化劑中毒。
在我國，化石燃料制氫則主要以煤制氫為主，一方面，我國的化石能源儲量呈現(xiàn)“富煤少氣”特點，煤儲量更為豐富;另一方面，我國天然氣含硫量高，預(yù)處理工藝復(fù)雜，導(dǎo)致在我國天然氣制氫經(jīng)濟性低于煤制氫。
但整體看來，無論是對于中國還是世界，化石燃料制氫作為起步最早，發(fā)展時間最久的制氫方式，毋庸置疑是技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的制氫方式，但同時，灰氫也是系統(tǒng)能耗、污染物排放量、溫室氣體釋放量最大的制氫途經(jīng)，并且該方法制氫產(chǎn)品雜質(zhì)多、純度低，不可直接用于下游的燃料電池，是目前最大但未來氫能源制取終極階段將要被淘汰的制氫方式。
在灰氫外，化工副產(chǎn)氫是灰氫制氫的補充性來源，也是三大路線中經(jīng)濟效益最突出的中短期過渡路線。化工副產(chǎn)氫是指焦?fàn)t煤氣、氯堿化工、輕烴利用、合成氨合成甲醇等化工工藝獲得副產(chǎn)氫的方案。
在我國，藍氫的主要產(chǎn)能來自于焦?fàn)t煤氣副產(chǎn)氫，即使焦炭的工業(yè)產(chǎn)能規(guī)模穩(wěn)步下降，但因其體量較大，棄氫存在提純利用空間;而輕烴利用處于成長期，產(chǎn)能不斷爬升，且副產(chǎn)氫純度高，存在增量投資需求;合成氯合成甲醇工業(yè)較為成熟，隨著氫能推廣氨和甲醇有望作為燃料或儲氫介質(zhì)加以應(yīng)用，未來存在極大的增長空間。
氫制備環(huán)節(jié)深度研究報告》，云道資本
整體來看，化工副產(chǎn)氫作為化工業(yè)的副產(chǎn)品，具有成本較低的優(yōu)點，且其中合成甲醇、合成氨制氫的未來前景較為廣闊，相關(guān)設(shè)備環(huán)節(jié)后期投資潛力十分巨大，但因其只是化工業(yè)的副產(chǎn)品，氫氣制備規(guī)模取決于主產(chǎn)品的制備規(guī)模，也決定了藍氫擴張空間有限，只可作為補充性的氫能源。
而在灰氫與藍氫之外，電解水制氫作為代表未來的制氫技術(shù)，在雙碳政策的影響指導(dǎo)下，也逐漸進入了人們的視野。電解水制氫是利用水的電解反應(yīng)制備氫氣的技術(shù)，而其中利用可再生電力制氫稱為“綠氫”，是零碳排、可持續(xù)的“終極路線”。
與灰氫、藍氫相比，綠氫在碳排放、儲能、制氫純度和生態(tài)循環(huán)方面具有顯著優(yōu)勢。
首先，綠氫具備“零碳排”的制備優(yōu)勢，減碳空間極大。煤制氫路線下每生產(chǎn)1噸氫氣平均需要消耗煤炭約 6-8 噸，排放 15-20 噸左右的二氧化碳，此外還會產(chǎn)生大量高鹽廢水及工業(yè)廢渣。而綠氫如果與光伏、風(fēng)電進行并網(wǎng)，在制備過程中幾乎不排放溫室氣體，每生產(chǎn)1噸氫氣碳排量僅0.03噸，在雙碳目標(biāo)要求下灰氫勢必被更清潔的綠氫所取代。
次之，綠氫儲能具有規(guī)模大、時間長、儲存與轉(zhuǎn)化形式多樣等優(yōu)勢，可解決新能源消納問題。近年來新能源的迅速發(fā)展使得電力輸送和綜合消納等困難凸顯，而可再生能源發(fā)電的隨機性、季節(jié)性、反調(diào)峰特性及不可預(yù)測性導(dǎo)致部分電能品質(zhì)較差，疊加儲能技術(shù)有限，“棄風(fēng)棄光”問題快速增長。而用新能源發(fā)電制氫，有利于提高可再生能源利用效率，助力消納新能源“棄風(fēng)棄光”問題。
此外，相較于其他儲能方式來說，綠氫儲能規(guī)模大且時間長，相較于容量為兆瓦級、儲能時間1天的電化學(xué)儲能與容量為吉瓦級、儲能1周到1約的抽水蓄能而言，氫能儲能的容量與時間跨度可達到太瓦級和1年以上，同時具備遠距離跨區(qū)域運輸?shù)奶攸c。而從能量轉(zhuǎn)換上看，氫能較其他儲運方式來說更加靈活，不僅可轉(zhuǎn)換為電能，還可以轉(zhuǎn)換為熱能、化學(xué)能多種形式的能源。
最后，綠氫制氫的純度極高。采用電解水綠氫方式制氫，氫氣純度最高，其中PEM水電解制氫初產(chǎn)物氫含量便高達99%，提純后純度進一步提升至99.999%，具有明顯優(yōu)異性，適用于對氫氣純度、雜質(zhì)含量要求苛刻的冶金、陶瓷、電子、航天航空等行業(yè)。
也正是因為三大優(yōu)點，讓綠氫逐步取代灰氫成為必然。根據(jù)主要國際能源組織的預(yù)測，到2050年全球的綠氫產(chǎn)量將遠遠高于藍氫。至2060年，幾乎全部的氫氣需求都將由低排放技術(shù)滿足，其中近80%是電解水制氫，屆時電解水制氫將成為具有成本競爭力的制氫工藝。
但站在當(dāng)前時點看來，綠氫作為剛剛起步的制氫方法，在推廣過程中還存在著成本較高的問題。
成本方面，以目前國內(nèi)最成熟的堿性電解水制氫為例，整個制氫成本主要在于電費和設(shè)備折舊，其中電費占比70%-90%，折舊占比10%-30%。理想情況下，按照電耗4kwh/標(biāo)方，電價0.15元/kwh，對應(yīng)成本為15元/kg，基本可與天然氣制氫平價，但若想大面積制造，仍處于下游使用方難以接受的階段。
而未來綠氫與風(fēng)光、風(fēng)電耦合，年利用小時提高至4000小時以上，則成本有望進一步下降至11元/kg以內(nèi)，基本可以實現(xiàn)與煤制氫平價。遠期看，若電價達到0.1元/kwh，電耗下降至3.5kwh/ 標(biāo)方，則綠氫成本可降至8元/kg，低于煤制氫，但無論是電價的下降，或是與風(fēng)光、風(fēng)電耦合的推進過程中，均需要多年時間，故短期內(nèi)成本較高成為了綠氫推廣的最大阻力。
但是，目前綠氫產(chǎn)業(yè)仍處于從0到1快速發(fā)展的階段，在未來度電成本、電解槽單位電耗和設(shè)備投資的下降的驅(qū)動下，水電解制氫在能源化工等領(lǐng)域?qū)⒆罱K完成與灰氫平價并超越。
綠電制綠氫，堿性電解槽成當(dāng)下最優(yōu)解
作為從0到1快速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，電解水制氫系統(tǒng)的核心部分——電解槽，也有著堿性水電解(ALK)、質(zhì)子交換膜電解(PEM)、高溫固體氧化物電解(SOEC)、固體聚合物陰離子交換膜電解(AEM)四種技術(shù)路線，四大路線的產(chǎn)品能耗、安全、技術(shù)成熟度各有差異，但又有其各自的優(yōu)點。
立足當(dāng)下，技術(shù)最成熟、單槽成本最低的技術(shù)路線，莫過于ALK路線。堿性電解水制氫指堿性電解質(zhì)環(huán)境下進行電解水制氫的過程，電解質(zhì)一般為30%質(zhì)量濃度的KOH溶液或26%質(zhì)量濃度的NaOH溶液。反應(yīng)過程中，水分子在陰極得到電子，析出氫氣: 氫氧根離子在氫氧側(cè)濃度差的作用下到達陽極，生成氧氣和水。又因其堿槽成本低、整體工藝成熟度高，目前已有多個到達MW級別的項目，在綠氫生產(chǎn)中廣泛落地。
但在整體成本低、工藝成熟的同時，ALK也由于其本身設(shè)計結(jié)構(gòu)選型的問題，存在點解效率低、體積效率低下、啟動慢、維護成本高、制氫純度低的缺點。正在朝向大標(biāo)方和低能耗兩個方向改進。
除ALK路線之外，質(zhì)子交換膜技術(shù)則使用了固體電解質(zhì)代替了ALK路線中的隔膜與液態(tài)電解液，在解決了潛在的污染與腐蝕問題外，有了更高的效率和靈活度。
由于使用了固體電解質(zhì)替代了隔膜，PEM路線的電阻相較于ALK更低，電解效率更高，降低了整個設(shè)備的體積;同時，因其反應(yīng)活性遠遠高于ALK，也讓其擁有了靈活的更高的啟停機制，完全可以適應(yīng)大幅度的風(fēng)光變化，以更高的耦合度捕捉到更多的棄風(fēng)棄光;此外，PEM使用純水作為原料，產(chǎn)物不包含其他雜質(zhì)，只需要去除水蒸氣方可使用，純度可達99.99%以上。
但PEM路線使用固態(tài)電解質(zhì)的另一面，則是成本的攀升：PEM依賴鉑、銥等貴金屬作為催化劑，大大提高了成本，哪怕是在未來，降價彈性也十分有限。目前，正在朝向研發(fā)低貴金屬催化劑與提升催化劑壽命方向發(fā)展，若能攻克，將成為最佳電解水制氫方法。
而在主流的ALK和PEM路線外，高溫固體氧化物電解(SOEC)、固體聚合物陰離子交換膜電解(AEM)也在快速發(fā)展中。SOEC中部分電能可以使用電能替代，轉(zhuǎn)化效率較高，但在高溫下材料選擇較少，目前尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化;而AEM路線雖然材料成本低，但陰離子交換膜量產(chǎn)難度較大，仍在研發(fā)階段。都屬于后續(xù)潛力優(yōu)良的制氫路線，但短期內(nèi)難以看到產(chǎn)業(yè)化落地。
商業(yè)模式初起步
風(fēng)光儲與設(shè)備龍頭快速搶占市場
雖然電解槽的技術(shù)路線多樣，但目前國內(nèi)的主要的電解水技術(shù)均來源于中船718所，并在近三十年中“開枝散葉”，傳播至以派瑞氫能為代表的老牌電解水設(shè)備龍頭、以隆基氫能為代表的風(fēng)光儲龍頭和以華電重工為代表的傳統(tǒng)設(shè)備廠商中。
三大類廠商各有優(yōu)勢，以中船718所(派瑞氫能)、蘇州競立和天津大陸為代表的老牌龍頭具備技術(shù)和產(chǎn)品積累，先發(fā)優(yōu)勢明顯，但面臨人才流失嚴(yán)重的問題;以隆基氫能、陽光電源為代表的風(fēng)光儲龍頭依托現(xiàn)有客戶基礎(chǔ)，布局可再生能源制氫系統(tǒng)，與原業(yè)務(wù)有很強的協(xié)同效應(yīng);而華電重工、華光環(huán)能等為代表的傳統(tǒng)設(shè)備廠商，則具有多年裝備制造經(jīng)驗，再設(shè)備生產(chǎn)上擁有先進的技術(shù)與工藝基礎(chǔ)。
燃料電池產(chǎn)業(yè)年度藍皮書，德邦研究所
三大類廠商中，業(yè)務(wù)協(xié)同的光儲龍頭與“國家隊”背景的相關(guān)企業(yè)，或?qū)⒂瓉砉乐档目焖倥噬?/p>
風(fēng)光儲龍頭企業(yè)可有效依托現(xiàn)有客戶基礎(chǔ)，延伸布局電解水制氫系統(tǒng)，可為客戶提供光氫、風(fēng)氫一體化系統(tǒng)解決方案，與原有光伏、風(fēng)電業(yè)務(wù)發(fā)揮協(xié)同，是業(yè)務(wù)向最為契合的企業(yè)，擁有極大的空間。
其中，光伏龍頭隆基綠能成為風(fēng)光儲龍頭企業(yè)入局氫能源的標(biāo)桿之一。
自2018年起，隆基就開始對氫能產(chǎn)業(yè)鏈進行戰(zhàn)略研究，與國內(nèi)外科研機構(gòu)研究合作研發(fā)電解水制氫裝備技術(shù)，并于2021年3月31日正式成立隆基氫能科技有限公司，積極布局綠氫裝備業(yè)務(wù)。2022年5月，隆基氫能入圍中石化首個萬噸級綠氫示范項目。2022年10月，隆基氫能已按期完成16臺套電解水制氫設(shè)備發(fā)貨。
華安證券研究所整理
而在新產(chǎn)品方面，隆基氫能性能優(yōu)異，貫徹了堿性電解槽大標(biāo)方的理念，降本效果凸顯。2021年，公司下線首臺1000Nm³/h堿性水電解槽，2023年2月14日，隆基氫能發(fā)布ALK Hi1系列新產(chǎn)品，而其迭代后的ALK Hi1 plus產(chǎn)品，直流電耗滿載狀況下低至 4.1kWh/Nm³，在 2500A/㎡電流密度下，更可低至4.0kWh/Nm³，更可連續(xù)運行72小時。
此外，由于業(yè)務(wù)的適配性，公司市占率也遙遙領(lǐng)先。2022年國內(nèi)電解水制氫設(shè)備出貨量達到722MW，同比大幅增長106%。其中，隆基氫能電解水制氫設(shè)備產(chǎn)能達1.5GW，據(jù)隆基綠能創(chuàng)始人李振國介紹，2022年隆基氫能電解水制氫設(shè)備產(chǎn)能位居全球第一、出貨量躋身國內(nèi)前三。
資料來源：公司官網(wǎng)，東方財富證券研究所
在風(fēng)光儲龍頭外，具有國資背景的企業(yè)依托其背后的集團，具備極強的渠道優(yōu)勢。
其中，華電重工背靠國企最大獨資發(fā)電集團之一的華能集團，具備高產(chǎn)業(yè)協(xié)同效應(yīng)，渠道優(yōu)勢強大。
華電重工作為華電集團專門承包和制造各種能源裝備的子公司，十分重視ALK和PEM兩大制氫路線與儲運領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)。
在堿性電解槽設(shè)備領(lǐng)域，華電于2020年7月成立氫能技術(shù)研究中心，并于兩年后下線1200Nm³/h堿性電解槽，單機產(chǎn)氫量、電解效率、電流密度等主要技術(shù)指標(biāo)達到國際先進水平。而在PEM 及燃料電池設(shè)備領(lǐng)域，已開工建設(shè)“華電德令哈3MW 光伏制氫項目”，PEM制氫規(guī)模達600Nm³/h。產(chǎn)品性能已達到國際水平，為多家國內(nèi)外頭部企業(yè)供貨。
此外，在更加下游的綠氫儲運領(lǐng)域中，華電重工早在 2012 年成立煤化工事業(yè)部，開展高壓氫氣管道輸送業(yè)務(wù);同時自主研發(fā)的固態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫技術(shù)已成功應(yīng)用于瀘定水電解制氫項目中。
同時，在華電集團資源傾斜下，公司先后中標(biāo)了內(nèi)蒙華電達茂旗(12000Nm³/h)、山東華電濰坊(5000 Nm³/h)等項目，未來前景廣闊。
寫在最后
氫能源，作為優(yōu)質(zhì)的二次能源，兼具清潔、零碳、可再生的優(yōu)勢，在雙碳目標(biāo)下，可在多種場景替代汽油、柴油、天然氣等能源，促進工業(yè)、交通等領(lǐng)域深度脫碳，有望成為新能源時代中鋰電的完美補充。
而其中，作為未來清潔能源代表的綠電制氫，在中國及全球氫能源的占比均不到1%，正迎來從1到N的產(chǎn)業(yè)爆發(fā)階段。隨著綠電度電成本、電解槽單位電耗和設(shè)備投資的下降，驅(qū)動水電解制氫在能源化工等領(lǐng)域與灰氫平價。而電解槽作為綠氫的核心設(shè)備，將迎來千億級市場需求。
在電解槽企業(yè)出貨量的快速增長下，電解槽環(huán)節(jié)具備技術(shù)實力的隆基綠能、陽光電源、華電重工;布局電解槽的彈性標(biāo)的華光環(huán)能、昇輝科技;材料環(huán)節(jié)具備潛力的貴研鉑業(yè)等企業(yè)將站在風(fēng)口之上，而其資本市場上的相關(guān)估值或許也將再次迎來攀升。
免責(zé)聲明：本網(wǎng)轉(zhuǎn)載自其它媒體的文章及圖片，目的在于弘揚石化精神，傳遞更多石化信息，宣傳國家石化產(chǎn)業(yè)政策，展示國家石化產(chǎn)業(yè)形象，參與國際石化產(chǎn)業(yè)輿論競爭，提高國際石化產(chǎn)業(yè)話語權(quán)，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點和對其真實性負責(zé)，在此我們謹(jǐn)向原作者和原媒體致以崇高敬意。如果您認為本站文章及圖片侵犯了您的版權(quán)，請與我們聯(lián)系，我們將第一時間刪除。
