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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(jì)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(duì)減少溫室氣體排放,盡早實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)具有重要意義。當(dāng)前,以新能源為軸心的國(guó)際能源競(jìng)爭(zhēng)不斷深化,搶抓國(guó)際市場(chǎng)機(jī)遇,推進(jìn)燃料電池、電解槽等各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)全面成熟,加快推動(dòng)氫能在交通、工業(yè)、儲(chǔ)能等領(lǐng)域的重點(diǎn)應(yīng)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(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟預(yù)計(jì),到2025年,我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達(dá)到1萬億元;到2050年,氫氣需求量將接近6000萬噸,實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排約7億噸,氫能在我國(guó)終端能源體系中占比超過10%,產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值達(dá)到12萬億元,成為引領(lǐng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新增長(zhǎng)極。

  01 概述

  氫能是氫和氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)釋放出的化學(xué)能,是一種二次清潔能源。根據(jù)氫制取過程的碳排放強(qiáng)度,氫被分為“灰氫”“藍(lán)氫”和“綠氫”。目前,我國(guó)氫氣制取以煤制氫方式為主,占比約80%。未來,隨著可再生能源發(fā)電成本持續(xù)降低,綠氫占比將逐年上升,預(yù)計(jì)2050年將達(dá)到70%。

  氫能來源廣泛,具有能量密度高、清潔安全、靈活高效、應(yīng)用場(chǎng)景廣泛、儲(chǔ)運(yùn)方式多樣等優(yōu)點(diǎn),是推動(dòng)傳統(tǒng)化石能源清潔高效利用和支撐可再生能源大規(guī)模發(fā)展的理想能源載體,被譽(yù)為二十一世紀(jì)的“終極能源”,受到各國(guó)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(guó)外主要制氫方式為天然氣重整制氫,而我國(guó)主要利用工業(yè)制氫,現(xiàn)有工業(yè)制氫產(chǎn)能約2500萬T/A,其中煤制氫產(chǎn)能約1000萬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。隨著電解水制氫成本的持續(xù)下降,未來電解水制氫成為各國(guó)瞄準(zhǔn)的方向和攻關(guān)重點(diǎn)。

中國(guó)制氫主要技術(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)比較對(duì)比

  從制氫技術(shù)來看,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(shè)備還在研發(fā)階段。目前國(guó)內(nèi)電解水制氫路線以堿性電解槽為主,主要是堿性電解槽技術(shù)路線成熟,成本具有顯著優(yōu)勢(shì)。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(shì)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(yàn)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(guó)內(nèi)外差距較大,大量依賴外國(guó)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(guó)外企業(yè)占據(jù)主導(dǎo),全球市場(chǎng)占有率超過90%。國(guó)內(nèi)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(tuán)已研制出接近杜邦Nafion性能的產(chǎn)品,陽(yáng)光電源與中國(guó)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(guó)內(nèi)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(chǔ)運(yùn)氫和加氫站建設(shè)。儲(chǔ)運(yùn)氫環(huán)節(jié),主要有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、固體儲(chǔ)氫和有機(jī)液體儲(chǔ)氫等方式。當(dāng)前,美國(guó)、歐洲已分別建成2600km、1500km的氫管道,而我國(guó)氫氣管道里程約400km,在用管道僅有百公里左右。儲(chǔ)運(yùn)氫環(huán)節(jié)成為我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)亟待攻克的環(huán)節(jié)。

三種氫儲(chǔ)運(yùn)比較

  由于成本低、使用方便、儲(chǔ)存條件易滿足等優(yōu)勢(shì),高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫是目前儲(chǔ)運(yùn)氫的主流方式。國(guó)內(nèi)由于高端碳纖維技術(shù)不夠成熟,無法規(guī)?;a(chǎn)且復(fù)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(guó)、日本等國(guó)家和地區(qū)液氫技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟,低溫液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫等環(huán)節(jié)已進(jìn)入規(guī)?;瘧?yīng)用階段。我國(guó)液氫技術(shù)主要應(yīng)用在航天領(lǐng)域,民用領(lǐng)域尚處于起步階段,氫液化系統(tǒng)的核心設(shè)備(氫透平膨脹機(jī)與低溫閥門等)仍然依賴于進(jìn)口,液氫儲(chǔ)罐制造技術(shù)與裝備與國(guó)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(chǔ)氫產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展方向。

  由于安全性、穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),固態(tài)金屬氫化物儲(chǔ)運(yùn)氫將成為我國(guó)未來發(fā)展的重點(diǎn)。目前,國(guó)內(nèi)金屬氫化物儲(chǔ)氫應(yīng)用還較少,正處于研發(fā)與示范階段,提高金屬氫化物的儲(chǔ)氫量、降低材料成本、提高金屬氫化物的可循環(huán)性等將是未來的研究重點(diǎn)。

儲(chǔ)運(yùn)氫相關(guān)企業(yè)

  而在加氫站建設(shè)方面,截止到2021年底,日本擁有全球最多的加氫站,達(dá)159座。美國(guó)的加氫站數(shù)量逐年提升,到2030年將超過韓國(guó)、日本、中國(guó)數(shù)量的總和。我國(guó)計(jì)劃到2030年建設(shè)1500座加氫站,加氫站數(shù)量正穩(wěn)步提升。未來,美國(guó)和亞洲將成為加氫站數(shù)量領(lǐng)先的國(guó)家和地區(qū)。

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(yīng)用,其中燃料電池是核心也是最具發(fā)展?jié)摿Φ沫h(huán)節(jié)。在燃料電池環(huán)節(jié),日本、美國(guó)、韓國(guó)均已研發(fā)出氫燃料電池車輛并投放市場(chǎng),我國(guó)氫燃料電池領(lǐng)域整體處于成長(zhǎng)上升階段,與發(fā)達(dá)國(guó)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(dá)國(guó)家相比相對(duì)落后,一些關(guān)鍵零部件和材料仍依賴進(jìn)口。

  在終端應(yīng)用環(huán)節(jié),氫能應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,其中交通領(lǐng)域是氫能應(yīng)用的主要發(fā)力點(diǎn)。除此之外,氫能還可應(yīng)用于家庭供電、氫能煉鋼等領(lǐng)域。日本和德國(guó)在家庭供電方面發(fā)展勢(shì)頭良好。日本、德國(guó)、瑞典等還在探索“氫能煉鋼”項(xiàng)目示范。我國(guó)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用探索不斷向前,已經(jīng)基本掌握了燃料電池車的核心技術(shù),具備進(jìn)行大規(guī)模示范運(yùn)行的條件。但其他應(yīng)用領(lǐng)域還與國(guó)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(yīng)等領(lǐng)域有較大發(fā)展空間。

  03 全球綠氫市場(chǎng)格局

  綠氫是未來氫能發(fā)展的主流方向,是實(shí)現(xiàn)全球碳中和、國(guó)家能源安全的關(guān)鍵路徑。全球各國(guó)高度重視綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展,在綠氫應(yīng)用規(guī)劃、電解設(shè)備產(chǎn)能、電解設(shè)備技術(shù)發(fā)展、綠氫貿(mào)易等方面展開了合作與競(jìng)爭(zhēng),目前出現(xiàn)了歐美日韓等地區(qū)規(guī)劃快、市場(chǎng)慢,中國(guó)地區(qū)市場(chǎng)快、規(guī)劃慢等特點(diǎn):歐美日韓等地在國(guó)家級(jí)政策、項(xiàng)目規(guī)劃方面先聲奪人,但實(shí)際進(jìn)度相對(duì)較慢;中國(guó)在國(guó)家政策方面反應(yīng)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(jī)量上實(shí)現(xiàn)占比過半的成績(jī)。

  ◆主要國(guó)家綠氫規(guī)劃:歐美激進(jìn)、中國(guó)“佛系”

  到2030年,歐美綠氫產(chǎn)能規(guī)劃達(dá)到千萬噸/年,日韓也達(dá)到百萬噸級(jí)別。中國(guó)在國(guó)家層面僅提出在2025年實(shí)現(xiàn)綠氫產(chǎn)能20萬噸/年。歐美規(guī)劃2030年完成灰氫替代。根據(jù)IEA數(shù)據(jù),2021年,全球氫氣需求超過9400萬噸,其中美國(guó)和歐洲分別占據(jù)全球14%/9%左右,對(duì)應(yīng)約1300萬噸和950萬噸,而歐美兩地區(qū)2030年綠氫規(guī)劃已經(jīng)達(dá)到1000萬噸/年。根據(jù)IEA預(yù)測(cè),到2030年全球氫能需求量大約在1.3億噸左右,總需求增長(zhǎng)約為40%。因此根據(jù)綠氫產(chǎn)能規(guī)劃,歐美到2030年有望基本完成現(xiàn)有灰氫替代。

  中國(guó)尚未綠氫產(chǎn)能提出中長(zhǎng)期規(guī)劃。中國(guó)氫氣需求量占全球的30%,約2800萬噸,但中國(guó)對(duì)2030年目標(biāo)無規(guī)劃。氫云鏈認(rèn)為,其中主要原因是中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)有“自下而上”發(fā)展的特點(diǎn),政府不設(shè)定長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo),由市場(chǎng)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展,顯得相對(duì)“佛系”。

  ◆產(chǎn)能競(jìng)爭(zhēng)

  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(xiàn)階段可體現(xiàn)為電解槽產(chǎn)能布局。

  電解槽產(chǎn)能快速過剩。在2022年前,電解槽產(chǎn)能是達(dá)成綠氫產(chǎn)能規(guī)劃的焦點(diǎn),歐洲頻繁對(duì)電解槽產(chǎn)能能否滿足綠氫規(guī)劃提出質(zhì)疑。2022年后,全球電解槽企業(yè)加速擴(kuò)張電解槽產(chǎn)能。根據(jù)BNEF數(shù)據(jù),2022年底全球電解槽產(chǎn)能Top 20企業(yè)產(chǎn)能共計(jì)14GW,到2023年底預(yù)計(jì)全球電解槽產(chǎn)能Top 20企業(yè)產(chǎn)能共計(jì)26.4GW,且仍在快速發(fā)展中。電解槽幾乎在1年內(nèi)就實(shí)現(xiàn)了從“預(yù)期產(chǎn)能不足”到“產(chǎn)能嚴(yán)重過剩”的轉(zhuǎn)變。

  電解槽有望實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)在中國(guó),用在全球”。中國(guó)在電解槽的產(chǎn)能及裝機(jī)量等方面都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑全球,隨著電解槽市場(chǎng)持續(xù)發(fā)展,中國(guó)有望憑借規(guī)模效應(yīng)延續(xù)成本優(yōu)勢(shì)、建立技術(shù)優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)電解槽“生產(chǎn)在國(guó)內(nèi),應(yīng)用在全球”,進(jìn)而復(fù)刻鋰電、光伏產(chǎn)業(yè)的成績(jī)。

  ◆技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)

  電解槽的競(jìng)爭(zhēng)主要包括國(guó)家間技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)和不同技術(shù)路線競(jìng)爭(zhēng)。歐美日專利領(lǐng)跑,中國(guó)重視應(yīng)用創(chuàng)新。根據(jù)IEA數(shù)據(jù),日本在電解制氫方面的專利申報(bào)占比高達(dá)28%,全球第一;美國(guó)緊隨其后,達(dá)到13%;中國(guó)對(duì)于氫專利貢獻(xiàn)較少。氫云鏈認(rèn)為,主要原因是IEA統(tǒng)計(jì)的是國(guó)際專利,而中國(guó)企業(yè)多數(shù)情況下僅申報(bào)了國(guó)內(nèi)專利,同時(shí)國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段更重視在應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)突破,在發(fā)展中實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步。

  電解技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新,不同路線邊界趨向模糊。目前由于成本優(yōu)勢(shì),ALK產(chǎn)品在中國(guó)占據(jù)絕對(duì)市場(chǎng)地位,在歐洲也實(shí)現(xiàn)了對(duì)PEM的趕超。但在“綠電制綠氫”的需求推動(dòng)下,各類技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新,并開始趨同:從結(jié)構(gòu)看,ALK、PEM與AEM的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定互相借鑒、相互驅(qū)動(dòng)的趨勢(shì);從性能看,市場(chǎng)已經(jīng)出現(xiàn)在電流密度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)上媲美PEM的ALK產(chǎn)品;從成本看,PEM也逐漸向ALK接近。

  ◆貿(mào)易競(jìng)爭(zhēng)

  作為未來的大宗商品,與石油、天然氣類似,綠氫將同樣存在供需地理空間錯(cuò)配的情況,綠氫貿(mào)易前景廣闊、勢(shì)在必行。綠氫貿(mào)易的發(fā)展,需要滿足產(chǎn)能、需求、成本、基礎(chǔ)設(shè)施等一系列前提條件。

  發(fā)展綠氫貿(mào)易意義重大。各國(guó)發(fā)展氫能貿(mào)易的目的包括:一是搶占?xì)淠苌唐烦隹?,重?gòu)全球能源市場(chǎng)格局;二是保障氫能進(jìn)口,實(shí)現(xiàn)國(guó)家能源安全。

  綠氫貿(mào)易執(zhí)行難。受限于綠氫生產(chǎn)成本和運(yùn)輸成本等問題,現(xiàn)階段國(guó)際綠氫貿(mào)易大多處于探討階段。預(yù)計(jì)在綠氫產(chǎn)業(yè)進(jìn)入成熟期,成本、基礎(chǔ)設(shè)施等必要條件基本具備,市場(chǎng)上才會(huì)出現(xiàn)綠氫大規(guī)模國(guó)際貿(mào)易。


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