(报告出品方/作者:中国平安,刘永来)
1:国内外现状及远景:对标欧美、加速布局,前景广阔
氢能源是涉及化工、物流、燃料电池、机械装备和汽车的新兴产业
氢能源在全球和中国的兴起主要的推动因素是碳达峰和碳中和的需求,年中国碳达峰之后,为满足年碳中和的要求,预计每年需要减排约3亿吨二氧化碳。因此除了装置节能改造、光伏风电、CCUS等手段之外,在能源领域用低碳能源和无碳氢气代替传统的化石能源成为推动双碳战略的选项之一。
在政策的刺激下,目前国内氢能源产业已经开始加速发展,氢能源产业链较长,分为上游的氢气生产、净化、储运和气加注,中游的燃料电池以及相关零部件的生产,下游的氢能源汽车的生产制造和运营。
目前中国的氢气生产及其能源应用已经有了一定的基础,具体来看制氢(包括净化)技术成熟,但是在双碳战略和氢能源车推广的要求下,制氢成本和制氢中的碳排放有待降低;储运主要针对化工用户,针对加氢站的储运产业刚刚起步;加氢站呈零星点状分布,有待进一步建设;燃料电池关键材料和零部件与国外差距较大,但国内企业在奋起直追;氢能源汽车公交车和短程试运营车为主,乘用车较少,但长期增长空间值得期待。
氢能与锂电可以互补,未来氢能在发电和供热等领域有潜在应用
氢能源汽车是未来氢能利用的最主要方向,锂电池驱动的汽车相比,氢燃料电池汽车具有非常明显的优点:a.无污染:氢燃料电池的电化学反应产物只有水。不产生任何对环境有污染的物质。b.高效率:燃料电池的发电效率可以达到50%以上,还有进一步提升的空间,这是由燃料电池的转换性质决定的,直接将化学能转换为电能,不需要经过热能和机械能(发电机)的中间变换。c.续航里程优秀:以丰田Mirai为例,最大功续航里程可达km以上。d.加注氢气时间短:3-5分钟即可完成氢燃料的加注,而加注形式也和汽油车加油类似。
氢燃料电池汽车和采用锂电池的纯电动汽车都是新能源汽车的重要技术路线。技术特点及发展趋势,纯电动汽车更适用于城市、短途、乘用车等域,而氢燃料电池汽车更适用于长途、大型、商用车等领域。我们认为氢燃料电池汽车将与纯电动汽车并存互补,共同满足交通运输和人们的出行需要。此外,未来的氢气应用场景中还可能包括氢气发电、燃料电池热电联产、氢气热泵、氢气冶金、天然气掺氢等方式,上述领域技术在发展过程中(有些技术问题需要解决,比如氢气对金属的腐蚀、冶金起氢脆风险的控制等等),但产业化阶段还处于期。
中国氢能源的政策体系和标准规范正在逐步形成
自从年《国家中长期科学和技术发展规划纲要(-年)》提出将“氢能及燃料池技术”作为未来能源技术发展方向之一以来,截止年底,据不完全统计中国已经发布了至少35项氢能源相关的政策;此外接近30个省份出台了省级的氢能源规划,制氢、储运和燃料电池的相关标准也日渐成熟。在政策的助力下,中国的氢能源预计将迎来快速发展期。
当前的政策方向主要包括:完善氢能源管理的标准(例如是否从危化品转为能源进行管理)、鼓励低成本制氢、推进高安全低成本储运体系建立、提高关键设备和材料国产化等方面入手。不过值得注意的是,政策的鼓励固然是好事,但需要警惕投资主体多样化所导致的投资过热,前氢能源在中国处于起步阶段,不顾市场实际求盲目“大跃进”对行业的健康发展有害无利。(报告来源:未来智库)
现状:氢气的化工应用较为成熟,但氢气的能源应用正在兴起
目前我国氢气主要是合成氨、炼油和甲醇企业在生产,用途也主要集中在上述领域,由于多数是化工企业内部使用,所以在统计上不是很透明,有万吨和万吨两种说法,从原料角度来说主要来自化石能源制氢和工业副产氢(主要是丙烷脱氢、氯碱和乙烷裂解)。根据莫尼塔的统计,中国年氢气的消费量超过万t,基本全部用于工业.其中生产合成氨用氢占比为37%、甲醇用氢占比为19%、炼油用氢占比为9%、直接燃烧占比为16%。传统产氢和用氢行业积累了丰富的氢气生产储运和利用经验,给氢能相关技术标准的建立和完善奠定了基础。
供应体系有待时间进行完善:成本、安全性和碳排放将是关键因素
中国氢能源供应体系预计在未来30年发生较为显著的演化,而成本、安全性和碳排放将是影响这种演化的主要因素,从制氢路线上来说,当前最适合氢能源汽车的制氢路线是化工副产氢(低成本副产品、较高的纯度和净化成本、供应稳定、碳排放较少),而远期来看将逐渐过渡到可再生能源电解水制氢为主;必要时化石能源制氢结合CCUS也是可选择的路线之一(未来可能出现CCUS商业化之后把该部分成本考虑进去);储运方面预计从当前的高压储罐过渡到液氢和高压储罐并行,管道和固态储氢作为补充(当然以液氨等化工作为储氢材料也在讨论);加氢站方面,从当前的合建站零星分布过渡到多元化网络化的氢能基础设施体系。
2:制氢、储运和加注现状及如何布局相关的化工股
2.1:制氢:成本、安全性和碳排放是主要的考虑因素
制氢成本直接影响氢气供应总成本,降成本是大势所趋
氢气生产的原料成本约占氢气零售价格的一半,因此低成本的制氢原料对于氢能源车的经济性具有十分重要的意义,当前全球和中国的氢气主要以煤炭和天然气为主,制氢价格高且波动大。氢能产业初期,氯碱工业、丙烷脱氢和炼焦副产的氢气是氢能源汽车的最佳的氢气来源,副产的氢气成本较低,经过提纯后可用于氢燃料电池,且目前副产氢以低附加值利用为主,企业有动力转换应用场景。化石燃料制氢工艺中,煤制氢和天然气制氢的经济性远好于其他制氢路线,尤其是在煤炭资源丰富的中国。但是碳排放已经成为影响煤制氢经济性的重要因素,如果采用煤制氢+CCUS的方式,则煤制氢将不再具有经济性。
化工副产氢是短期最合适的燃料电池用氢来源
化工副产氢是短期最合适的燃料电池用氢来源,国内焦炉煤气回收、氯碱、PDH和乙烷裂解行业可提供充足氢气资源,据不完全统计目前中国化工副产氢规模达到万吨以上,可以供接近万辆氢燃料电池公交车使用。跟煤炭天然气直接制氢相比,具有碳排放低的优点;目前副产氢的主要利用方式是生产盐酸和双氧水等低附加值产品,或者直接当做燃料气烧掉,价值没有得到很好的利用,如果转换为氢能源的应用场景,长期来看可以给企业带来额外的收益;尤其值得一提的是,PDH和乙烷裂解等集中分布在沿海发达地区,与氢能源重点发展地区相匹配,是当前阶段最为理想的氢气来源。
长期来看电解水制氢是终极路线,但目前成本不占优势
利用可再生能源电解水制氢从碳排放角度看是一条终极路线,尤其是在弃风弃光比较严重的西北地区,可以同时解决光伏风电的利用率问题和发展氢能的问题。但当前的成本的问题依然没有解决,且只有个别企业在进行试点布局,其中燕山石化已经建成投产Nm/h电解水制氢及氢气提纯设施,这是中国石化首套质子交换膜(PEM)制氢示范站,配套建立了可实时监控高纯氢质量的在线分析检测设施,氢气纯度达99.%,电池氢产品已成功销往北京市4座服务冬奥的加氢站及北京市场。而煤化工龙头宝丰能源近期拟以自有资金10亿元在宁夏宁东设立全资子公司,通过太阳能发电制取绿氢用于化工生产,实现新能源替代化石能源,减少煤炭消耗和二氧化碳排放。(报告来源:未来智库)
质子交换膜:电解水制氢和燃料电池的关键材料,国产化进行中
不论是在PEM电解水装置中还在在燃料电池电堆中,质子交换膜都是核心的部件,目前水电解制氢所用质子交换膜多为全氟磺酸膜,制备工艺复杂,长期被美国和日本企业垄断,其中杜邦Nafion系列膜具有低电子阻抗、高质子传导性、良好的化学稳定性、机械稳定性、防气体渗透性等优点,是目前电解制氢选用最多的质子交换膜(主要使用Nafion、Nafion、Nafion和Nafion系列)。虽然德日和国内也有不少在研和送样测试产品,但从工程应用角度考虑,暂时还无法替代杜邦的产品。
随着氢气成本的降低,非化工应用场景的经济性将逐渐凸显
氢气供应成本的降低将显著扩大目前非化工用氢的经济性,根据氢能联盟基于国际能源署和美国能源部数据所做的一份研究,若制氢成本为2.50美元/千克,则氢能源约可满足全球能源需求的8%。到年,制氢成本降为1.80美元/千克,则氢能源约可满足全球能源需求的15%。虽然这并不意味着年氢能源可以满足所有能源需求,但表明,未来的能源体系中氢能源将作为清洁能源载体将发挥重要作用,预计到年氢能源可满足全球终端能源需求的18%。而供氢成本的降低需要打制氢、储运以及碳管理等“组合拳”。
2.2:储运:高压和低温远期将并存,
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