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,盡早實現(xiàn)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,搶抓國際市場機遇,推進燃料電池、電解槽等各項關(guān)鍵技術(shù)全面成熟,加快推動氫能在交通、工業(yè)、儲能等領(lǐng)域的重點應(yīng)用,是推動氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵所在。據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)計,到2025年,我國氫能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達到1萬億元;到2050年,氫氣需求量將接近6000萬噸,實現(xiàn)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10%,產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值達到12萬億元,成為引領(lǐng)經(jīng)濟發(fā)展的新增長極。
01 概述
氫能是氫和氧進行化學反應(yīng)釋放出的化學能,是一種二次清潔能源。根據(jù)氫制取過程的碳排放強度,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,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2050年將達到70%。
氫能來源廣泛,具有能量密度高、清潔安全、靈活高效、應(yīng)用場景廣泛、儲運方式多樣等優(yōu)點,是推動傳統(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(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瞄準的方向和攻關(guān)重點。
中國制氫主要技術(shù)及優(yōu)缺點比較對比
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。PEM電解槽由于成本高,商業(yè)推廣依然需要時間,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(nèi)外差距較大,大量依賴外國進口。
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(jù)主導(dǎo),全球市場占有率超過90%。國內(nèi)的質(zhì)子交換膜制造企業(yè)面臨技術(shù)、市場、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,陽光電源與中國科學院大連化學物理研究所合作推出SEP50PEM電解槽,功率為250kW,是目前國內(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)中游主要包括儲運氫和加氫站建設(shè)。儲運氫環(huán)節(jié),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(jié)成為我國氫能產(chǎn)業(yè)亟待攻克的環(huán)節(jié)。
三種氫儲運比較
由于成本低、使用方便、儲存條件易滿足等優(yōu)勢,高壓氣態(tài)儲運氫是目前儲運氫的主流方式。國內(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。
歐洲、美國、日本等國家和地區(qū)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(jié)已進入規(guī)?;瘧?yīng)用階段。我國液氫技術(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(氫透平膨脹機與低溫閥門等)仍然依賴于進口,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(wěn)定性等優(yōu)點,固態(tài)金屬氫化物儲運氫將成為我國未來發(fā)展的重點。目前,國內(nèi)金屬氫化物儲氫應(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。
儲運氫相關(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159座。美國的加氫站數(shù)量逐年提升,到2030年將超過韓國、日本、中國數(shù)量的總和。我國計劃到2030年建設(shè)1500座加氫站,加氫站數(shù)量正穩(wěn)步提升。未來,美國和亞洲將成為加氫站數(shù)量領(lǐng)先的國家和地區(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、韓國均已研發(fā)出氫燃料電池車輛并投放市場,我國氫燃料電池領(lǐng)域整體處于成長上升階段,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進口。
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。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(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),具備進行大規(guī)模示范運行的條件。但其他應(yīng)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(yīng)等領(lǐng)域有較大發(fā)展空間。
03 全球綠氫市場格局
綠氫是未來氫能發(fā)展的主流方向,是實現(xiàn)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(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爭,目前出現(xiàn)了歐美日韓等地區(qū)規(guī)劃快、市場慢,中國地區(qū)市場快、規(guī)劃慢等特點:歐美日韓等地在國家級政策、項目規(guī)劃方面先聲奪人,但實際進度相對較慢;中國在國家政策方面反應(yīng)較慢,但市場行動迅速,已經(jīng)在全球電解槽產(chǎn)能和裝機量上實現(xiàn)占比過半的成績。
◆主要國家綠氫規(guī)劃:歐美激進、中國“佛系”
到2030年,歐美綠氫產(chǎn)能規(guī)劃達到千萬噸/年,日韓也達到百萬噸級別。中國在國家層面僅提出在2025年實現(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,其中美國和歐洲分別占據(jù)全球14%/9%左右,對應(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)達到1000萬噸/年。根據(jù)IEA預(yù)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。
中國尚未綠氫產(chǎn)能提出中長期規(guī)劃。中國氫氣需求量占全球的30%,約2800萬噸,但中國對2030年目標無規(guī)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,政府不設(shè)定長期發(fā)展目標,由市場推動產(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(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)能是達成綠氫產(chǎn)能規(guī)劃的焦點,歐洲頻繁對電解槽產(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14GW,到2023年底預(yù)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(nèi)就實現(xiàn)了從“預(yù)期產(chǎn)能不足”到“產(chǎn)能嚴重過剩”的轉(zhuǎn)變。
電解槽有望實現(xiàn)“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)實現(xiàn)領(lǐng)跑全球,隨著電解槽市場持續(xù)發(fā)展,中國有望憑借規(guī)模效應(yīng)延續(xù)成本優(yōu)勢、建立技術(shù)優(yōu)勢,實現(xiàn)電解槽“生產(chǎn)在國內(nèi),應(yīng)用在全球”,進而復(fù)刻鋰電、光伏產(chǎn)業(yè)的成績。
◆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)路線競爭。歐美日專利領(lǐng)跑,中國重視應(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占比高達28%,全球第一;美國緊隨其后,達到13%;中國對于氫專利貢獻較少。氫云鏈認為,主要原因是IEA統(tǒng)計的是國際專利,而中國企業(yè)多數(shù)情況下僅申報了國內(nèi)專利,同時國內(nèi)現(xiàn)階段更重視在應(yīng)用上實現(xiàn)突破,在發(fā)展中實現(xiàn)技術(shù)進步。
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,ALK產(chǎn)品在中國占據(jù)絕對市場地位,在歐洲也實現(xiàn)了對PEM的趕超。但在“綠電制綠氫”的需求推動下,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)計有一定互相借鑒、相互驅(qū)動的趨勢;從性能看,市場已經(jīng)出現(xiàn)在電流密度、動態(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)易競爭
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配的情況,綠氫貿(mào)易前景廣闊、勢在必行。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。各國發(fā)展氫能貿(mào)易的目的包括:一是搶占氫能商品出口,重構(gòu)全球能源市場格局;二是保障氫能進口,實現(xiàn)國家能源安全。
綠氫貿(mào)易執(zhí)行難。受限于綠氫生產(chǎn)成本和運輸成本等問題,現(xiàn)階段國際綠氫貿(mào)易大多處于探討階段。預(yù)計在綠氫產(chǎn)業(yè)進入成熟期,成本、基礎(chǔ)設(shè)施等必要條件基本具備,市場上才會出現(xiàn)綠氫大規(guī)模國際貿(mào)易。
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