氫能是終極的清潔能源。

20世紀(jì)60年代以來(lái)，世界上許多國(guó)家和地區(qū)已廣泛開展了氫能源研究，但時(shí)至今日產(chǎn)業(yè)化尚未走出起步階段。當(dāng)前氫能概念再次火熱，三大氫燃料電池汽車示范城市群落地，多省市發(fā)布?xì)淠墚a(chǎn)業(yè)建設(shè)目標(biāo)，行業(yè)投融資持續(xù)攀升。2015年融資事件僅有5起，2020年增長(zhǎng)至31起，2021年繼續(xù)升溫，捷氫科技、未勢(shì)能源、愛(ài)德曼氫能等頭部企業(yè)紛紛獲得大額融資，預(yù)計(jì)全年融資總額達(dá)百億級(jí)別。企業(yè)、高校研究機(jī)構(gòu)、政府等主體從不同層面推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展，各路資本加快入局。

然而市場(chǎng)上仍存在很多不同的觀點(diǎn)和盲點(diǎn)，本報(bào)告將深入闡述我們對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的看法。

從投資角度看氫能，需要回答三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。通過(guò)展開三個(gè)問(wèn)題的分析，建立分析氫能產(chǎn)業(yè)的邏輯。

氫能需求確定性如何?

只有對(duì)氫能存在確定性需求，政府和市場(chǎng)才有動(dòng)力持續(xù)投入資源，推動(dòng)氫能成熟產(chǎn)業(yè)化。

1. 發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)是能源結(jié)構(gòu)變革的必然趨勢(shì)

當(dāng)今世界構(gòu)建在化石能源基礎(chǔ)之上。根據(jù)《bp世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒2021》統(tǒng)計(jì)，2020年全球一次能源消費(fèi)中石油、煤炭、天然氣合計(jì)占比超過(guò)83.1%?；茉磳俨豢稍偕Y源，地球上存量有限，而且導(dǎo)致了日益突出的溫室效應(yīng)和污染問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，必須控制碳排放。全球主要國(guó)家相繼制定碳達(dá)峰、碳中和計(jì)劃，中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的壓力最大，時(shí)間更緊迫。中國(guó)自2005年超過(guò)美國(guó)后，連續(xù)多年成為全球最大碳排放國(guó)?！禸p世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒2021》數(shù)據(jù)顯示，2020年全球碳排放總量達(dá) 322.84億噸，中國(guó)獨(dú)占全球30.66%份額，美國(guó)、印度、俄羅斯、日本占比分別為13.81%、7.13%、4.59%、3.18%。

化石能源燃燒是最主要的溫室氣體排放源，用可再生能源替代化石能源成為必選項(xiàng)。根據(jù)清華氣候研究院數(shù)據(jù)，中國(guó)碳排放供給端煤炭、石油、天然氣占比分別為76.6%、17%、6.4%，其中80%的煤炭用于發(fā)電和供熱;需求端(不計(jì)間接排放)電力、工業(yè)、建筑、交通占比分別為40.5%、37.6%、10.0%、9.9%。

可再生能源(風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能?，需要通過(guò)電能這種二次能源媒介連接消費(fèi)終端。據(jù)國(guó)網(wǎng)能源研究院預(yù)測(cè)，到2050年電力在我國(guó)終端能源消費(fèi)的比重將增長(zhǎng)至 47%，超出全球平均水平。電力具有供需實(shí)時(shí)平衡的特點(diǎn)，而可再生能源存在固有的間隙性、隨機(jī)與波動(dòng)性特點(diǎn)，發(fā)電并網(wǎng)時(shí)給電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來(lái)巨大壓力，導(dǎo)致了嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光、棄水等現(xiàn)象。中國(guó)氫能聯(lián)盟《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》統(tǒng)計(jì)顯示，可再生能源年棄電量約1000億千瓦時(shí)，隨著可再生能源發(fā)電裝機(jī)量增加，棄電問(wèn)題更加凸顯，阻礙了進(jìn)一步規(guī)模化開發(fā)利用。

可再生能源發(fā)電產(chǎn)生的波動(dòng)性問(wèn)題需要依靠?jī)?chǔ)能來(lái)解決。據(jù)《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告2020》測(cè)算，隨著可再生能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模的擴(kuò)大，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)調(diào)峰儲(chǔ)能方式將遭遇天花板，儲(chǔ)能需求將應(yīng)運(yùn)提高，到2030年可再生能源功率調(diào)節(jié)缺口將達(dá)到1,200GW，到2050年將擴(kuò)大至2,600GW。

氫能是實(shí)現(xiàn)可再生能源大規(guī)模、跨季節(jié)存儲(chǔ)及運(yùn)輸?shù)淖罴逊桨?。不同?chǔ)能方式在時(shí)間尺度與容量方面各有特點(diǎn)，氫能可以在保證經(jīng)濟(jì)性的條件下實(shí)現(xiàn)大規(guī)模長(zhǎng)周期儲(chǔ)能，存儲(chǔ)規(guī)模從百千瓦到吉瓦，存儲(chǔ)時(shí)間從小時(shí)到季節(jié)。氫能與電能同屬二次能源，容易與電能耦合，促進(jìn)電力與建筑、交通運(yùn)輸和工業(yè)之間的互連，建立互聯(lián)互通的現(xiàn)代能源網(wǎng)絡(luò)。而且氫能可作為大規(guī)模儲(chǔ)能介質(zhì)實(shí)現(xiàn)不連續(xù)生產(chǎn)，可顯著增加電力網(wǎng)絡(luò)的靈活性。

2. 國(guó)家能源安全需要擺脫對(duì)外資源依賴

交通運(yùn)輸對(duì)石油的消耗引發(fā)能源安全問(wèn)題?！?019 年國(guó)內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報(bào)告》顯示，2019 年，我國(guó)石油和原油對(duì)外依存度雙雙超過(guò)70%，不僅遠(yuǎn)超50%的安全線，而且呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。其中汽車在內(nèi)的交通部門石油消耗占比超過(guò)50%。減少汽車產(chǎn)業(yè)油品消耗事關(guān)國(guó)家能源安全。

單純依靠電動(dòng)化容易造成新的金屬原料依賴。鋰、鈷、鎳是動(dòng)力電池的關(guān)鍵材料。全球鋰、鈷、鎳資源的分布集中度較高且呈現(xiàn)寡頭壟斷特征，中國(guó)鋰資源雖然豐富但稟賦不佳，而鎳、鈷資源匱乏，鋰、鈷、鎳資源大量依賴進(jìn)口，對(duì)外依存度較高。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，中國(guó)鋰礦儲(chǔ)量全球占比7%，鈷礦占比1%，鎳礦占比3%。

氫能作為高熱值能源載體可替代燃油，而且氫能及氫燃料電池原材料不受地域性資源分布限制，可改變我國(guó)受制于人的局面。氫能能量密度(140 MJ/kg)是石油的 3 倍、煤炭的 4.5 倍，反應(yīng)過(guò)程可實(shí)現(xiàn)零碳排放。根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟發(fā)布的《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》，到2050年，氫能將在中國(guó)終端能源體系中占比達(dá)到10%，其中可再生能源制氫超過(guò)80%。中國(guó)具有廣闊的西部荒漠和良好的光照條件，每年可開發(fā)的“綠氫”資源超過(guò)3億噸，完全能夠滿足我國(guó)自給自足的氫能需求，甚至能在2050年實(shí)現(xiàn)千萬(wàn)噸級(jí)綠氫出口，這將從根本上改變我國(guó)能源戰(zhàn)略安全。氫燃料電池原材料均為常規(guī)材料，只有催化劑中用到貴金屬鉑，而且技術(shù)方面正在向超低鉑、無(wú)鉑化發(fā)展，亦不存在材料對(duì)外依賴。

3. 氫能需求規(guī)模

(1)氫能下游需求分布

氫能主要應(yīng)用于以下場(chǎng)景：

①交通運(yùn)輸：作為氫燃料電池燃料，應(yīng)用在汽車、船舶、有軌電車、無(wú)人機(jī)等;

②儲(chǔ)能：作為儲(chǔ)能介質(zhì)支持大規(guī)?？稍偕茉吹恼虾桶l(fā)電;

③建筑：通過(guò)分布式發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)為住宅和商業(yè)提供電和熱;

④工業(yè)：提供高品質(zhì)燃料和原料。

(2)氫能產(chǎn)業(yè)整體規(guī)模

根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟的預(yù)計(jì)，到2030年，中國(guó)氫氣需求將達(dá)到3500萬(wàn)噸，在終端能源體系中占比5%。到2050年氫能將在中國(guó)終端能源體系中占比至少達(dá)到10%，氫氣需求接近6000萬(wàn)噸，產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值約12萬(wàn)億元。

(3)氫燃料電池汽車行業(yè)規(guī)模

我國(guó)氫燃料電池汽車的發(fā)展采取先商用車后乘用車路線。根據(jù)工信部及汽車工程學(xué)會(huì)發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》，氫燃料電池汽車保有量實(shí)現(xiàn)2025年10萬(wàn)輛，2035年100萬(wàn)輛。以客車和城市物流車為切入領(lǐng)域，重點(diǎn)在可再生能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫豐富的區(qū)域推廣中大型客車、物流車，逐步推廣至載重量大、長(zhǎng)距離的中重卡、牽引車、港口拖車及乘用車等，實(shí)現(xiàn)氫燃料電池車更大范圍的應(yīng)用。

商用車優(yōu)先得到發(fā)展主要基于減少碳排放以及技術(shù)特性原因。商用車碳排放占比高，是交通運(yùn)輸領(lǐng)域首要減排對(duì)象。由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與燃燒方式的不同，商用車(絕大多數(shù)搭載柴油機(jī))的溫室氣體排放水平明顯高于乘用車，合計(jì)占比達(dá)到 77.3%。從技術(shù)特性劃分，基于續(xù)航、加氫速度、能量密度優(yōu)勢(shì)，氫燃料電池汽車適合固定路線、中長(zhǎng)途干線(400公里~800 公里左右)、高載重場(chǎng)景。純電動(dòng)汽車可滿足城市內(nèi)的公交、物流車、環(huán)衛(wèi)等短途行駛、電站豐富場(chǎng)景。

乘用車的發(fā)展可從用戶需求偏好和地理?xiàng)l件劃分。純電動(dòng)汽車能滿足市內(nèi)及中短途駕駛場(chǎng)景，氫燃料電池汽車是長(zhǎng)途駕駛及電站資源匱乏場(chǎng)景下的更好選項(xiàng)。

根據(jù)《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告2020》的測(cè)算，隨著氫燃料電池汽車滲透率逐步提升(如下表所示)，市場(chǎng)最終達(dá)到萬(wàn)億級(jí)規(guī)模。具體來(lái)看，2025年市場(chǎng)處于百億規(guī)模，2030年達(dá)到千億規(guī)模，2050年增加至萬(wàn)億規(guī)模。

4. 當(dāng)下氫能需求面臨快速增長(zhǎng)的原因

(1)關(guān)鍵技術(shù)取得產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

燃料電池電堆功率密度、壽命、冷啟動(dòng)等關(guān)鍵技術(shù)取得突破。2020年全球燃料電池裝機(jī)量達(dá)1319.4MW，2015-2020年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)35%;其中交通運(yùn)輸領(lǐng)域的需求上升尤為顯著，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)54%，2020年裝機(jī)量994MW，占總裝機(jī)量的75%，初步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

(2)成本瓶頸逐步被打破

根據(jù)《氫能源燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》，車用燃料電池系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)成本相比于21世紀(jì)初已下降80%-95%, 價(jià)格在49美元/KW(按年產(chǎn)50萬(wàn)臺(tái)計(jì)算)，接近內(nèi)燃機(jī)的30美元/KW。

(3)碳中和國(guó)策下，“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”新政引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入規(guī)?；?降本-技術(shù)提升良性循環(huán)

2020年9月，政府發(fā)布“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”新政，對(duì)入圍示范的城市群按照其目標(biāo)完成情況給予獎(jiǎng)勵(lì)。區(qū)別于早期購(gòu)置補(bǔ)貼政策，新政將獎(jiǎng)勵(lì)資金統(tǒng)籌用于上游技術(shù)突破、驅(qū)動(dòng)下游應(yīng)用及基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展，真正惠及產(chǎn)業(yè)鏈上下游玩家，盡量避免騙補(bǔ)等弊端。2021年9月國(guó)家示范城市群政策落地，地方開始密集推出配套政策。為期4年補(bǔ)貼政策將推動(dòng)產(chǎn)業(yè)規(guī)?；鸩?，進(jìn)入降本放量的良性循環(huán)。

氫能技術(shù)可行性如何?

氫能上下游鏈條長(zhǎng)，橫跨能源、交通、工業(yè)等領(lǐng)域，關(guān)鍵環(huán)節(jié)的技術(shù)可行性是貫通產(chǎn)業(yè)鏈的前提。一項(xiàng)技術(shù)是否可行，不僅要看實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，更要看是否能轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。站在投資的角度，判斷技術(shù)可行性最直接的角度是分析其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展。

在關(guān)鍵環(huán)節(jié)上，氫能相關(guān)技術(shù)均已實(shí)現(xiàn)突破，產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)奠定，未來(lái)進(jìn)入逐步調(diào)優(yōu)的階段。氫燃料電池汽車應(yīng)用是氫能產(chǎn)業(yè)的突破口，目前處在示范導(dǎo)入期，氫燃料電池是其中關(guān)鍵因素;氫能供給的成熟是大規(guī)模市場(chǎng)化的前提，尚處早期但發(fā)展路徑明確。

1. 氫燃料電池已跨過(guò)從0到1的階段

氫燃料電池效率極高，目前可達(dá)到50%，若實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供理論效率可達(dá)90%。對(duì)比之下，內(nèi)燃機(jī)熱效率最高的豐田發(fā)動(dòng)機(jī)能達(dá)到41%(理想條件下)，過(guò)去60年頂級(jí)內(nèi)燃機(jī)效率僅增加了10%。

質(zhì)子交換膜燃料電池是當(dāng)前技術(shù)成熟度最高的技術(shù)路線，具有啟動(dòng)快、工作溫度低、功率密度高等優(yōu)勢(shì)，尤其適合交通和固定式電源場(chǎng)景。根據(jù)E4Tech統(tǒng)計(jì)，質(zhì)子交換膜燃料電池裝機(jī)量全球占比近幾年保持在 75%左右水平。本節(jié)主要圍繞質(zhì)子交換膜燃料電池分析。

氫燃料電池及其零部件均已量產(chǎn)應(yīng)用，但部分關(guān)鍵零部件技術(shù)路線尚未成熟，國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化情況存在較大差距。氫燃料電池由電堆和系統(tǒng)輔助部件組成，此外系統(tǒng)控制策略對(duì)其壽命和可靠性有著重要影響。氫燃料電池八大關(guān)鍵零部件為催化劑、氣體擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜、膜電極、雙極板、電堆、空氣壓縮機(jī)、氫循環(huán)泵。

(1)電堆

電堆是整個(gè)電池系統(tǒng)的核心，包括由膜電極、雙極板構(gòu)成的各電池單元以及集流板、端板、密封圈等。國(guó)內(nèi)電堆功率與國(guó)外產(chǎn)品大致相當(dāng)，但系統(tǒng)可靠性、綜合壽命方面還需工況驗(yàn)證。

①膜電極(MEA)

膜電極是電堆的核心，提供發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，直接影響電池輸出性能和反應(yīng)效率。CCM(catalyst coated-membrane，催化劑/質(zhì)子交換膜組件)是第二代膜電極裝配工藝，目前被廣泛使用，具有高鉑利用率和耐久性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層是膜電極的關(guān)鍵材料，直接決定了氫燃料電池的功率密度和使用壽命。

A.質(zhì)子交換膜(PEM)

全氟磺酸膜是常用的商業(yè)化 PEM，屬于固體聚合物電解質(zhì)，具有質(zhì)子傳導(dǎo)率高、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿等優(yōu)異特性。目前質(zhì)子交換膜市場(chǎng)被國(guó)外壟斷，戈?duì)柟镜脑鰪?qiáng)復(fù)合膜占據(jù)了90%以上的份額，8微米產(chǎn)品成熟。國(guó)內(nèi)技術(shù)尚處于產(chǎn)業(yè)化初期，產(chǎn)品性能、可靠性尚有差距，處于送樣測(cè)試、小規(guī)模驗(yàn)證階段，但價(jià)格低30%-40%。

B.催化劑

催化劑是影響氫燃料電池活化極化的主要因素，是氫燃料電池的關(guān)鍵材料。催化劑選用需要考慮工作條件下的耐高溫和抗腐蝕問(wèn)題，常用的是擔(dān)載型催化劑 Pt/C(Pt 納米顆粒分散到碳粉載體上)。Pt是貴金屬，業(yè)內(nèi)一般采取小粒徑的 Pt 納米化分散制備技術(shù)，而且正在向低Pt載量、無(wú)Pt化方向研究。日本田中貴金屬、英國(guó)莊信萬(wàn)豐是催化劑的老牌廠商，根據(jù) GGII 統(tǒng)計(jì)，占據(jù)了國(guó)內(nèi)80%份額。國(guó)內(nèi)催化劑廠商處于送樣測(cè)試、小批量生產(chǎn)階段。

C.氣體擴(kuò)散層

空氣與氫氣通入到陰、陽(yáng)極上的催化劑層，需要穿越氣體擴(kuò)散層(GDL)，其性能對(duì)催化劑的電催化活性、電堆能量轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。氣體擴(kuò)散層還是燃料電池的“水管理中心”，通過(guò)對(duì)水的有效管理，可提高燃料電池的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性。研制親疏水性合理、表面平整、孔隙率均勻且高強(qiáng)度的氣體擴(kuò)散層材料，是氫燃料電池關(guān)鍵技術(shù)之一。

氣體擴(kuò)散層技術(shù)狀態(tài)成熟，但面臨挑戰(zhàn)是大電流密度下水氣通暢傳質(zhì)的技術(shù)問(wèn)題和大批量生產(chǎn)問(wèn)題，生產(chǎn)成本依然居高不下。具備穩(wěn)定供應(yīng)能力的企業(yè)主要有日本東麗、德國(guó) SGL 集團(tuán)、加拿大巴拉德和美國(guó) E-TEK 。國(guó)內(nèi)氣體擴(kuò)散層產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展較慢，處于送樣測(cè)試階段。

②雙極板(BPs)

雙極板又稱流場(chǎng)板，起到分隔反應(yīng)氣體、除熱、排出化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物(水)的作用，需滿足電導(dǎo)率高、導(dǎo)熱性和氣體致密性好、機(jī)械和耐腐蝕性能優(yōu)良等要求。根據(jù)基體材料種類的不同，雙極板可分為石墨板、金屬板。此外還有采用復(fù)合材料的復(fù)合板，目前市場(chǎng)應(yīng)用較少。

金屬板相比石墨板各有優(yōu)劣。從應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，石墨板更適合對(duì)體積質(zhì)量要求低、工況友好的場(chǎng)景;金屬板則適用場(chǎng)景更加多元化，尤其適合交通運(yùn)輸場(chǎng)景。相對(duì)而言，金屬板的工藝提升和降成本空間更大。兩條技術(shù)路線很可能會(huì)演繹出三元鋰和磷酸鐵鋰的格局。

石墨板生產(chǎn)已較為成熟，金屬板以豐田為代表最早實(shí)現(xiàn)突破，國(guó)內(nèi)以愛(ài)德曼氫能為代表的廠商近年來(lái)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，后來(lái)出現(xiàn)的廠商大多采用金屬板技術(shù)路線。

(2)系統(tǒng)輔助部件

電堆運(yùn)行需要?dú)錃夤?yīng)系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、水管理系統(tǒng)等外部輔助子系統(tǒng)(BOP)的配合，對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵零部件有氫循環(huán)泵、空氣壓縮機(jī)等。

①氫循環(huán)泵

水的平衡對(duì)PEMFC的電堆壽命具有重要意義，解決途徑是在電堆中引入氫氣循環(huán)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體吹掃、氫氣重復(fù)利用、加濕氫氣等功能。

氫循環(huán)泵制備難度較大，制造成本昂貴，為此發(fā)展出的單引射器、雙隱射器及其他方案則優(yōu)缺點(diǎn)鮮明，實(shí)現(xiàn)效果不完美。當(dāng)前市場(chǎng)氫循環(huán)泵是主流，引射器使用量逐漸增長(zhǎng)，據(jù) GGII 統(tǒng)計(jì)，2020 年國(guó)內(nèi)引射器出貨量占比為 11%。2020年之前國(guó)內(nèi)氫循環(huán)泵市場(chǎng)被德國(guó)普旭占據(jù)90%以上份額，近年來(lái)逐步開始國(guó)產(chǎn)化替代，但適配大功率電堆的氫循環(huán)泵尚不成熟。

②空氣壓縮機(jī)

空氣壓縮機(jī)可提供與電堆功率密度相匹配的氧化劑(空氣)?？諌簷C(jī)的寄生功耗很大，約占燃料電池輔助功耗的 80%，其性能直接影響燃料電池系統(tǒng)的效率、緊湊性和水平衡特性。離心式車載燃料電池空壓機(jī)因密閉性好、結(jié)構(gòu)緊湊、振動(dòng)小、能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，更具應(yīng)用前景，成為主流技術(shù)路線。其中軸承、電機(jī)是瓶頸技術(shù)，低成本、耐摩擦的涂層材料也是開發(fā)重點(diǎn)。根據(jù)GGII調(diào)研數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)離心式空壓機(jī)份額由2018年的 29%增長(zhǎng)到 2020年的95%，占比增長(zhǎng)超 3 倍?？諌簷C(jī)已經(jīng)較早的實(shí)現(xiàn)了全功率段國(guó)產(chǎn)化。

2. 氫能供給有著明確的發(fā)展路徑

國(guó)內(nèi)氫氣大部分來(lái)源于工業(yè)，90%以上氫氣亦用作工業(yè)原料。想實(shí)現(xiàn)氫能在交通運(yùn)輸、儲(chǔ)能、建筑等新領(lǐng)域的應(yīng)用，必須打破現(xiàn)有的氫氣供需結(jié)構(gòu)，增加供給量，打通輸送至消費(fèi)終端的渠道。

根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟發(fā)布的《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》，氫能從制氫、儲(chǔ)運(yùn)到加注各環(huán)節(jié)的發(fā)展路徑清晰。

(1)制氫

發(fā)展路徑：短期優(yōu)先選用工業(yè)副產(chǎn)氫，長(zhǎng)期采用可再生能源電解水制氫。

制氫技術(shù)路線按原料來(lái)源主要分為化石能源重整制氫、工業(yè)副產(chǎn)提純制氫和電解水制氫。生物質(zhì)直接制氫和太陽(yáng)能光催化分解水制氫等技術(shù)路線仍處于實(shí)驗(yàn)和開發(fā)階段，產(chǎn)收率有待進(jìn)一步提升，尚未達(dá)到工業(yè)規(guī)模制氫要求。

①工業(yè)副產(chǎn)提純制氫

在工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中，利用富含氫氣的終端廢棄物或副產(chǎn)物作為原料回收提純制氫。工業(yè)副產(chǎn)氫大部分有下游應(yīng)用，仍有30%以上被放空排放。《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告2020》統(tǒng)計(jì)顯示，從工業(yè)副產(chǎn)氫的放空量現(xiàn)狀看，氫氣供應(yīng)潛力可達(dá)450萬(wàn)噸/年，能支持超97萬(wàn)輛公交客車的全年運(yùn)營(yíng)，適合短期內(nèi)作為氫氣的供給來(lái)源。

工業(yè)副產(chǎn)氫按不同來(lái)源存在地域性分布差異，適合在短距離內(nèi)提供低成本、分布式氫源。長(zhǎng)期來(lái)看，鋼鐵、化工等工業(yè)領(lǐng)域深度脫碳，將從氫氣供給方轉(zhuǎn)變?yōu)樾枨蠓?，工業(yè)副產(chǎn)制氫無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定供應(yīng)。

②化石能源重整制氫

通過(guò)煤炭、天然氣等能源通過(guò)重整生成氫氣，技術(shù)路線十分成熟，單位制氫成本最低，是全球主要的制氫方式。中國(guó)由于“富煤、缺油、少氣”的資源稟賦特點(diǎn)，主要使用煤制氫技術(shù)路線，占全國(guó)制氫量的60%以上;全球范圍則主要使用天然氣制氫。

煤制氫需要使用大型氣化設(shè)備，設(shè)備投入成本較高，只有規(guī)?；a(chǎn)才能降低成本，因此適合中央工廠集中制氫，不適合分布式制氫。

短期看化石能源制氫仍是最大的氫氣來(lái)源，但其存在碳排放問(wèn)題，中期利用需結(jié)合碳捕捉技術(shù)，當(dāng)前應(yīng)用少，成本高，導(dǎo)致價(jià)格優(yōu)勢(shì)逐漸降低?；茉粗茪湓斐刹豢稍偕茉吹南模痪邆溟L(zhǎng)期大規(guī)模應(yīng)用基礎(chǔ)。

③電解水制氫

將正負(fù)電極插入水中并通直流電制取氧氣。技術(shù)路線方面，堿性電解槽技術(shù)最為成熟，生產(chǎn)成本較低，基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化;質(zhì)子交換膜電解槽流程簡(jiǎn)單，能效較高，但因使用貴金屬電催化劑等材料，成本偏高，關(guān)鍵材料和技術(shù)依賴進(jìn)口;固體氧化物水電解槽尚處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。

當(dāng)前電解水制氫占制氫量比例極低，不足1%，主要原因是成本不經(jīng)濟(jì)，而且火電為主的電力結(jié)構(gòu)仍會(huì)產(chǎn)生污染。電價(jià)占總成本達(dá)70%以上，當(dāng)電價(jià)低于0.3元/千瓦時(shí)，電解水制氫成本接近化石能源制氫。火電制氫會(huì)造成更高的碳排放，是化石能源制氫的3-4倍。

長(zhǎng)期來(lái)看，可再生能源發(fā)電制氫的潛力最大。據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟預(yù)測(cè)，2050年無(wú)污染綠氫的供應(yīng)比例達(dá)到70%。一方面，成本問(wèn)題隨著可再生能源發(fā)電成本降低得到解決。據(jù)中國(guó)氫能促進(jìn)會(huì)預(yù)測(cè)，考慮到各地資源稟賦和政策因素，2030年前部分可再生資源優(yōu)勢(shì)區(qū)域綠氫成本將率先實(shí)現(xiàn)與灰氫平價(jià)，這是氫能取代柴油的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。另一方面，當(dāng)波動(dòng)性可再生能源在電源結(jié)構(gòu)中占到較高比重時(shí)，必須依靠氫能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期儲(chǔ)能，以保持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)儲(chǔ)運(yùn)

發(fā)展路徑：按照“低壓到高壓”、“氣態(tài)到多相態(tài)”的技術(shù)發(fā)展方向，逐步提升氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸能力。

當(dāng)前，我國(guó)氫能示范應(yīng)用主要圍繞工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫地附近(小于200公里)布局，氫能儲(chǔ)運(yùn)以高壓氣態(tài)方式為主。前期(2030年以前)，儲(chǔ)存將以70MPa氣態(tài)方式為主，輔以低溫液氫和固態(tài)儲(chǔ)氫，運(yùn)輸將以 45MPa 長(zhǎng)管拖車、低溫液氫、管道輸運(yùn)(示范)等方式，因地制宜發(fā)展。中期(2030年~2050年)，儲(chǔ)存將以氣態(tài)、低溫液態(tài)為主，多種儲(chǔ)氫技術(shù)相互協(xié)同，運(yùn)輸將以高壓、液態(tài)氫罐和管道輸運(yùn)相結(jié)合。遠(yuǎn)期(2050年以后)，儲(chǔ)存將采用更高儲(chǔ)氫密度、更高安全性的技術(shù)，氫氣管網(wǎng)將廣泛分布用于運(yùn)輸。

①儲(chǔ)存

技術(shù)路線方面，氫氣的儲(chǔ)存主要有氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫三種方式。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫已得到廣泛應(yīng)用，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫在航天等領(lǐng)域已得到應(yīng)用，有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫尚處于示范階段。此外，氨作為一種富氫無(wú)碳化合物，可作為有效、安全的儲(chǔ)運(yùn)氫能載體，目前日本、阿聯(lián)酋、澳大利亞等國(guó)已將“氨”納入其政府能源戰(zhàn)略之中，但氨氫儲(chǔ)運(yùn)仍存在腐蝕性、轉(zhuǎn)換效率等技術(shù)難題有待突破。

氣態(tài)儲(chǔ)氫具有充放氫氣速度快、容器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。碳纖維纏繞高壓氫瓶的開發(fā)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫瓶由固定式應(yīng)用向車載儲(chǔ)氫應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。國(guó)外IV 型瓶已成為主流技術(shù)，國(guó)內(nèi)正從III 型 35MPa 向 IV 型 70MPa 技術(shù)過(guò)渡。

②運(yùn)輸

與儲(chǔ)存相似，氫氣運(yùn)輸分為氣態(tài)運(yùn)輸、液態(tài)輸運(yùn)和固態(tài)輸運(yùn)三種方式。氣態(tài)運(yùn)輸是主流方式，國(guó)外液態(tài)運(yùn)輸也成為一種重要方式，固態(tài)運(yùn)輸尚未成熟。

高壓氣態(tài)長(zhǎng)管拖車是氫氣近距離輸運(yùn)的主要方式，技術(shù)較為成熟，國(guó)內(nèi)常以 20MPa 長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫，單車運(yùn)氫約 300 公斤，國(guó)外則采用 45MPa 纖維纏繞高壓氫瓶長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫，單車運(yùn)氫可提至 700 公斤。管道氣態(tài)運(yùn)輸是實(shí)現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)挠行Х绞?，但一次性投資較大，僅有少量應(yīng)用。

液態(tài)運(yùn)輸適用于距離較遠(yuǎn)、運(yùn)輸量較大的場(chǎng)景。日本、美國(guó)已將液氫罐車作為加氫站運(yùn)氫的重要方式之一，我國(guó)僅在航空航天運(yùn)用液氫技術(shù)。

(3)加注

發(fā)展路徑：政府補(bǔ)貼驅(qū)動(dòng)提高分布密度，關(guān)鍵技術(shù)國(guó)產(chǎn)化降低投資成本。

不同來(lái)源的氫氣經(jīng)氫氣壓縮機(jī)增壓后，儲(chǔ)存在高壓儲(chǔ)罐內(nèi)，再通過(guò)氫氣加注機(jī)為氫燃料電池汽車加注氫氣。加氫站的技術(shù)路線分為站內(nèi)制氫技術(shù)和外部供氫技術(shù)。國(guó)內(nèi)加氫站主要是外部供氫，因氫氣按照危化品管理，制氫站只能放在化工園區(qū)內(nèi)。

加氫站分布密度左右了氫燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。前期加氫站建設(shè)離不開政府補(bǔ)貼的支持，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看需依靠加氫站盈利能力提升。加氫站是否能盈利，取決于投資成本、運(yùn)營(yíng)成本和運(yùn)行負(fù)荷(加氫量)。目前關(guān)鍵設(shè)備(壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫罐、加注設(shè)備、冷卻設(shè)備)依賴進(jìn)口導(dǎo)致投資成本過(guò)高，但國(guó)產(chǎn)化已經(jīng)起步。由于下游尚未大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，運(yùn)行負(fù)荷不足，投資成本、運(yùn)營(yíng)成本難以攤薄，加氫站較難實(shí)現(xiàn)盈利。

全球加氫站數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，中國(guó)已躍居首位。H2stations統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2020年底，全球共有560個(gè)加氫站投入運(yùn)營(yíng)，自2014年以來(lái)連續(xù)增長(zhǎng)。截至2021年11月，我國(guó)已經(jīng)累計(jì)建成各類加氫站超過(guò)190座，在營(yíng)加氫站超過(guò)157座，超過(guò)日本位居世界首位。根據(jù)官方規(guī)劃，2025年將建成1000座，2035年建成5000座，最終建成12000座，覆蓋全國(guó)范圍的加氫需求。

氫能應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性如何?

在技術(shù)可行的前提下，大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化還需跨越應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性門檻。

從消費(fèi)者角度分析，當(dāng)全生命周期成本(TCO，Total Cost of Ownership，衡量產(chǎn)品生命周期內(nèi)各個(gè)階段累計(jì)成本)達(dá)到與競(jìng)品的平衡點(diǎn)時(shí)，市場(chǎng)滲透率將迎來(lái)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)前由于氫燃料電池技術(shù)成熟度不夠、關(guān)鍵零部件及材料依賴進(jìn)口、氫能供給不充足等原因，氫燃料電池汽車TCO高于燃油車，應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)尚未顯現(xiàn)。

氫燃料電池汽車TCO主要包括購(gòu)置成本、使用成本、維護(hù)成本。通過(guò)拆解某35噸級(jí)氫燃料電池重卡分析，購(gòu)置成本、使用成本分別占TCO的28%、71%。

1. 購(gòu)置成本降低的核心在于電堆降本

氫燃料電池是整車的主要成本項(xiàng)，當(dāng)前占比達(dá)62%，而且不像車身系統(tǒng)的成本剛性，其價(jià)格水平?jīng)Q定了購(gòu)置成本的經(jīng)濟(jì)性。穿透來(lái)看，電堆中的催化劑、雙極板、質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層合計(jì)占整車成本達(dá)49%，而且其生產(chǎn)成本優(yōu)化空間大，決定了未來(lái)降本空間。

(1)降本步入快車道

近三年燃料電池系統(tǒng)售價(jià)降低了60-70%，預(yù)計(jì)到2025年仍有60%的下降空間。根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》，商用車電堆價(jià)格在2025年、2035年分別下降至1,200元/kW和400元/kW，氫燃料電池系統(tǒng)價(jià)格在2035年降至1,000元/kW以內(nèi)。

(2)降本驅(qū)動(dòng)因素

①第一階段：2025年之前，產(chǎn)銷量處于低水平，降本依靠技術(shù)進(jìn)步。

A.材料替換

通過(guò)持續(xù)研發(fā)實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線的迭代，在保證性能的前提下，替換部分價(jià)格高的原材料。比如催化劑的低Pt、無(wú)Pt化，雙極板的材質(zhì)選用不銹鋼、涂層靶材選擇非貴金屬材料。

B.工藝改進(jìn)

通過(guò)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)流程、生產(chǎn)工藝等方面，減少原材料用量或消耗。比如同樣功率的電堆，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)減少電池節(jié)數(shù)。

C.國(guó)產(chǎn)化

氫燃料電池成本高企，一大原因是國(guó)產(chǎn)技術(shù)尚未成熟，關(guān)鍵零部件或原材料依賴進(jìn)口，價(jià)格高昂。這種現(xiàn)狀正在改善，如氫循環(huán)泵，價(jià)格已由2019年純進(jìn)口時(shí)期的3萬(wàn)元/臺(tái)，降至2020年國(guó)產(chǎn)化起量時(shí)期的1-2萬(wàn)元/臺(tái)，降幅明顯，未來(lái)仍有下降空間。

氫燃料電池系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化程度已從2017年的30% 提高到2020年的60%-70%。電堆、膜電極、雙極板、氫循環(huán)泵、空壓機(jī)等核心部件均已自主生產(chǎn)，質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴(kuò)散層等核心材料也在加速研發(fā)中，處于送樣測(cè)試驗(yàn)證階段，業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)未來(lái)2-3 年全面實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。

②第二階段：2025年之后，產(chǎn)銷量增加至數(shù)萬(wàn)臺(tái)水平，規(guī)模效應(yīng)顯現(xiàn)。

隨著技術(shù)成熟度提升，技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的降本效應(yīng)減弱。產(chǎn)銷量增加導(dǎo)致單位生產(chǎn)成本攤薄，規(guī)模效應(yīng)增強(qiáng)。按照美國(guó)能源部預(yù)測(cè)，假定按照 2017 年靜態(tài)技術(shù)水平下，隨著產(chǎn)量增加氫燃料電池系統(tǒng)成本下降明顯。從行業(yè)1千臺(tái)產(chǎn)量增加至50萬(wàn)臺(tái)產(chǎn)量，系統(tǒng)成本將從216美元/kW降至53美元/kW，降幅達(dá)75%;電堆成本將從154美元/kW降至26美元/kW，降幅達(dá)83%。

2020年全國(guó)氫燃料汽車銷量為1,177輛，行業(yè)尚處在千臺(tái)規(guī)模。預(yù)計(jì)到2025年，在官方規(guī)劃的10萬(wàn)臺(tái)保有量目標(biāo)，以及為期4年“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”補(bǔ)貼新政驅(qū)動(dòng)下，國(guó)內(nèi)電堆生產(chǎn)規(guī)模將突破萬(wàn)臺(tái)水平，規(guī)模效應(yīng)下電堆及系統(tǒng)的價(jià)格將下降50%以上。隨著滲透率提升，購(gòu)置成本將進(jìn)一步下降。

2. 使用成本降低取決于氫耗水平以及終端氫氣銷售價(jià)格

隨著氫燃料電池技術(shù)進(jìn)步與整車性能優(yōu)化，車輛的綜合氫耗水平逐步下降。氫氣終端加注價(jià)格取決于制取、儲(chǔ)運(yùn)、加注三大供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)的成本。當(dāng)前氫能上游基礎(chǔ)設(shè)施與下游市場(chǎng)相互制約，市場(chǎng)規(guī)模小導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)鏈固定成本分?jǐn)偛蛔悖瑲錃庵苾?chǔ)運(yùn)加各環(huán)節(jié)尚未有效打通，各種技術(shù)路線尚處于發(fā)展階段，導(dǎo)致氫氣終端銷售價(jià)格偏高。根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》，預(yù)計(jì)到2025年、2030年，我國(guó)氫氣終端銷售價(jià)格將分別降低至40元/kg、25元/kg，降幅明顯。

3. 在全補(bǔ)貼情景下，重卡從2023年開始逐步實(shí)現(xiàn)TCO平價(jià)

重卡作為最適合氫能應(yīng)用的車型，其TCO平價(jià)時(shí)間是氫能滲透率提升的重要節(jié)點(diǎn)。國(guó)際清潔交通委員會(huì)全面分析了中國(guó)三個(gè)典型城市(北京、上海、深圳)，分別代表不同緯度和地理特征。在政府實(shí)施一攬子補(bǔ)貼政策的情景下，2023-2026年將逐步實(shí)現(xiàn)載貨汽車、自卸汽車、半掛牽引車三種主流重卡車型的TCO平價(jià)。

總結(jié)

氫能是實(shí)現(xiàn)碳中和不可或缺的一環(huán)，未來(lái)將催生十萬(wàn)億級(jí)別的市場(chǎng)，各產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)都將從中受益。當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)已跨過(guò)從0到1的技術(shù)階段，正步入降本應(yīng)用的良性循環(huán)。從中央到地方的扶持政策正形成一個(gè)完整的體系。本輪氫能發(fā)展熱潮不再是概念的炒作，背后是堅(jiān)實(shí)的邏輯支撐，受益于此，創(chuàng)業(yè)和投融資環(huán)境也在快速變熱。