氢能源,商业化进程加速

发表时间: 2021-04-07 20:53:55

作者: 魏磊

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经过多年探索和发展,人类在氢能源产业领域已经取得了重大进展,各国也争相在氢能源领域投入重金进行研发,以期早日实现氢能源的大规模的生产和应用。千亿市值光伏龙头公司隆基股份正式宣布入局氢能,引爆氢能源板块集体大涨。氢能源商业化进程加速?

清明小长假过后的第一天,氢能源板块迎来了久违的集体大涨,涨停板股票个数达到近20只。引爆这一板块暴涨的是千亿市值光伏龙头公司隆基股份正式宣布入局氢能的一则消息,隆基股份旗下氢能科技公司已于3月31日注册成功,隆基创始人李振国亲自担任董事长、总经理。千亿级光伏巨头高调入局,充分说明了业界大佬对氢能源板块的未来十分看好,氢能源将来的前景值得期待。


氢能,终极的清洁能源


氢能源是一种二次能源和清洁能源,作为低碳和零碳能源,它是通过一定的物理或化学方法利用其它能源(包括可再生能源和清洁能源)制取的;氢燃烧的产物是水,是世界上最干净的能源,被誉为21世纪最具发展前景的、最理想的清洁二次能源;未来如果用储氢材料储氢,用氢燃料电池发电,将构成“净零排放”可持续利用的氢能系统,成为可再生能源之外实现“深度脱碳”的重要路径。


相比石油天然气等可以直接开采化石能源,氢能源有很多其他能源没有的优点,主要表现在:一是燃烧热值高,除核燃料外,氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的,为142,351千焦/千克,是汽油发热值的3倍,酒精的3.9倍,焦炭的4.5倍;二是点燃快、燃烧性能好 ,氢与空气混合时有广泛的可燃范围,而且燃点高,燃烧速度非常快;三是无毒无污染,与其他燃料相比氢燃烧时最清洁,除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质,少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境,且燃烧生成的水还可继续制氢,反复循环使用,能有效的减少温室效应,氢取代化石燃料能最大限度地减弱温室效应;四是氢能可以通过多种形态使用十分方便,以气态、液态或固态的金属氢化物出现,能适应贮运及各种应用环境的不同要求,可以降低运输成本,从全程效益考虑社会总效益优于其他能源;五是耗损少,可以取消远距离高压输电,代以远近距离管道输氢,安全性相对提高,能源无效损耗减小。六是资源丰富,作为氢能源来源的氢元素在宇宙中和自然界分布广泛,氢元素构成了宇宙质量的75%,取之不完用之不竭,一旦氢能源为人类高效利用将再无能源不足的后顾之忧。


氢能源产业链


经过多年探索和发展,人类在氢能源产业领域已经取得了重大进展,各国也在争相在氢能源领域投入重金进行研发,以期早日实现氢能源的大规模的生产和应用。氢能源产业链上游主要是制氢产氢,对氢气制取、储存、运输、加氢站对氢燃料电池系统进行氢气的加注,中游主要是氢燃料电池系统及零部件生产制造,下游主要是氢燃料电池应用等众多环节。


上游制氢产氢:氢可以通过多种方式制取,目前氢能制取的模式主要有三种:其一是煤制氢,即通过煤化工技术,煤炭经过气化、一氧化碳耐硫变换、酸性气体脱除、氢气提纯等关键环节,可以得到不同纯度的氢气。一般情况下,煤气化需要氧气,因此煤炭制氢还需要与之配套的空分系统。煤炭制氢涉及复杂的工艺过程,但目前技术日臻成熟,原料成本低,装置规模大,存在的问题是设备结构复杂、运转周期相对短、投资高、配套装置多;我国是以煤炭为主要能源的国家,随着我国成品油升级,各种加氢工艺应用越来越广,煤气化制氢相比干气和轻油制氢具有成本优势。目前,全球投入运营的煤气化厂达130座,其中80%位于我国。其二是可再生能源制氢,即在风资源或光资源丰富的地区用可再生能源电力将水分子在电解槽内分解为氢气和氧气,然后将“绿色氢气”像石油一样通过管道或专用船只输送到世界的各个角落。根据国际能源署最新出版的《The Future of Hydrogen》报告,使用可再生能源制氢,成本只有现在日本国内普遍使用的化石能源制氢的三分之一。目前,我国有大量可再生能源无法并网消纳,用可再生能源弃风、弃光、弃水来制氢,简易可行,技术上没有问题;运输方面,既可以通过长距离天然气管道运输,也可以通过类似液化天然气(LNG)的特殊船只运输。其三是工业制氢,即利用传统的化工等行业每年会产生的大量甲烷来继续生产氢气,同时捕获并掩埋二氧化碳(即所谓“碳捕获”),比从清洁能源生产氢气要便宜得多。


中游氢燃料电池生产及制造:氢燃料电池的核心是电堆,电堆涉及质子交换膜、扩散材料、催化剂等多种零部件和关键材料,将电堆和配件两大部分进行集成,形成氢燃料电池系统。受制于材料、加工制造等基础工业,目前中国燃料电池汽车产业链布局呈现“倒金字塔”形,集成类企业多,整车、电堆、电堆系统的集成方面较强,但关键材料及核心部件生产企业相对少,如电堆核心材料如气体扩散层,车载供氢系统的核心材料如碳纤维储氢材料、塑料储氢材料,关键阀件如瓶口阀、减压器、高压管路等还很不成熟。


下游氢能源应用:有多种方式,可以通过传统热机也可以通过燃料电池。由于燃料电池跳出了热循环的限制,因而具有更少的能量损失,能量利用效率更高。同时,燃料电池利用氢能源具有噪音小等优点。因此燃料电池是氢能源利用的理想形式。氢能源燃料电池下游有便携设备、固定式应用和交通运输式应用。商用车是目前中国燃料电池汽车的主要应用领域,产品种类主要包括大中型客车、轻型客车、轻型货车(物流车),主要参与企业包括宇通、中通、北汽福田、佛山飞驰、上海申沃、南京金龙、上汽大通、东风、奥新新能源等。


目前,全球制氢的最主要原料还是化石能源,全球氢气年产量约为7000万吨,其中76%以天然气为原料,剩余部分(23%)几乎都以煤炭为原料,电解法制氢仅占1%。每年氢气生产共消耗天然气约2050亿立方米(占全球天然气总消耗量6%),煤炭1.07亿吨(占全球煤炭总消耗量的2%)。尽管化石能源制氢技术相对成熟,但存在碳排放问题,加装碳捕捉与封存装置(CCS)是缓解碳排放的一个措施。随着近年来可再生能源发电成本快速下降,直接利用可再生能源电力电解水制氢成为关注焦点,这也是此次隆基股份高调入局氢能的核心要点所在。因此,从长期来看,可再生能源制氢是最终解决方案,因为这种方式产生的氢能源最节能、最环保、最高效,最符合清洁能源未来的发展方向。


氢能源面临的挑战


作为一种新兴能源,尽管近年来氢能产业发展迅速,已经具备了一定的产业化规模化基础,但还有不少现实问题和挑战亟待解决。


一是产业政策问题。相比光伏、风电等可再能源,目前国家对于氢能的支持仅出现于新能源发展等政策中,还没有专门的氢能政策,尚未制定专门的氢能产业发展规划,也没有出台能够提振市场预期的发展路线图,上下游产业不协调问题较为突出,氢能产业长期可持续发展将受到严重制约。同时,我国长期以来都将氢气作为危化品进行管理,应用领域局限在化学品,这对氢能源的大规模开发和利用也有不小的影响。


二是技术装备及安全问题。氢燃料电池装备关键零部件较多、系统较复杂,用材特殊、制作工艺繁琐,但我国相关核心技术和设备自主化程度不足,核心零部件和关键材料尚依赖进口。氢由化学品转为能源,在生产、储运、终端设施以及应用领域产品开发等全产业链上都需要有创新型技术作为长期支撑和引领。


三是基础设施问题。氢能基础设施尤其是加氢站的建设布局,在很大程度上限制了氢能经济的规模化,制约了氢能汽车的市场发展。截至目前,我国加氢站仅有寥寥数十座,分布到有关省市更是屈指可数,加氢站建设主体众多,缺乏国家统筹和政策配套措施。加氢站及相关基础设施的布局能否快速启动,其实又取决于氢成本的下降速度以及加氢站运营过程中政府的补贴力度。


四是发展成本问题。氢气需要二次制取,运氢、储氢、加氢各环节成本较高,引发人们对氢能经济性的质疑。现阶段相比光伏等,氢能成本还比较高,是技术原因,更是应用规模有限所致,未来产业规模化是降低氢能成本的关键。当前,可再生能源制氢成本高达3~7.5美元/千克,但随着可再生能源成本的下降和氢气产量扩大,到2030年利用可再生能源制氢的成本可以在目前的基础上下降30%。目前车用氢燃料电池的成本为230美元/千瓦,预计近期可以降到180美元/千瓦,远期下降到50~75美元/千瓦,届时高里程氢燃料电池汽车的经济性将超过电动汽车。


我国氢能产业发展现状


随着氢能应用技术发展逐渐成熟,以及国家应对气候变化压力的持续增大,中国氢能发展的好时机也正在到来。近年来,国家相关部委陆续密集出台政策引导并鼓励氢能和氢燃料电池技术的开发和发展,加速了氢能产业化进程。2018年2月,中国氢能联盟在北京正式成立,目的在于构建一个从制氢、储氢、运氢、加氢再到燃料电池,到电池动力转换系统,再到车辆的一套全新的配套系统工程,打造中国氢能国家体系。中国氢能联盟定位为国家级产业联盟,包括东方电气、三峡集团、中国中车、中国船舶、中国一汽等50多家来自能源生产、装备制造、交通运输、冶金材料等不同领域的企业、高校和科研机构加入。到2020年5月,全国已有近50个省、市、地区出台相关规划、政策,鼓励当地氢能及氢燃料电池汽车的发展。其中长三角、珠三角省市政策数量占地方政策总数的60%左右,这些政策涉及加氢站建设补贴、车辆推广应用补贴、氢能产业规划、重点项目研发等诸多方面;多地区通过氢能小镇、氢能产业园、氢能科技园等多种形式,鼓励氢能及氢燃料电池汽车发展。


2017年以来,上汽集团、潍柴集团、长城集团、雪人股份等国内大型企业纷纷调整业务战略或增加业务版块,快速布局氢能与氢燃料电池核心零部件产业,其中上市公司超过30家。2018年以来中国氢能源整车生产和推广应用规模快速扩大,其中2019年国内共生产燃料电池商用车超过3000辆,生产和应用规模跃居全球第一。2020年燃料电池汽车产销分别为1199辆和1177辆。截止2020年11月21日,我国共建成88座加氢站,位居世界第二,另有149座在建或规划当中的加氢站。根据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》显示,2025、2030年中国加氢站分别建成300、1500座,十年间年复合增速达31.1%。国家能源集团拥有煤气化炉80座,年产氢气总量达800万吨,约占全球氢气总产量的12%。目前,我国已形成京津冀、长三角、珠三角、华中、西北、西南、东北7个氢能产业集群,相关的产业配套和商业化应用体系也在逐渐探索和完善,在示范运营区域运行的各类汽车近4000辆,燃料电池商用车产销和商业示范应用的规模位居国际前列。


上游产业链方面:我国制氢规模已居世界首位,煤气化制氢和碱性电解水制氢具有特色和优势,但在可再生能源制氢技术等方面与国外相比有较大差距;储氢方面,我国固定式高压储氢技术和固态储氢材料研究处于国际先进水平,但在车载高压储氢及氢运输方面仍落后于国外先进技术,加氢站设施数量也较少,难以满足商业化条件;中国石化是国内最大的氢气生产企业,目前氢气年生产能力超350万吨,占全国氢气产量的14%左右,已在广东、浙江、上海、广西、贵州等地建成若干油氢合建示范站。“十四五”期间中国石化将布局 1000座加氢站或油氢合建站,打造“中国第一大氢能公司”。中国石化具有氢气提纯技术基础。2020年9月,拥有中国石化自主知识产权的首套高纯氢气生产示范装置在高桥石化成功投产。该装置以低成本的炼油装置副产氢气为原料,生产燃料电池车用高品质氢气,国内首次将炼厂副产氢气提纯至99.999%,远高于99.97%的燃料电池车用氢气国家标准。国家能源集团国华投资国内首座35兆帕/70兆帕双模商业加氢站国家能源集团则在氢能产业链及氢能装备方面深入布局。围绕其产业优势,国家能源集团初步形成了全国性的氢能项目的布局。比如,在如皋建成了国内第一个纯天候商业运营的加氢站,总的储氢能力大约600公斤,每天加氢能力大约1000公斤,是国内第一个行政审批完备、完全市场化开发、全天候、数字化的国际标准商业加氢站。在氢能科技研发上,一方面,国家能源集团要重点聚焦氢能的供给侧,另一方面,加强化工副产氢和用碳捕集技术以后的煤制氢。目前,国家能源集团在相关领域已具备多项发明专利。


中游产业链方面:在燃料电池应用侧方面,无论是燃料电池的核心零部件技术,还是燃料电池乘用车的各项指标,我国距离美日等世界先进水平还有一定差距。国家电投、东方电气等央企则侧重于研发氢燃料电池及其核心部件,突破核心技术,建立自主知识品牌。经过十年的核心技术创新与自主产品开发,东方电气已全面掌握了燃料电池核心零部件研制、电堆工程设计及系统集成与控制等关键技术,成功开发出具有完全自主知识产权的燃料电池系列产品,并已建成中国西部首条年产能1000套的燃料电池自动化生产线。位于四川德阳示范的100千瓦级 PEMFC分布式热电联供系统,可用于家庭住宅、酒店、公共设施等场景的小型热电联供系统,数据机房、信号基站等设施的备用电源等。上海一直是中国氢燃料电池研发和应用的重要基地,包括上汽、上海神力、同济大学等企业、高校,也一直在从事研发氢燃料电池和氢能车辆。


下游产业链方面:加氢站是氢能产业链中的重要环节,也是氢能下游应用和走向成熟的关键。东风集团、一汽集团和中国中车等央企也进行了深度布局。2020年1月2日,首台搭载由国家电投集团自主研发燃料电池电堆的氢能客车在宁波正式下线,车辆由中国中车集团生产,车长12米,续航里程达到了600公里。


总体来看,我国氢能源发展相比光伏、风电等可再生能源落后很多;与日韩等在氢燃料电池领域差距也很大,尤其是在电堆核心部件及关键材料、储氢瓶核心部件及关键材料领域还有很长的路要走。


氢能源未来前景


目前,全球氢能产业处于快速发展前期,全球主要氢能国家和地区共建成加氢站458座,另有255座在建或拟建的加氢站。预计随着技术研发和产业资本的持续投入,未来10~20年全球氢能产业将迎来快速发展的重大机遇期。根据国际氢能委员会预测,到2050年全球氢能占能源比重约为18%,氢能产业链产值将超过2.5万亿美元。


首先,政府在氢能发展的道路上发挥的作用将越来越大。现在已有18个国家制定了氢能发展战略,全球直接支持氢能源部署的政策总计约50项。美国自2010年以来,每年对氢能和燃料电池的资助达1亿~2.8亿美元。欧洲燃料电池和氢能联合组织于2019年2月发布《欧洲氢能路线图:欧洲能源转型的可持续发展路径》研究报告,提出了欧盟面向2030年、2050年的氢能发展路线图;欧盟委员会于2020年3月10日宣布成立“清洁氢能联盟”。日本将“氢能社会”纳入国家发展战略,2014年以来先后制定《第四次能源基本计划》《氢能基本战略》《第五次能源基本计划》《氢能与燃料电池路线图》,计划到2025年,燃料电池汽车数量达到20万辆,到2030年达到80万辆,燃料补给网络包括900个加氢站,是目前的9倍左右。中国在《中国制造2025》《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》等多个国家规划中,明确提出将“氢能与燃料电池”作为战略重点,《能源法(征求意见稿)》也首次将氢能列入能源范畴。加拿大正在制定国家氢能战略,以加速推进能源产业清洁转型;而德国则联合法国、荷兰、奥地利、比利时与卢森堡等国,呼吁欧盟尽快就氢能源技术进行立法并增加资金支持。


其次,越来越多的国家和机构投入到大型可再生能源制氢的研究与项目开发中。近日,由欧洲氢能组织、沙漠计划、非洲氢能伙伴计划、乌克兰氢能委员会等机构联合发布的《绿色制氢:欧洲2×4000万千瓦倡议》提出,在北非和欧洲地区分别建设4000万千瓦清洁光伏/风电电解制氢设备和互联互通管道设施,并预计到2025年制氢成本可降至1.62~2.16美元/千克。全球正在推进中的可再生能源制氢项目规模迅速扩大,从2019年10月份的320万千瓦提高到2020年3月底的820万千瓦,近期新增在建项目的单个容量都在10万千瓦及以上,主要分布在澳大利亚、法国、德国、葡萄牙、英国、美国、荷兰、巴拉圭。


氢能源产业链投资机会


氢能源产业链包括制氢、储氢、加氢站、燃料电池及汽车等重点环节,目前在交通领域应用占比较大,燃料电池汽车已进入商业化初期阶段,截止2020年底,我国燃料电池汽车保有量7352辆。在氢能源产业链投资上,最值得期望和有想象空间的方向是氢燃料电池汽车领域,最乐观的估计是有望复制纯电动汽车发展路径,也将通过产业链的规模化生产实现综合成本持续降低,从而带动产业链国内供应商快速成长,但目前仅处于产业链投资的初期。根据《节能与新能源汽车产业技术路线图》,我国规划到2030年燃料电池汽车保有量达到100万辆,加氢站超过1000座。

目前,A股涉及氢能源产业链的主要个股包括:

制氢:中石油、中石化、中国神华、鸿达兴业、金灵通。

储氢:中石油、中石化、中国神华、中材科技、深冷技术。

加氢:中石油、中石化、中国神华、雪人股份、美锦能源、潍柴动力、雄韬股份、厚普股份、富瑞特装。

燃料电池:潍柴动力、亿华通、美锦能源、雄韬股份、东方电气、大洋电机。


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氢能源,商业化进程加速
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