新能源：制氢行业专题报告.docx

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1、新能源：制氢行业专题报告1 .政策先行，氢能起势十三五、十四五”期间，政策频频出台，推动氢能加速发展。2019年两会期间，氢能被首次写入政府工作报告。2020年4月，氢能被写入中华人民共和国能源法（征求意见稿）。2022年发改委、能源局颁布了氢能产业发展中长期规划（2021-2035年），明确了氢能在我国能源绿色低碳转型中的战略定位、总体要求和发展目标。2023年发改委发布产业结构调整指导目录（2023年本，征求意见稿），涉及氢能应用领域包括电力、新能源等11个方面。2023年8月，我国首个氢能产业链标准体系建设指南发布，涵盖基础与安全、氢制备、氢储存和输运、氢加注、氢能应用五个子体系。随着国

2、家政策的持续加码，氢能将在我国得到长远的发展。根据氢能产业发展中长期规划（2021-2035年），至2025年，交通、工业、储能、发电等领域试点示范将稳步开展，可再生能源制氢量将达到IO-20万吨/年，成为新增氢能消费的重要组成部分。至2030年，中国将逐步建成较为完备的清洁能源制氢及供应体系，对实现碳达峰战略目标形成支撑。根据开启绿色氢能新时代之匙:中国2030年可再生氢100”发展路线图预测，到2030年，可再生氢供给量将达到770万吨。考虑到区域经济、产业适用特点，可再生氢将率先在化工、交通、钢铁等技术成熟度较高和应用可行性较好的部门规模化应用。2 .灰氢是目前最主要的氢气来源主要的制氢

3、方式包括化石燃料制氢、工业副产制氢和水电解制氢等三类。化石燃料制氢技术成熟度高，成本低，以煤和天然气制氢为主，制氢过程中会排出二氧化碳等温室气体。工业副产制氢是指以包含氢气的工业尾气为原料，通过变压吸附法（PSA法）回收提纯制氢；由于原料属于工业副产品，无需额外的原料投入，因此具有成本低廉的特点。电解水制氢是指通过直流电将水分子分解为氢气和氧气，所产生的氢气纯度高（99%）,是未来最主要的绿氢生产方式。当前绝大部分氢气为灰氢。根据中国氢能联盟数据统计，2022年我国氢气的产量达到4004万吨。根据中国煤炭工业协会统计，我国2021年煤制氢是最主要的制氢途径，占总量的62%,工业副产氢、天然气制

4、氢分别占比19%、18%,仅有1%的氢气来源于电解水。全球来看，根据IEA数据统计，2021年全球氢气总产量为9400万吨，其中，天然气制氢占比55%,煤制氢占比17%,工业副产氢占比16%,灰氢同样占主导地位。图2:2022年中国氢气产量超4000万吨!中国产量（万吨）YOY灰氢生产以掌握煤炭、石油、天然气资源的国有企业为主，包括中国神华、美锦能源、东华能源、中石油、中石化等。中国石化在我国氢能源行业和国内氢气制取市场的产能/产量上处于领先地位，凭借石油化工的强大实力，氢气产能达到350万吨/年；中国石油氢气产能超过260万吨/年。煤炭制氢主要集中于山西、宁夏、陕西等煤炭产区，天然气、炼油重

5、整制氢则多分布在青岛、宁波等地的大型石化炼化基地。煤制氢和天然气制氢的原材料成本占75%以上。原材料的价格波动对制氢成本影响较大。以燃炭价格800元/吨，天然气价格3元/Nm3为基准计算，在考虑碳封存及碳税的影响时，煤制氢和天然气制氢的成本分别从10.8/14.7元kg上涨至15.6/17.0元/kg。3 .工业副产制氢潜在产能超千万吨我国是全球最大的工业副产氢国家，每年能够提供千万吨级的氢气供应。与可再生能源丰富的西北地区相比，工业副产氢可覆盖京津冀、长三角和广东地区，与氢能应用先发地区匹配。目前我国的焦炉煤气、氯碱化工、丙烷脱氢等工业每年能够提供千万吨级的氢气供应，工业副产氢可在氢能产业发

6、展初期提供低成本、分布式的氢源，有利于氢能的快速发展。我国副产氢潜在产能超100o万吨。1）我国是全球最大的焦炭生产国，国内焦炭产量约4.4亿吨，占全球产量的60%,每生产It焦炭可产生焦炉煤气350-450m3,焦炉煤气中氢气占50%-60%,因此焦化副产氢潜在产能达100o亿m3。2）我国氯碱产业烧碱产量约为3000-3500万吨，每生产1吨烧碱可生产副产氢208m3,每年副产氢气可达75-87万吨。3）丙烷脱氢产物中氢气占比60%95%,目前国内共有10余个项目投产，预计到2023年，丙烷脱氢的副产氢气产能可达到37万t/a。4）乙烷脱氢至乙烯产物中氢气占比在95%以上，每产生一吨乙烯副

7、产氢约107kg,2021年我国乙烯产量在2825万吨，潜在副产氢产量在303万吨。4 .电解水制氢：碱性和PEM电解槽齐头并进电解水制氢的技术主要包括碱性水电解、质子膜纯水电解、固态氧化物电解三种技术路线。1）碱性电解槽投资成本低，寿命长，规模大，但动载性能差、电流面密度低。2）PEM在各性能指标上表现均衡且指标突出，适合于各种场景下制氢，包括工业制氢、便携制氢和用作电网调幅的动态负载，但成本偏高。3）SOEC效率高，热机状态动载性能好，可快速双向工作，但需要高温热源，且设备投资大、寿命短，适用于核电制氢及大规模热电联供等。图5:电解水制氢主要包括三种技术路线阴极阳极阴极阳极隔膜隔膜(a)碱

8、性电解(b)固体聚合物电解隔膜(C)固体氧化物电展/“碱性水电解：水分子在直流电作用下，在电解池两级发生氧化和还原反应，水分子在阴极被还原，生成氢气和氢氧根离子，氢氧根离子穿过物理隔膜到达阳极，在阳极析出氧气，生成氧气和水。质子膜纯水电解：纯水通过进水通道进入催化层，在直流电源和催化剂的共同作用下，阳极产生氧气和氢离子，氢离子穿过质子交换膜与阴极的电子结合产生氢气。PEM电解水制氢纯度较高，仅存在少量水蒸气，经过干燥后可直接用于燃料电池。固态氧化物电解：按照电解质载流子的不同，可分为氧离子传导型SOEC和质子传导型SOEC,目前研究较多和发展更为成熟的是氧离子传导型SOECo固体氧化物电解池核

9、心组成包括：电解质、阳极和阴极。中间是致密的电解质层，两边为多孔的氢电极和氧电极。以氧离子传导型SOEC为例，较高温度下(700-900oC),在SOEC两侧电极上施加一定的直流电压，H20在阴极被还原分解产生H2和02-,02穿过致密的固体氧化物电解质层到达阳极，失去电子生成02。目前碱性电解水制氢发展最成熟，已完全商业化，质子交换膜电解水制氢在国内处于商业化初期，固体氧化物电解水制氢则仍处于研发和示范阶段。电解槽是电解水制氢的核心设备，现阶段大多企业聚焦于碱性电解槽。根据高工氢能，截至2023年上半年，中国电解槽名义总产能超过14GW,其中碱性电解槽占比约94%,PEM电解槽约6%。单家厂

10、商碱性电解槽产能大部分在0.5-1.5GW之间，行业格局较为分散。当前单槽制氢能力大多为100o-2000Nm3h,大标方单槽成为趋势。2022年中船718所2000Nm3/h的碱性电解槽下线，同年明阳智能下线全球最大单体碱性水电解制氢设备，产氢量达1500-2500Nm3/k2023年9月隆基绿能刷新最大单体碱性电解水制氢产氢量，达到3000Nm3h4.1. 碱性电解槽电解槽的核心构件包括极板、极框、隔膜、电极、BoP辅助系统。极框是电解槽的支撑组件，用于支撑电极和隔膜，主要是由铸铁金属板或不锈钢板制成。隔膜是防止氢气和氧气混合，但允许槽内离子自由移动的聚苯硫酸织物（PPS）。电极决定了电解

11、槽制氢效率，是电化学反应的场所，主要是由银网、泡沫锲等构成。BOP系统主要包括电源供应系统、控制系统、气液分离系统、纯化系统、碱液系统、补水系统、冷却干燥系统和其他附属系统。膜片/电极组件是电堆组件中成本占比最高的部分。电解槽系统中电堆组件成本占比为45%,其中膜片/电极组件成本占比达57%。图7:膜片、电极是电堆组件中成本占比最大的两部分制翁IR片NiftRIMNiMRIft 多孔传输以 结构必 小组件（密时.框架） 双极板 电堆纨装和端板I片/电犊蝴件辅机电M电堆组件 电源 去肉子水饰环 域气处理 冷却代未来智库系统性能及产氢量的提升将有助于均摊产氢成本。在IRENA的预测中，尽管碱性电解

12、槽的系统降本空间不大，目前电解系统的成本在1500元kW,未来在系统成本在1400元kW,但在系统电解效率、产氢纯度、与可再生能源适配等方面，碱性电解槽仍具有较大提升空间，当前重点研究方向集中在电极、催化剂、隔膜等环节上。碱性电解槽制氢成本仍有63.1%的降本空间。1000Nm3/h电解槽和土建设备分别按照800万元和150万元建设，折旧期分别为10(15)年和20年，当电价为0.4元/kWh,年工作时长为200Oh时，单位制氢成本为2.62元/Nm3,而当电价在0.2元/kWh,年工作时长为600Oh时，单位制氢成本在0.97元/Nm30电耗成本下降、单台制氢产量增加和寿命增加带来的电耗成本

13、和固定成本均摊下降分别将达到78.0%和79.5%,对应单位制氢成本从2.62元/Nm3降至0.97元/Nm3,降幅63.1%。4.2. PEM电解槽PEM电解水制氢技术可以快速启停，能匹配可再生能源发电的波动性，提高电力系统灵活性，正逐渐成为制氢发展和应用的重要方向。PEM电解槽主要包括阴阳极板、气体扩散层、催化剂层和质子交换膜。PEM电解槽中双极板和膜电极是主要成本构成项。在PEM电解槽的成本构成中，辅机和电解电堆组件占比分别为55%、45%。辅机主要包括电源、去离子水循环系统、氢气处理系统、冷却系统，其中电源占比接近50%。电解电堆系统主要由多孔传输层、小组件、双极板、电堆组装和端板、膜

14、电极构成，其中双极板和膜电极分别占比约53%、24%o2021年至今PEM电解槽招标量已超过82.5MWo当前国内大功率PEM电解水制氢设备处于发展初级阶段，目前已配套交付或中标项目主要包括电解水绿氢项目、制氢加氢一体化项目、氢氨醇一体化项目等，主要公司包括阳光氢能、赛克赛斯、康明斯、上海氢盛、长春绿动等。从2021至今已知的PEM电解槽装机/招标量来看，国产PEM制氢设备由IMW跃升到50MW,逐步规模化工业应用，总量已超过82.5MW,PEM电解槽朝着大标方、低能耗方向发展。目前PEM电解槽单体产氢量大多达到200Nm3/h以上，电流密度在l-2.5Acm2之间，能耗在4.3kWhm3左右

15、。未来PEM电解槽单槽产氢量朝着300Nm3/h以上发展，电流密度和能耗分别朝着1.5-3Acm2和3.5-4.0kWhNm3的方向迈进。表11:PEM电解槽朝着大标方方向发展单体产氢量(Nm3Zh)电流密度(AZm2)电耗(kWhZNm3)最大设备功率(MW)变战范围康明斯5003.6-435%-100%莺岛氢能320250004.31.44阳光氢能500150005%-110%氢晨能源250200004.3国富氢能3%-150%亿华通4,4氢盛创合250250004.31.255%-150%淳华氢能200004.54(1.9V)5%-150%氢辉能源504.55-0.255%-150%PEM水电解制氢的瓶颈环节在于成本和寿命。PEM电解槽需要在强酸性和高氧化性的工作环境下运行，依赖于价格昂贵的贵金属材料如伯、钺等，导致成本过高。近三年来，钳的价格维持在250元/g左右，钺的价格维持在IlOo元/g左右，贵金属的稀缺性导致价格将持续坚挺。现有商业化析氢催化剂Pt载量为0.40.6mg/Cm2,Ir载量在l2mgCm2之间。而降低催化剂用量，或