氫能產業鏈各環節發展現狀盤點
來源：火石創造 2023-05-06
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氫能產業鏈圖譜
氫能作為二次能源，必須從一次能源轉換得到，再運輸至用能終端，轉化為電力、熱能或機械動力。因此，氫能主產業鏈可概括為“氫能制取、氫能儲運、氫能加注、氫能源能量轉化、氫能使用”等環節。其中，上游制氫、中游儲運氫和加氫、下游多元化應用場景，主要分布于交通、工業、發電以及建筑領域。
氫能源主要應用在工業領域和交通領域中，建筑、發電等領域仍然處于探索階段。
圖片圖1：氫能產業鏈圖譜
來源：火石創造繪制
02
氫能產業鏈各環節概況
1.制氫
從制氫市場規模來看，中國已成為全球最大的制氫國，總規模保持快速增長。2022年中國制氫產值規模達到4833億元，隨著國家對制氫產業的不斷支持及投入，預計到2026年我國制氫產值規模將達到7825億元。依托化石能源資源優勢，西北和華北地區是制氫生產主要區域。其中，內蒙和山東產量超過400萬噸，達到最大；新疆、陜西和山西產量超過300萬噸，而長三角、珠三角制氫產量較少。
從制氫結構來看，我國制氫以化石原料和工業副產氫為主，電解水制氫規模小，可再生能源制氫將成主導。2022年化石能源制氫、工業副產制氫、電解水制氫的產值規模分別為3271億元、1120億元、435億元；占比分別為68% 、23%、9%。根據相關數據預測，中短期中國氫氣來源仍以化石能源制氫為主，以工業副產氫作為補充，可再生能源綠氫制取占比將逐年升高；到2050年，由可再生能源綠氫約占70%、化石能源制氫占20%、生物制氫等占10%。
圖2：2017年-2026年中國制氫產值規模及預測（單位：億元）
圖3：2017-2026年中國各制氫方式產值規模及預測（單位：億元）
來源：火石創造根據公開資料整理
從市場競爭格局來看，我國制氫規模市場格局分散，國家能源集團和中國石化是國內氫氣產量最大的兩家企業，合計占比30%，其他多為中小企業，制氫規模小。企業主要集中在化石能源等灰氫領域，綠色制氫領域企業布局較少，寶豐能源等綠氫制造企業具有先發優勢。寶豐能源是我國首家實現規模化生產綠氫的企業，目前已形成全球最大的3億標方綠氫/年、1.5億標方綠氫/年產能，計劃將通過以新能源制氫代替化石燃料制氫。
從制氫技術來看，質子交換膜、電解槽等核心技術尚未突破，高速率制氫設備還在研發階段。目前國內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路線成熟，成本具有顯著優勢。PEM電解槽由于成本高，商業推廣依然需要時間，且技術優勢不明顯。固體氧化物水電解槽采用水蒸氣電解，高溫環境下工作，能效最高，但尚處于實驗室研發階段。目前，電催化劑、質子交換膜、膜電極、雙極板等核心組件技術國內外差距較大，大量依賴外國進口。
其中，質子交換膜作為PEM制氫技術的核心材料被國外企業占據主導，全球市場占有率超過90%。國內的質子交換膜制造企業面臨技術、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，是目前國內具備量產能力的PEM電解槽。
表1：中國制氫主要技術及優缺點比較對比
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2.儲運氫
在高壓氣態儲運氫方面，由于成本低、使用方便、儲存條件易滿足等優勢成為目前儲運氫的主流方式。國內由于高端碳纖維技術不夠成熟，無法規模化生產且復合材料成本較高，目前主要以35MPaIII型瓶為主，所以低成本高壓臨氫環境用新材料將是研發的重點。
在低溫液態儲運氫方面，歐洲、美國、日本等國家和地區液氫技術發展已經相對成熟，液氫儲運等環節已進入規模化應用階段。
我國液氫技術主要應用在航天領域，民用領域尚處于起步階段，氫液化系統的核心設備（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儲氫產業化的發展方向。
在固態金屬氫化物儲運氫方面，由于其安全性、穩定性優點成為我國未來發展的重點。目前，國內金屬氫化物儲氫應用還較少，正處于研發與示范階段，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性等將是未來的研究重點。
在管道儲運氫方面，管道儲運氫氣可以分為純氫管道運輸和利用現有天然氣管道摻氫運輸兩種模式。低壓純氫管道適合大規模、長距離的運氫方式。目前，美國、歐洲已分別建成2400km、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。在運行的管道有：濟源—洛陽的氫氣輸送管道全長為25km、巴陵—長嶺輸氫管道全長42km、烏海—銀川焦爐煤氣輸氣管線管道全長為216.4km、金陵—揚子氫氣管道全長超過32km。
表2：三種氫儲運比較
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從關鍵技術來看，當前中國氫氣儲運仍處于發展初期，相關技術及產業標準較國外水平落后，固態儲運和化學液態儲運方式發展亟需技術突破，產業發展空間較大。
3.加氫
從市場規模來看，中國加氫站數量居全球首位，具有區域集中性特征。2022年全球新增129座加氫站，累計建成814座；中國新建92座，累計建成310座，占比全球38%，已躍居首位，在營加氫站超過160座。2022年，中國加氫站市場規模達49.4億元、集成設備（壓縮機、氫氣儲存容器、加氫系統）占據加氫站建設的主要成本，市場規模為24.7億元。氫燃料電池汽車的需求將帶動加氫站保持良好的增長，預計到2026年，中國加氫站市場規模將達到151.2億元，集成設備市場規模將為71.1億元。
從市場競爭格局來看，國內加氫站市場集中度較高。從加氫站擁有數量來看，以中石化、中石油、厚普股份三家企業為主，中石化已建成74座，中石油為8座，厚普股份在建加氫站78座。從加氫站設備制造商來看，國富氫能、液空厚普、舜華新能源、海德利森、上海氫楓等五大設備集成商市場占有率占達90%。其中，國富氫能市場占有率為28.4%，居全國第一。
圖4：2017-2022年全球和中國加氫站數量（座）
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從分布區域來看，我國加氫站主要涉及華北、華東和華南地區，呈現出明顯的產業集聚效應。其中，廣東依托政府的支持，加氫站布局遙遙領先其他省市，數量超過60座，其次為上海，建設數量44座。
4.場景應用
（1）交通領域
在交通領域，以氫燃料為動力，可以實現車輛使用端的零碳排放，應用主要包括汽車、航空和海運等，其中氫燃料電池汽車是交通領域的主要應用場景。
從市場規模來看，整體保持加快增長態勢，市場空間大。2022年，我國氫燃料電池汽車產銷累計分別完成3626輛和3367輛，同比分別增長127.2%和88.1%。目前，國內的氫燃料電池車輛購置成本遠高于燃油車和電動車，中短期內需依賴國家補貼。但隨著技術進步、生產經驗累積與規模擴大，燃料電池系統和儲氫系統成本將逐步下降，氫燃料電池汽車將保持增長態勢，預計到2025年，全國氫燃料汽車保有量約5萬輛。
圖5：2018年-2022年中國燃料電池汽車產銷數量（輛）
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從區域分布來看，氫燃料電池汽車主要集中在環渤海等東部沿海城市群。2021年8月，京津冀、上海、廣東三大城市群成為首批燃料電池汽車示范應用城市群；2021年12月，河北、河南入選第二批城市群，形成目前的“3+2”全國燃料電池汽車示范，并計劃為期四年的示范推廣目標。到2025年，京津冀、上海、廣東、河北、河南城市群氫燃料汽車分別為5300輛、5000輛、10000輛、7710輛、5000輛。
從氫燃料電池關鍵技術來看，目前，日本和韓國擁有相對成熟的氫燃料電池汽車技術，已應用于乘用車、商業車、叉車、列車等。國內當前燃料電池汽車的技術、成本和規模是限制其市場化的主要因素，購置成本還較高，尚不具備完全商業化的能力，發展仍然依靠政府補貼和政策支持。現階段國內氫燃料電池車以客車和重卡等商用為主，乘用車主要用來租賃，占比不及0.1%。
（2）工業領域
在工業領域，氫氣主要作為化工原料。目前全球約55%的氫需求用于氨合成、25%用于煉油廠加氫生產、10%用于甲醇生產，10%用于其他行業。鋼鐵領域，用氫氣代替焦炭作為還原劑，大幅度降低碳排放量，促進清潔型冶金轉型。目前全球已有少數國家發布了氫冶金技術案例，國內部分鋼鐵企業也發布了氫冶金規劃，建設示范工程并投產，但有關示范工程尚處于工業性試驗階段，基礎設施不完善、相關標準空白、成本較高、安全用氫等問題依然存在。但在“雙碳”目標的背景下，利用氫能進行鋼鐵冶金是鋼鐵行業實現深度脫碳目標的必行之路。
（3）建筑領域
在建筑領域，氫氣可代替或摻入天然氣燃燒供熱，也可通過氫燃料電池實現熱電聯供。
以北京為例，目前終端居民天然氣價格約為2.63元/標準立方米，提供1標準立方米天然氣等值熱量需要2.82標準立方米氫氣。因此當氫氣價格低于10元/千克時，燃氫供熱方能與天然氣形成競爭力。小型氫燃料電池熱電聯供系統目前已在歐美、日本實現商業化應用，而中國小型氫燃料電池熱電聯供系統仍處于試點階段，千瓦級系統的度電成本超過2元/千瓦時，在經濟性方面具有很大的進步空間。
在建筑領域，氫能不具備經濟性，但仍是備用電源的良好選擇。可選擇逐漸由氫和天然氣混合用氫逐步向純氫轉變。
