姬婧瑛

能源,是为数不多能够在工业世界秩序下,引发紧张局势的“蝴蝶翅膀”。

2022年,受俄乌局势等影响,全球油价一度高涨,欧洲多国城市限电,能源的两大议题从国家战略层面渗入每一个地球公民的日常关切。

其一是能源革命,即从石油、煤炭等化石能源,向光伏、风电、水电、氢能等可再生能源过渡,减少碳排放,实现控温目标,应对气候变化。这些脱碳能源系统因此成为大国角力的新战场。在中国,碳达峰、碳中和战略下,可再生能源2022年发电量达到2.7万亿KWh,已承载全社会31.6%的供电量,较2021年提高1.7个百分点。

其二是能源安全,即保障供应。比如,作为全球最大的能源消费国,中国的原油进口依存度从2010年的54.1%增至2020年的73.6%(图1),原油是仅次于集成电路的第二大进口品。在地缘政治关系脆弱的当今世界,如果能实现能源本地生产,则可以摆脱依赖进口的风险。

数据来源:国家统计局、海关总署,新财富整理

这两大方向下,后发的氢能,作为新能源战略的一大选项,地位不断上升。能源巨头、整车企业、零部件企业,有氢气资源或应用场景的企业纷纷入局。

在清洁能源阵营,水电起步最早,风电、光电近年直追,且已在2021年实现平价上网。不过,受自然条件约束,三者的供电量并不均衡,地域分布也不均衡。

这导致,发电高峰时难以消纳已发电量,中国每年可再生能源发电的弃电量约达1000亿千瓦时,造成浪费。同时,国内光电、风电多产自资源丰富的中西部,需要以特高压的方式输送到缺电的长三角、珠三角等地,抬升了成本。

电力结构性供需失衡,已成为经济高质量发展中的难题,西电东输、东数西算都是电力再平衡的过渡策略。

提供新能源电力使用效能,则需储能,当新能源在电力大盘中的份额达到60%-70%时,其对储能的需求会指数级增长。

而氢能被认为是长周期、大规模储能的主流方式。光伏和风能基地可以利用“弃电”电解水制氢,保存冗余电力,需要时再把氢气转化为电能。

其中,电解水制氢的过程是,在充满电解液的电解槽中通入直流电,水分子会在电极上发生电化学反应,分解成氢气和氧气。而氢气转化为电能,则是电解水制氢的逆反应,即氢气与氧气(或空气)在燃料电池系统中发生非燃烧的电化学反应,生成水并释放出电能。所以,电氢转换的核心技术,在于燃料电池、电解槽两大部件,这也是当前中国氢能产业“卡脖子”所在。

虽然氢能并非直接取自自然界,属于二次能源,但由于其生产不受地域、季节限制,可以在风、光、水等资源短缺地区布局,可推动分布式能源发展。同时,氢储能可以发挥与锂电的差异化优势,助力电网“调峰调谷”,增强能源体系的灵活性和稳定性。

目前,中国储能领域,电储能占比超过96%,其中90%为锂电储能、6%为铅蓄电池储能。但是,电储能更适合短周期、近距离使用,作为化学储能方式的氢储能,能量密度大、充放电周期短、可运载距离长,便于长周期、大规模存储。据高工氢能统计,2021年中国的氢储能装机量约为1.5MW,渗透率不足0.1%,预计2030年装机量将达到1518MW,增长空间巨大。因此,业界普遍认为,“风光水电+氢储能”一体化,并与智能电网协同发展,可以助推能源变革。

除了储能和电力,氢能在交通、工业领域的应用场景也相当广阔。

在工业领域,氢气可以代替焦炭和天然气作为还原剂,消除炼铁、炼钢过程中的碳排放,也可作为化工原料,用于合成氨、甲醇、炼化、煤制油气等,生成绿色甲醇和绿氨,减少碳排放。

在交运领域,氢燃料电池汽车成为最快商业落地的场景。氢能汽车没有电动汽车的续航短、补能慢、使用温域窄(高寒低温环境需要辅助加热)、上游锂材价格高昂等短板,有望在长距离、重量级运输领域发挥优势。随着燃料电池系统国产化率由2017年的30%提升至2022年的60%,预计在2025年达到100%,氢燃料电池汽车也将快速发展,2030年销量将达到10万辆/年,增长空间巨大。

应用场景的拓展之下,氢能已成能源转型的重要抓手。截至2022年末,全球已启动680多个大型氢能项目,氢能领域的直接投资额近2500亿美元。截至2023年2月末,全球已有42个国家和地区发布了氢能政策,36个国家和地区正在筹备。国际氢能委员会预计,2050年,全球氢能源需求将较2022年增长10倍,承担全球约18%的能源需求。

近年,中国也密集出台相关政策,自上而下驱动氢能产业的发展。

2022年是中国氢能政策大年。

当年3月,国家发改委、能源局印发《“十四五”现代能源体系规划》《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》,明确到2025年,国内燃料电池车辆保有量达到5万辆,行业总产值达到1万亿元,可再生能源制氢量达到10万-20万吨/年;到2035年,氢能行业产值达到5万亿元,燃料电池汽车保有量100万辆,形成完整的氢能产业体系。

顶层设计驱动下,各地纷纷响应。事实上,在此之前,地方相关政策和规划已不断出台。2020年9月开始,氢能产业施行“以奖代补”补贴模式,即由中央政府将政策奖励下发给示范城市群所在地,再由地方自主制定并实施产业发展奖励政策,引导产业向技术迭代和商业落地方向发展。2021年8月起,北京、上海、佛山、郑州和张家口等五个燃料电池汽车示范应用城市群示范政策正式落地。随后,30个省份、158个城市纷纷提及氢能发展,57个城市出台氢能专项规划。

截至2023年2月末,全国已落地或正在建设的氢能产业园已超过70个,一批重点项目也逐次落地。2023年1-2月,山东、广东、河北等省份已发布35个氢能重点建设项目,总投资合计超过490亿元。

我国氢能企业数量大幅增长。根据企查查数据,名称中带“氢能”的公司数量已超3500家,产业链规模以上工业企业超过300家。截至2023年2月,涉氢业务的专精特新“小巨人”企业共73家,国务院国资委监管的98家央企中,布局或开展氢能相关业务的达到43家。这些企业主要分布在五大氢能示范城市群(表1)。区域孵化的行业龙头,作为地区氢能发展的排头兵,正在引领城市群氢能产业的发展。

资料来源:Wind,新财富整理

据新财富统计,A股实质性切入氢能核心业务的上市公司有72家。多家产业链头部企业正在申请上市,2022年6月末,捷氢科技、国富氢能、治臻股份等氢能企业接连提交科创板上市招股书,2022年11月国鸿氢能申请港股上市。

按照产业链分布来看,其中25家公司专注于制氢、储氢、运氢等上游功能环节⸺这也是最快实现盈利的环节,18家公司重点布局燃料电池系统业务,23家公司是燃料电池的上游零部件和设备供应商,4家公司是制造氢能汽车的整车厂,2家公司布局相关检测检验业务。

按照实际控制人属性来看,有26家公司由国资控制,43家公司由自然人控制,3家公司无实控人。按照地域分布来看,江苏15家、广东8家、北京7家、浙江6家、山东湖南四川各4家,这7个省市的氢能公司数量占比超66%。

通过72家上市公司,我们可以透视中国氢能产业链的发展现状,远眺这一产业的未来图景。

根据制备方法的不同,氢气分为灰氢、蓝氢和绿氢。

短期受成本制约,灰氢蓝氢仍是主力氢源

灰氢是通过煤、天然气等化石燃料重整生产的氢气,是当下占比最高的氢源。我国“富煤、缺油、少气”的能源禀赋,决定了煤制氢是主要技术路线。2019年,煤制氢产量达到国产氢气总产量的63.54%。第二大氢气来源的天然气制氢,2020年在氢气总产量中的占比达到18%。

煤制氢、天然气制氢的优势是技术成熟、成本低,劣势是生产伴随大量碳排放。按照东吴证券研究所的估算,煤炭价格450元/吨的情况下,煤制氢碳捕集后的成本约为16元/公斤;天然气成本2.5元/立方米的情况下,天然气制氢成本约18元/公斤。

蓝氢是利用焦炉煤气、化肥生产、氯碱制造等过程中的工业副产品制取氢气,优势是生产过程使用碳捕集和碳封存技术,减少了碳排放,缺点是副产品需要提纯和去除杂质才能出产高纯度氢,这个环节增加了成本、限制了产量。因此,蓝氢不能成为大规模的氢能来源。据东吴证券研究所数据,焦炉煤气副产氢成本在9-15元/公斤,氯碱化工、丙烷脱氢、乙烷裂解、合成氨和甲醇等副产氢的综合成本在13-22元/公斤。

目前,利用工业副产品制氢的代表性上市公司有12家,包括两类。

一类是以凯美特气、金宏气体、和远气体为代表,利用上游尾气提纯制氢的特种气体生产商(表2)。

数据来源:Wind,上市公司公告,新财富整理

其中,金宏气体全面布局氢气的制、储、运、加环节,共规划了5个氢能工厂,总产能1.2亿标方/年,并与中石油、中石化等合作,为全国13个加氢站点供应氢气。凯美特气是有能力实现高端特气国产替代的国家首批“专精特新”小巨人企业,4个子公司氢气产能达到2万吨/年。

一类是利用工业化副产品制氢的大型焦化、氯碱、丙烷脱氢化工企业(表3)。其中,金发科技、卫星化学、恒光股份、金能科技业务集中于制氢,另外5家企业则向储运和加氢站运营等下游业务延伸,打造“制-储-运-用”的供给侧全产业链模式,以实现氢气就近消纳,降低氢气供应成本。

数据来源:Wind,上市公司年报、半年报等,新财富整理

一个重要的趋势是,多家制氢企业开始与下游企业联合延伸业务,以更为完整的业务链条提升竞争力。

例如,嘉化能源已联合氢燃料电池电堆和系统供应商国富氢能、上海重塑,成立了江苏嘉化氢能科技有限公司,培育全产业链,除销售高纯氢外,还运营港城和常熟加氢站,并拟投建氢能分布式发电项目。滨化股份则投资了制氢电解槽制造龙头⸺天津市大陆制氢设备有限公司,向更上游的设备制造业务延伸。阳煤化工与蓄电池制造头部企业雄韬股份合资成立阳雄氢能公司、氢雄双阳公司,向氢燃料电池和相关零部件业务延伸,但产品尚未进入市场。东华能源在张家港运营一座氢气充装站、一座加氢站和40多辆氢能源公交车,并与霍尼韦尔合作利用氢气加地沟油,生产生物航煤。

制氢企业延伸业务链条的另一个原因,是在“双碳”目标下,灰氢和蓝氢在产业中的占比将越来越低,生产过程完全脱碳的绿氢,将是未来氢气的主要来源。

绿氢:8家公司覆盖两大技术路线,光伏龙头占据优势

绿氢是利用风电、水电、光伏等清洁能源,电解水生产的氢气,生产过程没有碳排放,是绿色无污染的制氢方式。2030年全球绿氢产量将达3.6万吨,2050年达到3.2亿吨。

据中国氢能联盟研究院统计,2022年国内新增绿氢项目产能3.3万吨/年,同比增长65%,国内电解水制氢设备出货量722MW,同比增长106%。截至2023年2月,国内已运营的绿氢项目共27个,其中光伏发电制氢项目13个,占比近半。其预计,到2030年,国内电解水制氢装机量将增至100GW以上,碱性电解槽的成本将从2020年的2000元/KW降至2030年的1500元/KW。

A股中生产绿氢的代表性上市公司有10家,其中,中国石化、吉电股份、鸿达兴业已初步建成“制-储-运-用”的供能全产业链,阳光电源、隆基绿能布局绿氢制造设备业务,宝丰能源则是化工龙头布局绿氢生产的代表,已形成全球最大的绿氢产能(表4)。

数据来源:Wind,上市公司公告,新财富整理

目前,根据电解槽的不同,电解水制氢商业化的技术路线主要有碱性电解水制氢(AWE)和质子交换膜电解水制氢(PEM)两种。

碱性电解水制氢是以强碱性、强腐蚀性的氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)水溶液为电解质,采用石棉布等作为隔膜,在直流电的作用下,将水电解成氢气和氧气。该技术较成熟,已实现大规模商业化运用,且国内厂商具备成本优势。根据彭博数据,2021年,中国碱性电解槽系统成本约300美元/KW,而欧美同类产品成本为1200美元/KW。目前,首航高科、国富氢能、隆基氢能等企业均在上马这类项目。

但是,这一技术缺陷明显:一是电机与隔膜间隔较远,导致电解槽体积巨大;二是电解响应速度慢,与间断性可再生能源发电耦合困难,适配性较差;三是碱性电解液对电解槽装备要求严苛,导致成本下降空间有限。

于是,工业适用性更强的质子交换膜电解水制氢技术应运而生。其关键部件为膜电极,由气体扩散层、催化层、质子交换膜三部分构成,前两层在膜两侧形成“三明治”结构,可以在高电流密度下运作,因此具有启停速度快、能量利用效率高、氢气纯度高、能耗低、无碱液、体积小、安全可靠等优势。

但现实的情况是,电解水制氢的电解槽结构复杂,质子交换膜等核心部件尚未实现国产突破,因此,其成本远高于碱性电解水制氢设备。举例来说,同样是1000Nm3/h制氢能力的设备,单台碱性电解槽设备价格在700万-1000万元之间,单台质子交换膜电解槽成本则在3000万元左右。

美国ProtonOnsite、Hydrogenics、Giner和德国的西门子等行业领军企业,过去20年间相继将电解槽规格规模提高到兆瓦级。其中,ProtonOnsite在全球72个国家有约2000多套质子交换膜电解水制氢装置,占据了全球相关市场70%的份额。

氢能应用商业化落地的另一个关键是燃料电池的国产化和降成本。

无论是碱性电解水制氢,还是质子交换膜技术,高昂的耗电成本是制约其大规模普及的主因。目前,电费约占电解水制氢成本的60%-80%,大工业用电均价为0.61元/千瓦时,电解水制氢的成本约3.69元/标准立方米(Nm³)。业内推算,电价要下降至0.15元/千瓦时,绿氢的成本才能与蓝氢16元/公斤的成本持平,具备大规模应用的条件。

因此,绿氢降价主要依赖于新能源电价下降,光伏制氢则被认为是最值得期待的技术路线。

2020年,光伏发电的平均上网电价已低至0.35元/千瓦时,与煤电相近。此外,风电目前均价0.36元/千瓦时,且未来仍有下降空间。因此,基绿、阳光股份、晶科能源等光伏巨头已切入制氢业务。

隆基绿能首台1000Nm³/小时碱性水电解槽已成功下线,具备了订单获取能力和500MW生产交付能力,并正在研究利用光伏绿电水解制氢的应用。

光伏逆变器龙头阳光电源同样在2021年布局氢能,与中科院大连化学物理研究所(简称“中科院大化所”)合作成立“PEM电解制氢技术联合实验室”,研制大功率PEM电解制氢装备。2022年半年报显示,其已覆盖ALK和PEM纯水电解制氢系统两大技术路线。

但是,目前PEM电解水制氢技术尚处于项目示范期。例如,国内首个兆瓦级氢储能电站安徽六安兆瓦级制氢综合利用示范工程,首台机组已于2021年12月并网发电,其燃料电池系统由中科院大化所和明天氢能联合提供。

需要看到的是,绿氢的大规模供应,还需要多轮技术迭代,甚至技术路线的新变革,当前至2030年,是灰氢、蓝氢、绿氢并行发展的多种氢源扩张时期。短期内,氢气制取成本很难快速下降,因此,大型制氢企业倾向于“制-储-运-用”一体化发展,降低供氢端的整体成本。

除了制氢环节的高成本,储运和加注应用环节也尚未寻找到低成本的“完美方案”。

因为氢气易燃易爆的物理特性,全世界都面临氢气长距离储运的难题,气态储氢、液态储氢、固态合金储氢是三种常见储氢方式。目前,采用20MPa气态高压储氢与长管拖车运输是应用最广的储运方式。该方式技术成熟,但只适用于短途运输使用,氢源地辐射范围有限,100公里范围内,20Mpa长管拖车储运成本约为7.79元/公斤。

于是,以京城股份、中材科技为代表的储氢运氢设备供应商,研发生产了不同规格的车载储氢瓶(表5)。比如,京城股份生产的70Mpa高压铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶,间接全资子公司天海氢能2021年交付冬奥会项目140套储氢系统订单;中材科技2021年末已掌握各压力等级车载氢气瓶成套技术,开发70MPa三型氢气瓶实现批量装车示范应用,并完成20、30MPa管束集装箱运氢单元的国际国内认证,实现批量交付。

资料来源:Wind,新财富整理

未来,气态管道运输和低温液态储运将是氢能大规模运输的方式,但是,前者的障碍在管道基础设施的建设,业内正在研究天然气掺氢的可行性。而低温液态储运的技术还不够成熟,如果能够突破氢气液化的高能耗、液化设备价格高等“关卡”,氢气也能像天然气一样大规模使用。

而终端使用主要依赖于加氢站。截至2022年末,全球主要国家在营加氢站数量达到727座,同比增长22.4%。我国累计建成运营加氢站358座,同比增长40.4%,其中在营245座每日供能达17.7万公斤,广东、河北、山东、江苏、河南加氢站数量居国内前5。

根据中国氢能联盟数据,国内建设一座加氢500kg/天、加注压力35Mpa的加氢站成本约为1200万元(不含土地费用),相当于传统加油站建设成本的3倍,其中设备成本占比80%,主要因为压缩机、加氢枪、流量计、安全阀等核心设备依赖进口。未来,随着加氢设备的国产化替代,加氢站的建设成本将大幅下降。值得一提的是,加油站兼容加氢站,两站合建的成本远低于1200万元,因此,拥有完善加油站网络的“三桶油”具备发展加氢站业务的先天优势。

在单个环节无法快速降成本的现实下,中国石化为代表的大型能源企业,已发展出供氢全产业链模式,以规模化、一体化的方式降低氢气供给价格。

2022年9月,中国石化发布氢能长期发展战略,目标是“打造中国第一氢能公司”,聚焦氢能交通和绿氢炼化两大领域。2022年7月14日,中国石化与一汽解放等8家单位签署氢能产业链建设合作协议。此前,其与上海重塑、国富氢能、中科富海等产业链头部企业有合作。

2019年11月,其与法国液化空气集团(简称“法液空”,AI.PA)签署合作备忘录,在氢能产业拥有丰富技术和经验的法液空将参股中国石化氢能公司,共同推动氢能和燃料电池汽车在中国的推广应用。

2020年10月,中国石化与康明斯(中国)投资有限公司签署合作意向书,计划引进康明斯电解水制氢业务。2021年12月,中国石化旗下的恩泽河海(天津)股权投资基金合伙企业(有限合伙)与康明斯电力新加坡有限公司,在广东佛山合资成立康明斯恩泽(广东)氢能源科技有限公司,注册资本1亿元,双方各持股50%。该公司将引进康明斯的质子交换膜电解水制氢技术,投资4700万美元建造一座1GW的PEM氢电解工厂,实现本土研发生产。

为了实现石油炼化过程中的碳减排,2021年11月,中国石化新疆库车绿氢示范项目启动建设,这是中国首个万吨级光伏制氢的“氢电一体”示范项目,总投资30亿元,主要包括光伏发电、输变电、电解水制氢、储氢、输氢五大部分。该项目将新建装机容量300MW、年均发电量6.18亿千瓦时的光伏电站,年产能2万吨的电解水制氢厂,储氢规模约21万Nm³的球罐,输氢能力每小时2.8万Nm³的输氢管线及配套输变电等设施,预计2023年6月建成投产,生产的绿氢将供应中国石化塔河炼化公司,每年可减少二氧化碳排放48.5万吨。新疆光伏资源丰富,为光伏电解水制氢创造了有利条件。

2021年,中国石化氢气产量350万吨,占全国总产量的14%,截至2022年末,中国石化已建成98座加氢站(含油氢合建站),到2025年将建成保底600座,总加注能力12万吨/年的加氢站网络。

除了中国石化,国家能源集团、国家电投、华能集团、中海油、中国能建、东方电气等大型能源央企均已进军氢能领域,共同推动供氢平价化。

氢能供给端的降成本之外,氢能应用商业化落地的另一个关键是燃料电池的国产化和降成本。

无论是电力、储能还是交通,氢能的商业落地都需要通过氢燃料电池来实现。

氢燃料电池系统主要由电池电堆、供气子系统、氢气循环系统、热管理系统、传感器等构成,核心部件是电化学能转化发生的电堆,主要由膜电极、双极板、端板、集流板等组成。其中,膜电极、双极板约占电堆成本的64%、18%。膜电极由质子交换膜、气体扩散层、催化剂层、碳布或碳纸等组成。这样的构造,衍生出一条复杂的产业链。

这意味着,氢燃料电池产业发展,需要每个细分环节的技术突破和规模量产。虽然氢燃料电池已实现国产,但整个产业仍处在政策驱动、研发投入早期,膜电极、电堆系统等关键环节还依赖欧美巨头的技术输入。

我们将整个氢燃料电池产业分为零部件、电池系统两部分来看。

零部件作为其中链条最长的环节,关键配件包括膜电极、电堆模组、空压机、专用材料和设备、电容隔膜、电磁阀、催化剂等。因为下游氢能整车销量不高,大多数厂商处在前期投入阶段,且投入规模较大,尚未实现全部的国产替代。

布局氢燃料电池零部件研发制造的代表性上市公司有20家(表6),其中,电堆模组制造商2家,质子交换膜及膜材料供应商3家,催化剂供应商6家,空压机生产商5家,电磁阀等配件供应商4家。

资料来源:Wind,新财富整理

这些公司基本上是在传统汽车或零部件生产上积累了技术和资本优势,横向拓展进入氢燃料电池业务。

氢燃料电池零部件研发生产的前期投入比较大。例如,离心风机供应商金通灵,为生产氢燃料电池空压机,2021年11月与水解制氢设备制造商北京汉氢科技有限公司签订合作协议,协议总投资2.3亿元。

电池上游供应商凯恩股份主要生产超级电容隔膜,与新筑股份(002480)子公司上海奥威科和宇恒电池共同承担浙江省高性能超级电容隔膜等超级电容器关键材料的研发工作。2020-2021年,凯恩股份分别投入研发费用1.09亿元、1.16亿元,用于汽车电子电解电容纸的国产替代。

国产替代进展缓慢的“卡脖子”环节,还有燃料电池用铂基催化剂,我国燃料电池主要使用日本田中贵金属和英国庄信万丰的催化剂,二者约占国内80%的市场份额。燃料电池用铂基催化剂的价格相对昂贵,早期燃料电池车每车铂金使用量30-80克,远高于传统柴油车、汽油车单车2-10克的用量,约占燃料电池电堆成本的36%-51%。而国内催化剂供应商的相关产品仍处在测试阶段,尚未量产。