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1、氢能研究报告2022人类最清洁的能源解决方案现在的氢能就像5T0年前的锂电池和光伏，虽然还未大规模商用，但从底层逻辑上符合人类能源演化的大方向，是人类最清洁的能源解决方案，从技术进步和商用进展上，正处在爆发前夜。能源安全、能源清洁化是重大国家战略。氢能源是21世纪最清洁能源，元素资源丰富、储能时间长、能量密度大。未来氢能源行业的发展，要从上游制氢、中游储运氢、下游应用氢等各环节持续突破。其中可以重点关注氢储能和氢燃料电池这两大极具爆发潜力的领域。一是氢储能两大关键技术正在加速成熟，分别是：制氢、氢储运技术。制氢技术正在由化石能源制氢和工业副产氢向更清洁的电解水制氢方向过渡。绿电成本正在下降，电
2、解槽技术往更适用清洁能源的质子交换膜方向迭代。未来，绿色能源电解水制氢实现与化石能源制氢平价可期。储氢技术正不断突破。气态储氢方面，诸如碳纤维等储氢瓶原材料的国产化进程加速，性能高、储量大、轻质化。液氢储氢和其他储氢形式也进入应用窗口期，逐渐过渡到民间商业化使用阶段。未来的氢储能，是最适合大规模、长周期的绿电存储方案，可以弥补其他储能形式的短板，将大量的弃风、弃光和弃电等进行储能，成为继抽水蓄能、锂电池储能后的又一主流储能方式。二是氢燃料电池，重点关注电堆、膜电极，氢能商用车渗透，加氢站。在技术拆解上，电堆、膜电极是氢燃料电池系统的核心，成本占比高、技术难度大。可以说，电堆对于氢燃料电池汽车，
3、就类似于现在动力锂电池于新能源车的重要性。氢燃料电池看电堆，电堆关键看膜电极。在市场进程上，氢燃料电池的应用领域众多，包括发电、建筑热电联供等。交通运输，将是氢燃料电池的关键核心应用领域，行业将“先商用、后乘用”式的发展。“先商用”，旨在可以有效解决商用车市场电动化渗透率不足的问题，全面加速各类汽车的电动化进程。“后乘用”，氢燃料电池车轻量化携带、高密度快充，长期将更大程度缓解汽车智能化耗电焦虑。在基础设施上，我国加氢站已经走在全球前列，油氢合建站将缓解大家的加氢焦虑。从现在到未来，氢能源产业正走在发展的快车道上。放眼长远，氢储能与燃料电池形成商业闭环，将成为第三次能源革命中又一具有革命性力量
4、的技术路线。目录1能源清洁化时代，最清洁的氢能突出重围2氢储能：大规模、长周期的绿电存储方案2.1 关键技术一：制氢技术2.2 关键技术二：氢储运技术3氢燃料电池：氢能源应用落地的关键抓手3.1 技术拆解：氢燃料电池看电堆，电堆关键看膜电极3.2 市场进程：先商用、后乘用，解决汽车电动化和智能化的耗电问题3.3 配套设施：加氢站是商业化进程的晴雨表4趋势和展望：制氢低成本、储氢高技术正文1、能源清洁化时代，最清洁的氢能突出重围氢能源被誉为21世纪最清洁能源，氢气可作为燃料，与空气中的氧气结合,释放出不包含任何污染气体的水蒸气，是时下最热门的二次能源之一，属于第三次能源革命的重点技术路线和攻关方
5、向。氢能源产业链涉及多个行业多个领域，总体上可分为氢能源上游的供给和下游需求两个方面。具体来看，氢能源产业链的供给端包括上游制氢、中游储运氢和加氢站建设等三大环节；氢能源产业链的需求端则为下游氢能源的综合运用环节。图表：氢能源产业链分为上游制氢、中游储运氢以及下游氢能的综合应用等环节上演制氢中普健运复下薄氢能的媒合应用资料来源:中国氢能联亶,泽平安观“双碳”承诺下，能源清洁化成为大势所趋，氢能源产业链以其清洁化的优势，正处于从导入期过渡到发展期的上升阶段当中，迸发出巨大的潜力，未来有望在诸多清洁能源的技术路线中脱颖而出。我国氢能源相关政策陆续出台，产业链正在形成。2017年开始，中国燃料电池汽
6、车发展路线图、中国氢能源及燃料电池产业白皮书陆续对氢能技术和产业路线作出指引。2021年，2030年前碳达峰行动方案、关于深入打好污染防治攻坚战的意见、“十四五”节能减排综合工作方案，对氢能全产业商业化发展规划作出更高要求。2022年3月，国家发改委和能源局联合发布氢能产业发展中长期规划，提出了氢能产业发展各阶段目标：到2025年，基本掌握氢能源产业链相关的核心技术和制造工艺，可再生能源制氢量达到10-20万吨/年，部署建设一批加氢站，争取燃料电池车辆保有量约达到5万辆,实现二氧化碳减排100-200万吨/年。到2030年，形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系，有力支撑碳
7、达峰目标实现。到2035年，形成氢能多元应用生态，可再生能源制氢在终端能源消费中的比例明显提升。目前氢能源正处于爆发前夜，各环节技术正处于不断突破和迭代的窗口期，商业化进程加速，应用落地情况振奋人心。有望成为继光伏、风电和锂电池汽车产业链后，5至10年内清洁能源中最具希望的领域之一。长远来说，氢作为世界上占比达到75%左右的元素，未来氢能可广泛用于能源企业、交通运输、工业用户、商业建筑等领域，是实现我国能源清洁化的关键一环。氢能源既可以通过燃料电池技术应用于汽车、轨道交通、船舶等领域，降低长距离高负荷交通对石油和天然气的依赖；还可以利用燃气轮机技术、燃料电池技术以及氢储能技术，应用于分布式和集
8、中式发电，为家庭住宅、商业建筑等供暖供电。图表：氢能源下游燃料电池用途十分广泛，是实现能源清洁化的关键一环资料来源:公开资料,泽平宏观2、氢储能：大规模、长周期的绿电存储方案氢储能是一种依靠化石能源、电解水制氢，将其他形式的能量转化为氢能的储能形式。氢储能以其清洁性和强大储能特性，被视为未来能源革命的颠覆性技术方向，必然能在未来的储能市场中占据一席之地。相对于其他储能方式，氢储能具备诸多优势。一是氢能源可通过利用直流电，直接电解地球上及其丰富的水得到氢气，原料简单，没有资源焦虑问题。氢能可作为有效媒介，将无法上网或难以利用的弃光或弃风资源储存起来，解决新能源发电间隙性、随机性导致的废弃问题，成
9、为新型电力系统的有效补充。二是极强的时间和空间维度跨越性。光伏、风电与水电等新型能源发电存在季节性波动，如夏季雨水充足、冬季雨水稀少；夏季光照充足而冬季光照较少等。除了在季节上存在波动之外，新能源发电在空间分布上也极不均匀。以光伏发电为例，我国光照资源分布呈现出“西丰东贫”的格局。而从能源消费的格局来讲，以“胡焕庸线”为近似分界线，我国中东部地区能源消费量占全国比重超过70机在此基础上，为保证能源消费量更大的地区新能源发电成本更低、用量更充足，长距离的能源资源运输不可避免。氢储能具备更长的储能时长以及极高的储存容量，有望成为长时间、跨区域储能的有效解决方案。在储能时长上，氢储能基本没有刚性的储
10、存容量限制，可根据需要满足数天、数月乃至更长时间的储能需求，平滑可再生能源季节性的波动。在跨区域流动上，氢能的转移更为灵活，其运输不受输配电网络限制，可实现能量跨区域、长距离、不定向移动。图表：全球光伏发电空间分布不均，我国呈现“西丰东贫”的格局Long-term average f dilyyedy MnDeiiy5：wpYMdytunv730876102211613UU61160717531899204521912337资料来源:世界银行,ISA.泽平宏观注:该地图以全球光伏电池板以同一固定角度面向赤道为假设,得到全球光伏发电量分布情况,其中红色越深代表每千瓦峰值的太阳光照射下产生的电量越
11、多.图表：氢储能是最适合大规模、长周期的绿电存储方案储能时长1 year1 month1 week1 day1 hour1 min1secIkWh1MWh1GWh1TWh储能容量是极大的能量密度和热值。在能量密度上，氢储能的能量密度可达到140MJkg,是锂电池等电化学储能的100多倍，可以以更小的体积存储更多的能量，有效避免能量浪费的现象。在热值上，氢气热值可达120MJkg,是煤炭、天然气和石油等传统化石能源的3-4倍。随着相关技术的成熟，未来氢储能能够满足大规模、低成本、长周期、高能量密度的电能储存的技术需求，有效解决集中式、大规模的绿电弃电难题。氢能有望成为继抽水蓄能和锂离子电池储能后
12、的又一主流储能方式，成为我国新型储能系统的强力补充。图表：相对于其他传统化石能源，氢能热值更高资料来源:中国氢能联盟,泽平宏观图表：氢储能与电化学储能对比国内企业氧储能电化学储能储能时长小时一年分钟一小时最大储存容量TWh级GWh级能量转换效率较低（电能一氢能）较高（电能一化学能）能量密度140MJkglMJkg适用场景跨季节和跨区域的能量转移短期、高频波动的电储能资料来源:JoiScientific,CNESA.泽平宏观2.1关键技术一：制氢技术氢储能技术的发展需要重点关注制氢技术和氢储运技术两大环节。在制氢环节上，当前化石能源制氢和工业副产氢占据主流。具体来看，我国制氢来源60%以上为煤制
13、氢，19%天然气制氢，18席工业副产氢，仅设为电解水制氢。图表：我国氢源主要以化石能源制氢和工业副产氢为主煤制氢天然气制氢工业副产氢电解水制氢资料来源:中国煤炭产业协会,泽平宏观但化石能源制氢、工.业副产氢存在碳排放量高、氢气纯度低等缺陷。按照碳足迹的概念，目前氢能源的清洁性仍然是个伪命题。长期来看，电解水制氢仍然是最理想的制氢方式。随着其技术和成本的不断突破，未来将会形成光伏、风电，尤其是弃光、弃风以及弃电等清洁能源电解水制氢储能的新能源产业链闭环。化石能源制氢和工业副产氢将会成为短期内氢能源走向完全清洁化的过渡方案。未来通过绿色能源电解水制氢气，是将其他形式能源转化为氢能存储的关键。在此环
14、节中，一是需要重点关注制氢的用电成本，二是要关注电解槽技术的突破。用电方面，电解水制氢技术通过向电解质水溶液中通入直流电,将水分解成氢气和氧气。从制氢总成本来看,整个制氢环节成本以电费为主，占比超过60%,是未来需要重点突破的环节。电解技术方面，电解水制氢系统由电解槽、电力转换模块、水循环系统、氢气处理系统等组成，其中电解槽是电解水制氢的核心部分，由槽体、阳极和阴极组成，多数用隔膜将阳极室和阴极室隔开。制氢系统成本包含在电解水制氢总成本的固定成本范围内，电解槽占制氢系统总成本的40%-50机由于纯水的电离度很小，导电能力低，属于典型的弱电解质，所以需要加入氢氧化钠、氢氧化钾等更强的电解质，以加
15、强溶液的导电能力。因此根据电解质和隔膜的不同可分为碱性电解水制氢技术（AWE）、质子交换膜电解水制氢技术（PEM）以及固体氧化物电解制氢（SoE）技术等。目前我国主流电解槽技术有：碱性电解槽、质子交换膜电解槽技术。由于质子交换膜和钠电极催化剂等关键组件成本较高，导致质子交换膜电解槽的制造成本为相同规模碱性电解槽的35倍。因此我国以碱水电解制氢为主，已有数十年应用经验，技术相对更为成熟，质子交换膜纯水电解制氢在小范围内运用。相对来说，质子交换膜电解槽技术具有反应无污染、槽体结构紧凑、运行更加灵活、更适合可再生能源波动性等优点，目前已有越来越多的新建绿电制氢项目开始选择使用质子交换膜电解槽技术，有加速赶超的趋势。随着氢能源产业链商业模式逐步成熟，氢气需求的增加将不断提升质子交换膜电解槽的工作时长，会进一步实现质子交换膜电解槽成本的下降，叠加可再生能源电力成本的下降，最终质子交换膜电解槽制氢技术的成本会低于碱性电解槽。因此未来电解水制氢成本的下降除了需要实现用电成本的下降外，还需要实现电解槽技术进一步突破，挖掘更低成本并能大幅商业化的电解槽技术。图表：电解水制氢总成本以电费为主 电费 固定成本 设备维护
