架橋觀點 || 新興能源系列:制氫行業現狀分析及未來機遇

2023-06-12 11:27

架橋觀點

(本文數據及觀點為走訪調研后整理分析得出,不構成任何投資或決策建議。)

摘要

綠氫是發展必然趨勢。短期內煤氣化制氫占據資源、成本優勢,但技術成熟度高,降本空間小,投資關注度較低;工業副產氫碳排放和價格優勢相對明顯,是過渡階段重要的制氫方式,但生產基于化工企業現有生產規模上,新進者少,可投機會少。受政治、能源安全、產業鏈建設等因素影響,綠氫是發展的必然趨勢。


ALK最成熟、PEM有前景、SOEC/AEM是遠期。目前電解水制氫按照不同的技術主要分為堿性電解水制氫技術(ALK),質子交換膜制氫技術(PEM)和固體氧化物電解水制氫技術(SOEC)。整體而言,堿性電解水制氫產業鏈較為成熟,國內成熟公司、創業公司已涉足此方案的有近百家。質子交換膜電解水尚處于商業化早期。固體氧化物電解水還未商業化,仍有技術難點有待攻關。


關注PEM核心零部件企業、ALK資源稟賦強企業、核心技術來源清晰可靠的AEM/SOEC企業。電解水制氫領域,可關注相關的關鍵材料、零部件、系統突破的先入優勢企業公司。尤其是PEM制氫依托技術進步和材料突破,其降本空間大,同時在離網模式下與再生能源發電適配性強,受益電價下行的優勢更明顯;關注PEM制氫產業鏈上游聚焦質子膜、催化劑、雙極板、電解槽制造的相關公司。在ALK電解槽中高質量隔膜的國產化是行業內的機遇之一。此外,關注資源稟賦優秀,可率先從示范項目過渡到市場化項目的ALK電解槽制造商。

風險提示

產業化進程可能不及預期。

(本文數據及觀點為走訪調研后整理分析得出,不構成任何投資或決策建議。)


正文

制氫產業背景及相關政策

  • 國家為什么要大力推動氫能?

供給側:碳達峰、碳中和的本質,是減少對石油、天然氣、煤炭等化石能源的依賴,提升風電、光電等可再生能源的比例。從宏觀角度,這優化了我國能源結構、提升了能源系統安全性,甚至是大國博弈中擺脫“石油-美元”、打造“電力-人民幣”的重要環節。


推動氫能源的本質是推可再生能源。可再生能源最大的問題是間歇性和波動性,而電網必須遵守供需平衡,會造成大量棄風棄電,所以需要儲能。

氫儲能與鋰電儲能對比

圖片

資料來源:公開資料,架橋資本整理

需求側:

(1)氫應用于交通領域(氫動力)

氫能交通是氫能利用的先導,其使命是帶動氫能的全面發展。氫在商用車上確實可以解決剛需需求,尤其是低溫、重載、長距離上。從商用車的角度,只要在幾處固定地點(如高速公路入口、大型物流園區)建立氫配套設施,就能短時間內達到較好的經濟效果。


我國在推廣新能源車方面上積累了深厚經驗,不但推動了能源結構的良好轉型,還扶植起了相關產業鏈,可以說是一舉多得。燃料電池車是氫能的先驅,車的產業鏈足夠長,足夠大。通過車的全產業鏈應用來推動氫能發展,可以把氫的制儲運用都帶起來。這也與國家補貼氫產業全環節的政策導向一致。


汽車、機車、輪船、飛機等甚至工程機械都可以使用氫動力系統

圖片

資料來源:公開資料,架橋資本整理


(2)氫應用于儲能和發電(氫儲能)

氫能儲能是新能源電力系統的核心技術,氫能是集中式可再生能源大規模長周期低成本儲存的最佳途徑之一。


氫能是一種長周期、大容量、低成本儲能方式。能源利用充分性和規模儲能經濟性:大容量長周期儲能模式對可再生電力的利用更充分,且固定式規?;瘍浔入姵貎﹄姷某杀镜鸵粋€數量級。

氫儲能與其他技術路線對比

圖片

資料來源:公開資料,架橋資本整理

(3氫應用于工業原料(氫工業)

氫氣作為重要的工業原料,主要應用于冶金和化工(合成氨、甲醇等)領域,綠氫應用可有效降低生產過程中的碳排放。


IEA數據顯示,生產1噸鋼鐵、1噸氨和1噸甲醇的CO2排放分別1.4噸、2.4噸和2.1噸,2020年鋼鐵、氨和甲醇共排放32.7億噸CO2,生產需要5000萬噸氫氣。

可再生能源制氫(SOEC)用于煉鋼

圖片

資料來源:公開資料,架橋資本整理

氫在能源低碳轉型中氫能產業的巨大帶動作用。氫能產業鏈長、產值高、吸收就業人口多,應用覆蓋面廣。氫能可同時滿足資源、環境和可持續發展要求,又是理想的能源互聯媒介,是促進能源向低碳環保方向轉型的最佳途徑。氫燃料電池是氫能到電能的轉換橋梁,是氫能利用的重要載體,能夠廣泛應用在能源互聯網、交通、軍工國防等領域。


氫能除能源屬性外,還有材料屬性,可廣泛用于石油煉制、化肥、集成電路等,帶動電解槽和燃料電池、儲能裝備發展。


氫能是眾多傳統產業轉型升級的理性選擇,技術延續性好,而不是完全顛覆:汽車、動力、能源(化石、煤炭、核能、電力、鋼鐵等)、化工及過程工業。

圖片

國家將氫能列為戰略性新興產業。2022年3月23日,國家發改委和能源局聯合印發《氫能產業發展中長期規劃(2021-2035年)》,明確氫能是戰略性新興產業和未來產業重點發展方向,進一步凸顯氫能作為能源屬性的重要戰略地位。發展氫能可以保障國家能源安全,減少對化石燃料的進口依賴,解決能源與環境尖銳矛盾,實現碳減排目標,是交通運輸、工業和建筑等領域大規模深度脫碳的最佳選擇。氫能源產業鏈較長,發展氫能源能夠帶動上下游產業共同發展,為經濟增長提供強勁動力。


政策支持不斷加碼。自“十三五”至“十四五”,國家政策有序加碼,明確其發展目標、重點任務以及保障措施等,積極引導氫能產業的健康發展。自2020年以來,已有北京、上海、廣東、浙江等16個省市先后制定了氫燃料電池汽車產業相關政策和規劃,對加氫站的規劃建設、氫燃料電池汽車的推廣應用、核心產業鏈的布局等都進行了詳細布局。綜合來看,在雙碳背景下,未來氫能的應用場景勢必大幅擴充,氫能上游——制氫領域有望迎來爆發。

22年下半年至今國內涉及制氫政策梳理

圖片

資料來源:公開資料,架橋資本整理

ALK電解水制氫——相對成熟的技術方案

ALK電解水制氫基本原理:在堿性電解質下,水在直流電作用下電解成氫氣和氧氣。(ALK:alkaline electrolyzers,堿性電解槽)


水分子在直流電作用下,在電解槽內兩級發生氧化和還原反應,水分子在陰極被還原,生成氫氣和氫氧根離子,氫氧根離子穿過物理隔膜到達陽極,在陽極析出氧氣,生成氧氣和水?!皦A性電解水“中,堿性指在堿性電解質環境下進行電解水制氫,電解質通常為NaOH溶液或KOH溶液。

ALK電解水制氫原理

圖片

ALK電解水制氫核心零部件:電解槽,包括極板、極框、隔膜、電極、BOP輔助系統。


極板和極框:電解槽中支撐用的組件,用于支撐電極和隔膜,以及導電。一般采用鑄鐵金屬板、鎳板或不銹鋼金屬板。


隔膜:主要作用是防止氫氣氧氣混合。常用的隔膜包括石棉隔膜,聚四氟乙烯樹脂改性石棉隔膜,聚苯硫醚隔膜PPS,聚砜類隔膜PSF和聚醚醚酮隔膜PEEK。不同的隔膜在具備不同性能的同時也具備一定的缺陷,例如石棉隔膜具有溶脹性,將會使電解過程能耗升高從而限制電解溫度,同時還具有一定毒性;而國內目前使用范圍較廣的PPS隔膜則具有電阻高,親水性差的弱點。目前國內的PPS隔膜大部分依賴進口品牌供應。


電極:電化學反應發生的場所,也是決定電解槽制氫效率的關鍵。目前大多電解槽使用的電極為鎳基電極,常見的如鎳網,泡沫鎳等。


輔助系統:包括電源供應系統、控制系統、氣液分離系統、純化系統、堿液系統、補水系統、冷卻干燥系統和其他附屬系統。

ALK電解槽基本構成

圖片

堿性電解槽成熟度高,是目前應用最廣泛的制氫路線。關注隔膜等尚未實現國產的核心零部件、資源稟賦突出的整機制造商。


單臺電解槽制氫能力越大,其購置價格也越高。國內單臺電解槽制氫能力從幾十到1500Nm3/h。其中1000Nm3/h的制氫能力的單臺堿性電解槽價格在700萬-1000萬元之間。

制氫成本對比

圖片

數據來源:IRENA機構披露

ALK制氫降本驅動因素

圖片

資料來源:公開資料,架橋資本整理


PEM電解水制氫——未來預期的主流方案

PEM質子交換膜電解制氫:前景較好的技術路線,與燃料電池屬逆反應,技術成熟度尚未達到批量要求。(PEM:Proton Exchange Membrane 質子交換膜)


純水通過進水通道進入催化層,在直流電源和催化劑的共同作用下,陽極產生氧氣和氫離子,氫離子穿過質子交換膜與陰極的電子結合產生氫氣。PEM電解水制氫純度較高,僅存在少量水蒸氣,經過干燥后可直接用于燃料電池。

PEM制氫原理

圖片

資料來源:公開資料,架橋資本整理

PEM電解水制氫核心零部件功能介紹:由雙極板、多孔擴散層、質子交換膜、陰陽極催化層組成。


雙極板:材料主要包括石墨材料、金屬材料和復合材料。石墨材料導電性能優異,但是材料較脆;復合材料性能優異,但是受限于成本問題;金屬材料導電性能好、易于加工,是目前最常用的雙極板材料。但是金屬材料雙極板在PEM電解槽運行過程中,容易腐蝕金屬,造成PEM電解槽污染。目前的解決方法是在雙極板表面添加涂層??梢圆捎脽釃娡考夹g在不銹鋼雙極板上噴涂Ti涂層,通過Pt對Ti 涂層進行表面改性,可達到與鈦基雙極板同樣的性能。


催化劑:析氫催化劑材料選擇耐腐蝕的Pt、Pd貴金屬及其合金為主?,F有商業化析氫催化劑Pt載量為0.4~0.6 mg/cm2,貴金屬材料成本高,阻礙PEM水電解制氫技術快速推廣應用。為此降低貴金屬Pt、Pd載量,開發適應酸性環境的非貴金屬析氫催化劑成為研究熱點。


質子交換膜:質子交換膜不僅傳導質子,隔離氫氣和氧氣,而且還為催化劑提供支撐,其性能的好壞直接決定水電解槽的性能和使用壽命。目前水電解制氫所用質子交換膜多為全氟磺酸膜,制備工藝復雜,長期被美國和日本企業壟斷。


膜電極:膜電極制備方法分為CCS法和CCM法。CCS法將催化劑活性組分直接涂覆在氣體擴散層,而CCM法則將催化劑活性組分直接涂覆在質子交換膜兩側。CCM法催化劑利用率更高,大幅降低膜與催化層間的質子傳遞阻力,是膜電極制備的主流方法。

PEM電解水制氫基本構成

圖片


PEM電解水制氫成本及降本展望:關鍵技術與材料仍需依賴進口,是投資機會的主要分布區域。


PEM電解水制氫投資主要包括設備投資,有電解槽、公輔裝置、壓縮機、儲運裝置等。雙極板、膜電極、催化劑成本分別占PEM電解槽總成本的48%、10%、8%。質子交換膜電解槽制氫成本高于堿性電解槽。1000Nm3/h的制氫能力的單臺質子交換膜電解槽成本約3000萬元。目前質子交換膜電解槽關鍵技術與材料仍需依賴進口,使得其價格居高不下。

PEM電解水制氫成本構成

圖片

資料來源:IRENA機構披露


PEM電解水制氫降本驅動因素

圖片

資料來源:公開資料,架橋資本整理


其它前瞻電解水制氫方案簡介

SOEC固體氧化物電解制氫基本原理:電解質為致密的固體氧化物層,材料體系尚未形成統一標準。

按照電解質載流子的不同,可分為氧離子傳導型SOEC和質子傳導型SOEC,目前研究較多和發展更為成熟的是氧離子傳導型SOEC。(SOEC:Solid Oxide Electrolyzer Cell 固體氧化物)


固體氧化物電解池核心組成包括:電解質、陽極和陰極。中間是致密的電解質層,兩邊為多孔的氫電極和氧電極。以氧離子傳導型SOEC為例,較高溫度下(700-900°C),在SOEC兩側電極上施加一定的直流電壓,H2O在陰極被還原分解產生H2和O2-,O2- 穿過致密的固體氧化物電解質層到達陽極,失去電子生成O2。

SOEC固體氧化物電解制氫原理

圖片


SOEC制氫技術難點主要在于:


1)關鍵材料研發。高溫對材料的性能提出了更高要求,如何在高溫下具有較好的熱穩定性和化學穩定性,不同組件間的熱膨脹系數匹配,相態和晶體結構穩定,具有一定的強度和抗熱沖擊能力,同時保證材料易于加工、成本盡可能低,是國際難題。


2)目前SOEC原材料體系均由廠家獨自設計制造,每家設計的SOEC產品支撐結構不同,生產配套的原材料也不一樣,目前還沒有完備的供應鏈,這就導致如果固體氧化物電解池中某一環節原材料開發出現問題,整體將面臨開發失敗的風險。


3)SOEC技術也面臨所有電解水制氫都無法繞開的難題——用電價成本高。電解水制氫70%的成本是電價,只有電價高的難題解決了,綠氫市場才能進一步壯大。

國內SOEC有關動態

圖片

資料來源:高工氫電,架橋資本整理

AEM(固體聚合物)陰離子交換膜電解制氫:前景美好,膜的物理、化學性能均有較高要求,尚難以解決。

作為最新的電解水技術,陰離子交換膜(AEM)電解槽的潛力在于將堿性電解槽的低成本與PEM的簡單、高效相結合。該技術能使用非貴金屬催化劑、無鈦部件,并和PEM一樣能在壓差下運行,但是目前AEM膜存在化學、機械穩定性的問題,影響壽命曲線。此外,AEM膜的傳導性低,催化動力學慢和電極結構較差也影響著AEM的性能。AEM將面臨的挑戰主要是研制更薄或具有更高電荷密度的膜,同時對BOP輔助系統也提出了較高的要求。


目前AEM技術尚處于研發階段。國際上領先的開發、制造商是意大利的ENAPTER,其實現了小型產品的商業化。

行業宏觀及參與廠商

目前電解水制氫按照不同的技術主要分為堿性電解水制氫技術(ALK),質子交換膜制氫技術(PEM)和固體氧化物電解水制氫技術(SOE)。整體而言,堿性電解水制氫產業鏈較為成熟,國內成熟公司、創業公司已涉足此方案的有近百家。質子交換膜電解水尚處于商業化早期。固體氧化物電解水還未商業化,仍有技術難點有待攻關。

三種主流電解水制氫工藝對比

圖片

資料來源:IRENA機構披露,架橋資本整理

從市場規???,2030年可再生能源氫氣制取市場規模將達到1118億,總利潤接近200億。


結合國內氫氣需求量的預測及氫氣供給結構的預測,可以估算出可再生能源電解制氫的每年總制氫量。同時根據電解槽成本預測模型,如果單個電解槽產氫速率為1000Nm3/h,每年工作4000小時,則單個電解槽的氫氣年產量約為357噸,據此可以簡單估算出每年的大型電解槽的需求數量。

大型電解槽的需求數量測算

圖片

數據來源:中國氫能聯盟、架橋資本整理

  • PEM電解槽及相關部件的投資機會分析:雙極板

格局:國外已經形成了成熟的雙極板產業鏈,在制造工藝、質量、成本控制和批量化生產等方面均已形成成熟的產業化體系,掌握極板設計、精密制造及耐蝕涂層開發等核心技術;國內石墨板技術已相對成熟可實現產業化,但有較重、易碎等缺點。金屬雙極板主要以鈦材、不銹鋼+耐腐蝕涂層為主,材料和制作成本較高。


趨勢1、大功率、長壽命和低成本是未來發展趨勢;(1)金屬板:重點在于延長使用壽命。通過涂層改性技術,提高雙極板耐腐蝕性,規?;a降低成本成為未來的發展方向;核心優勢在于厚度較薄,體積功率密度較高,問題在于壽命不及商用車壽命預期;由于流場設計、制造工藝及成本控制要求較高,目前已初現產業鏈分工。(2)石墨板:重點在于減薄厚度,通過規?;a實現低成本。核心優勢在于壽命較長,隨著厚度接近金屬板,體積功率密度提高,在商用車領域將更具備優勢。


2、未來創新性的流場設計、高效的制造工藝及嚴格的成本控制,是雙極板制造的趨勢。

PEM雙極板國內外企業梳理

圖片

資料來源:公開資料,架橋資本整理

(表格數據均來自公開信息,非上市去企業已隱去公司具體名稱,不構成投資推薦或操作建議)

  • PEM電解槽及相關部件的投資機會分析:膜電極

格局:早期國內使用的膜電極以進口Gore、巴拉德等為主,2020年以來膜電極國產化率提高。國產膜電極的性能與國際水平接近,但專業特性(例如鉑載量,啟停,冷啟動,抗反極等)與國際水平還有一定差距。目前市場份額較大的有XXXX、XXXX等,部分后發企業逐步追趕,同時,部分電堆企業自建膜電極生產線 。


趨勢:1.卷對卷涂布工藝為膜電極主流生產工藝。目前國外多數膜電極產線生產工藝為RolltoRoll涂布工藝 ,國內 MEA 生產工藝前期主要為噴涂技術,2019 年開始逐步有相關產線建成。


2.功率密度、耐久性和貴金屬Pt使用載量等技術參數有待進一步提升。目前國際上最先進的膜電極商業化產品的功率密度在1.4-1.5W/cm2范圍內,國內量產膜電極的功率密度為1.0-1.2W/cm2;鉑載量方面,合金催化劑將是低鉑化膜電極的一個發展方向。

PEM膜電極國內外企業梳理

圖片

資料來源:公開資料,架橋資本整理

(表格數據均來自公開信息,非上市去企業已隱去公司具體名稱,不構成投資推薦或操作建議)


  • PEM電解槽及相關部件的投資機會分析:催化劑

格局:目前國內燃料電池催化劑仍以進口為主,日本田中貴金屬 (TKK)、英國莊信萬豐 (JM) 和比利時優美科(Umicore)是全球最大的幾家燃料電池催化劑供應商,催化劑制備技術處于絕對的領先地位,性能穩定,可靠性高。國產催化劑在市場占有率和產品性能方面仍落后于進口催化劑,大多企業處于送樣測試驗證階段,部分企業已實現批量化產業投產,以獎代補示范政策將加快國產催化劑產業化進程。


趨勢:新型高穩定、高活性Pt或非Pt催化劑是主流研究方向。車用頻繁變載的行駛工況將導致催化劑碳載體高電位腐蝕與催化劑衰減,空氣中微量的氮/硫化物也會對鉑產生毒化作用,影響催化劑的耐久性等性能。減少鉑基催化劑用量、提高功率密度(催化活性),是降低氫燃料電池系統商用成本的重要途徑。

PEM催化劑國內外企業梳理

圖片

資料來源:公開資料,架橋資本整理

(表格數據均來自公開信息,非上市去企業已隱去公司具體名稱,不構成投資推薦或操作建議)


  • AEM電解槽整機參與企業

格局:目前有關AEM電解水技術的示范項目非常有限,大多處于研究階段。目前國際上相對領先的AEM系統制造公司為意大利Enapter公司,其能完成AEM電解設備的設計、制造、測試,并配套相應輔助設備。陰離子交換膜的領先企業為贏創化學。


在國內,以XXXX和XXXX兩家初創企業為主,其尚未進行規?;\行。


架橋資本關注重點

  • 綠氫是發展必然趨勢

短期內在煤氣化制氫占據資源、成本,但技術成熟度高,降本空間??;工業副產氫碳排放和價格優勢相對明顯,是過渡階段重要的制氫方式,但生產基于化工企業現有生產規模上,新進者少,可關注機會較少。受政治、能源安全、產業鏈建設等因素影響,綠氫是發展的必然趨勢。


  • ALK最成熟、PEM有前景、SOEC/AEM是遠期

目前電解水制氫按照不同的技術主要分為堿性電解水制氫技術(ALK),質子交換膜制氫技術(PEM)和固體氧化物電解水制氫技術(SOE)。整體而言,堿性電解水制氫產業鏈較為成熟,國內成熟公司、創業公司已涉足此方案的有近百家。質子交換膜電解水尚處于商業化早期。固體氧化物電解水還未商業化,仍有技術難點有待攻關。


  • 關注PEM核心零部件企業、ALK資源稟賦強企業、核心技術來源清晰可靠的AEM/SOEC企業

電解水制氫領域,可關注相關的關鍵材料、零部件、系統突破的先入優勢企業公司。尤其是PEM制氫依托技術進步和材料突破,其降本空間大,同時在離網模式下與再生能源發電適配性強,受益電價下行的優勢更明顯;關注PEM制氫產業鏈上游聚焦質子膜、催化劑、雙極板、電解槽制造的相關公司。在ALK電解槽中高質量隔膜的國產化是行業內的機遇之一。此外,關注資源稟賦優秀,可率先從示范項目過渡到市場化項目的ALK電解槽制造商。


風險提示

產業化進程可能不及預期。


(本文數據及觀點為走訪調研后整理分析得出,不構成任何投資或決策建議。)


免責條款:本報告信息均來源于公開資料,我公司對這些信息的準確性和完整性不作任何保證。報告中的內容和意見僅供參考,并不構成對所述企業的投資決策。我公司及其雇員對使用本報告及其內容所引發的任何直接或間接損失概不負責。我公司或關聯機構可能會持有報告中所提到的企業的權益并進行交易,還可能為這些企業提供或爭取提供投資銀行業務服務。本報告版權歸深圳市架橋資本管理股份有限公司所有,未經書面許可任何機構和個人不得以任何形式翻版、復制、刊登。