高鹄新能源系列研究（二）：中国绿氢产业化展望

从农业文明起,人类陆续经历了生物质能时代、化石能源时代,而今我们已步入以风光电氢为代表的可再生能源新时代。高鹄资本作为中国领先的新经济投行,长期关注能源革命带来的产业变革机遇。在深入产业链调研与分析后,高鹄资本推出新能源产业专题系列研究,将就电池、光伏、氢能、储能等重点能源赛道陆续输出我们的洞见与思考。

作为新能源专题系列研究的第二篇,本文将主要分享高鹄资本对于氢能产业的观点,包括氢能的分类、优势、产业发展、生产制造、应用场景与投资建议。我们希望借此文与产业内的企业家与投资人进行交流,也期待后续的系列文章能够引发大家更多的共鸣与思考,从而产生更深入的探讨。

前言:

21世纪以来,受石油资源日渐减少、气候变化全球治理形势紧迫的影响,人类对发展生态友好、绿色低碳社会的需求不断提升,以“低碳化、无碳化”理念为核心的新一轮能源变革在全球兴起,这将引领人类社会经历新一次从经济发展到政治文明的巨大飞跃。

高鹄新能源团队认为,氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的二次能源,将成为新一代能源革命的重要载体。而氢能的发展尚处于早期,包括生产、储运、应用在内的氢能产业建设将成为中国能否引领全球能源变革的关键,在技术、产品、商业模式等方面做出创新和突破的创业公司将有机会成为能源行业的新一代领先企业。

一、氢能的特性及优势

从第一性原理出发,氢能本身的优秀特性使其有望成为主要的新一代能源:

资源丰富:氢是宇宙中分布最广泛的物质,构成了宇宙质量的75%,供给极为充足。

绿色清洁:氢气无毒害,生产及使用过程无污染、无碳排。

比能量高:常见燃料中氢气热值最高(142KJ/g),分别是汽油和煤炭的约3和4.5倍。

燃料安全性:氢气的安全性优于天然气和石油,密度仅为空气7%,挥发快,不易形成可爆炸的气雾。

加注高效:短时间即可完成加氢。

工作温度适应性广:-30 - 120度。

参考国际能源机构针对氢能在全球能源总需求中占比的预测,到2050年氢能在全球能源中的占比将超过10%,最乐观的预测甚至将超过20%。

此外,2021年数据显示中国原油对外依存度超过70%,天然气对外依存度超过45%。在世界政治格局日趋变化的环境下,提升氢能的使用占比,有利于减少中国对进口能源的依赖,对提升国家能源的独立性和安全性具有重大战略意义。

二、氢气的分类与发展趋势

目前按照氢气的制取方式,可以将氢气分为灰氢、蓝氢和绿氢:

灰氢:从化石燃料制取的氢气,碳排放高。

蓝氢:取自化石燃料,但通过CCS(碳捕集与封存)制取的氢气,碳排放相对低。

绿氢:风电/光电等可再生能源电解水制取的氢气,几乎没有碳排放。

目前最主要的三种制氢方式分别为化石燃料制氢、工业副产氢、电解水制氢。化石燃料制氢和工业副产氢的技术较为成熟、生产成本低,是我国目前产业化制氢的最主要途径,但产物主要以灰氢为主。增加CCS流程制取蓝氢可作为向绿氢过渡阶段的解决方案。从长远来看,接近零碳排放的绿氢是氢能利用的最理想形态,但目前受制于技术门槛和较高成本,实现绿氢的大规模应用还有待时日。

同时,由于我国风电、光伏装机量快速提升,可再生能源发电的波动性使得并网压力不断增大,各地可能产生弃电现象。而利用可再生能源发电供能,使得电解水制造绿氢成为风光电消纳的最佳途径之一,发电成本快速下降。随着可再生能源发电成本的快速下降(在电解水制氢的成本中,电力成本占比高达60%以上),以及电解槽技术的发展和效率提升,可再生能源电解水制氢的成本优势也将愈发凸显。2022年3月国家发改部门发布的《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》明确提到2025年可再生能源制氢量将达到10-20万吨/年,2035年可再生能源制氢在终端能源消费中的比重将明显提升。

下文将对绿氢的上游生产以及下游应用进行具体论述。

三、绿氢的生产制造

按照工作原理和电解质的不同,目前电解水制造绿氢的主要技术分为三种:碱性电解水技术(ALK)、质子交换膜电解水技术(PEM)、固体氧化物电解水技术(SOEC)。

碱性电解水技术(ALK):技术较为成熟,成本相对较低。目前中国约80%的可再生能源制氢项目采用碱性电解水制氢技术,其下游应用在电力、冶金、化工、电子、交通等众多领域,相关产业链发展已较为成熟。

质子交换膜电解水技术(PEM):相比ALK技术,具有电流密度高、设备体积小、产出氢气纯度高、响应速度快等众多优点,与波动性和随机性较大的风电和光伏具有良好的匹配性。随着可再生能源制氢的快速发展,质子交换膜电解水技术的发展和商业化有望进一步提速。

但该技术整体还处于商业化初期,PEM电解槽的关键零部件对国外进口的依赖度较高。提升产业链的国产化程度是目前推动质子交换膜电解水技术发展的关键:

质子交换膜:PEM电解槽比燃料电池使用的质子交换膜更厚,加工过程易发生肿胀和变形,加工难度更大,目前大多采用全氟磺酸基聚合物为主要材料,主要依赖杜邦NafionTM等海外进口产品。

催化剂:在PEM电解槽的强酸性工作环境,阴极和阳极催化剂需选用耐腐蚀的铂、铱等贵金属,成本高且供给依赖进口(例如全球铱产量约7-7.5吨/年,85%左右产自南非),供给稳定性存在隐患,降低贵金属含量成为当前研发的主要方向。

气体扩散层:通常选择耐腐蚀性强的钛基材料,制作钛毡结构的气体扩散层,制作工艺较为复杂,目前国内生产企业较少,主要以进口产品为主。

双极板:同样需要选用钛基双极板,主要使用海外进口品牌为主。

固体氧化物电解水技术(SOEC):具有单机容量大、转换效率高等优点,且SOEC电解设备在高温工作下,可以大幅减少电能的消耗并有效利用工业场景的废热。但该技术目前处于研发和示范阶段,尚未实现规模化商业应用,且高温工作环境也对材料的选择提出了更多新要求。从长远来看,随着技术和材料的成熟,固体氧化物电解水技术有望成为可再生能源制氢的重要方式。

四、绿氢的应用场景和发展潜力

根据中国氢能联盟预测,在2060年碳中和目标下中国氢气年需求量将增至1.3亿吨左右,其中工业领域用氢量最大,占比达60%;交通领域用量高速增长,占比将达到31%;电力和建筑领域占比分别为5%和4%。

由此可见,将来绿氢在工业和交通领域应用的发展潜力相对较高,后文中我们也将重点针对绿氢在工业和交通领域的应用进行详细论述。

(一)工业领域

1、氢冶金:

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