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氢能源未来发展趋势及全产业链梳理,下一个“锂电池”市场
2021/9/6 14:46:27

在“双碳”目标的推动下,凭借着多年在锂电池技术上的发展和宁德时代、比亚迪这样优秀公司的崛起,我国目前正在大力推动锂电池技术的发展。但是锂电池的短板决定了短时间内只能应用于乘用车,而贡献了碳排放77%的商用车市场也需要新能源技术替代原本的燃油车

‍乘用车只贡献了20%排放,商用车则贡献了77%

这一市场未来可能会由氢能源填补

氢燃料电池是一种非燃烧过程的能量转换装置, 通过电化学反应将阳极的氢气和阴极的氧气(空气)的化学能转化为电能。燃料电池结构单元主要由膜电极组件和双极板构成,其中膜电极组件是由质子交换膜、 催化剂与气体扩散层组合而成的,为反应发生场所;双极板是带流道的金属或石墨薄板,其主要作用是通过流场给膜电极组件输送反应气体,同时收集和传导电流并排出反应产生的水和热

和锂电池比起来,氢燃料电池有一个巨大的优势,就是能量密度,二者差了100多倍,

这就意味着,如果应用在重卡这样的商用车上,锂电池的重量要远远大于氢能源,商用车要把原本用于放货物的空间挪给电池组,这明显是划不来的

氢燃料电池最大的应用场景在重卡一类的商用车

锂电池只有做到半固态或固态电池,能量密度达到500wh/kg,才有可能应用在纯电重卡上

从能量保存时间段来看,电池每天都会有电量流失,而氢能源则是按照季度、月计算的,氢能源的使用也不受温度限制,因此氢能源理论上的应用场景是要比锂电池多得多的

从商业化程度来看,锂电池已经相当成熟,从最早的镍氢电池,到手机用的三元电池,再到车用锂电池,技术的迭代是连续的,也就是说开发者不需要从零开始研究车用电池,只需要在发展现有的技术,把原本用于手机的电池用在汽车上就好了

而氢能源电池没有像手机这样的应用场景,一上来就是车规级。发展难度可想而知

基础设施方面,电网本来就有,只需要铺设充电桩就好了,而加氢站却没有现成的基础设施可以铺设,加氢站的发展速度远远落后于充电桩

"> 充电桩加氢站对比

从成本角度看,随着大规模应用,氢燃料电池规模越大、单个罐子越大、压缩机流量越高越经济。长期来看燃料电池是优于锂电池的

从能源成本(充电/氢气)来看,氢燃料车的百公里能源成本远大于电车。目前终端氢气价格大约是60元/kg,锂电池平均900元/kwh。当氢气下降到30元/kg时,锂电池下降到700元/kwh可实现与传统燃油车平价,很明显,锂电池只差20%,而氢能则差50%

锂电池经过多年的发展使其较早完成了商业化,但短期来,除非固态电池技术出现大的突破,否则看只能应用于乘用车,相对而言,氢能源在能量密度上的优势和大规模应用之后的成本优势使其可能成为新能源商用车的不二之选,而商用车占了77%的排放总量。这也是我国大力发展氢能源的重要原因

氢燃料产业链分为上游制氢环节,中游储运环节和下游制造应用环节

在制氢环节,根据能源消耗的不同,可以分为“灰氢”、“蓝氢”和“绿氢”

灰氢、蓝氢和绿氢

“灰氢”是通过化石能源、工业副产等伴有大量二氧化碳排放制得的氢,生产成本较低、技术成熟、效率高,但制备过程中的碳排量较高。化石能源制氢主要有两种:

煤制氢是工业大规模制氢的首选,是我国目前成本最低的制氢方式,技术路线成熟高效、可稳定制备,但其设备结构复杂、运转周期相对较低、投资高、配套装置多,且碳排放量较高,2019 年我国煤制氢产量达到 2124 万吨/年,占我国氢气总产量的 64%

天然气制氢耗水量小、二氧化碳排放低、氢气产率高、对环境影响相对较小,目前国际主要使用天然气制氢,天然气重整制氢由于清洁性好、效率高、成本相对较低,占到全球 48%,2019 年我国利用天然气制氢产量为 460 万吨/年,占我国氢气总产量 14%

“灰氢”增长潜力主要来自于工业副产氢,工业副产氢综合成本仅为5-6元/Kg

煤制氢、天然气制氢、工业副产氢占了绝大部分氢供给

工业副产氢中又以焦炉煤气副产氢可供给量最大,2020年我国焦炉煤气可副产氢气 428.5 万吨,是未来我国工业副产氢最大的供给来源

氯碱副产氢具有氢气提纯难度小(提纯前氢气纯度可达 99%左右)、耗能低、自动化程度高等优点,特别是使用该法获取氢气的过程中不产生二氧化碳 ,相对绿色无污染

2020年我国氯碱副产氢生产总量可达 91 万吨,其中 60%的氢气被配套的 PVC和盐酸装置所利用,可对外供氢约 36 万吨

但是由于“十四五”期间,我国要消化部分焦化行业过程产能,氯碱装置新增产能也有限,这两种制氢方式都难有大的增量

可能带来增量的是PDH副产氢,PDH是制备丙烯的重要方式,丙烷在催化剂条件下通过脱氢生成丙烯,其中氢气是丙烷脱氢的副产物,2020 年我国已经投产的 PDH 装置合计产能 776 万吨/年,PDH 副产氢达 23.6 万吨/年

预计未来我国 PDH 扩产将超过 3000 万吨/年,贡献90万吨/年以上的副产氢潜在增量

“蓝氢”是在“灰氢”的基础上,利用CCUS技术降低碳排放,实现低碳制氢,蓝氢是从灰氢到绿氢的过渡阶段

CCS(Carbon Capture and Storage,碳捕捉和封存) 技术是指将二氧化碳收集并送到封存地点,避免直接排放到大气中的技术

CCS技术

使用CCS技术煤制氢碳排放当量下降约一半,但是碳排放依然很高,主要是因为结合 CCUS 的煤制氢系统消耗大量电力导致大量间接温室气体排放

结合CCS技术的煤制氢碳排放下降约一半

另外,采用CCS技术制氢的两种化石能源制氢方式,会导致制氢成本上升,其中煤制氢上升33.3%,天然气制氢上升81.8%,但仍然低于电解水制氢成本

CCUS则是CCS技术新的发展趋势,即把生产过程中排放的二氧化碳进行提纯,继而投入到新的生产过程中,可以循环再利用,而不是简单地封存。我国对于CCUS技术的开发程度并不比国际先进水平落后

我国煤储量丰富而天然气不足,煤炭成本更低,但由于煤的品质较差,叠加后续的除杂工程后,采用CCUS技术后的煤制氢综合成本反而更高于天然气制氢

采用CCUS的天然气制氢和煤制氢对比

“绿氢”,也称可再生能源电解水制氢,生产过程基本不会产生温室气体,经济性主要取决于电费,占制氢成本的85%,由于成本的限制,2020 年我国电解水制氢只占 3%,当电价低于 0.3 元时,电解水制氢成本与其他工艺路线相当

主要制氢方法成本对比

不过受益于可再生能源成本下降以及碳排放约束,2020-2030 年间“绿氢”比例将从 3% 上升 15%

其中,光伏制氢是最具潜力的电解水制氢方式,比如中国石化今年 2 月在新疆库车规划1GW光伏制氢项目,预计年产氢气 2 万吨,建成后将成为全球最大的绿氢生产项目

几大光伏、石化龙头也都开始了光伏制氢的布局,比如:

隆基股份2021 年与中国石化、明阳智能、无锡高新区政府等公司或部门签订合作协议,布局光伏制氢、氢能设备、风光储氢一体化等项目

阳光电源2020 年与吉林白城市、山西运城市签订合作协议,布局光伏制氢、清洁能源消纳示范基地等项目

宝丰能源在2021年4月,国家级太阳能电解水制氢综合示范项目正式投产,包括 200MW 光伏发电装置和每小时 2 万标方的电解水制氢装置

各龙头在氢能源领域的布局各有优缺点

除了用电成本,不同制氢路线的设备成本差别也很大,电解水制氢主要分为碱性电解水、质子交换膜电解水 (PEM ) 和固体氧化物电解水(SOE) 三类,其中:

碱性电解水技术已经实现工业规模化产氢,技术成熟,配套成本低,但耗电量高于其他技术路线

PEM 处于产业化发展初期,在耗电量和产氢纯度方面都占优,但由于质子交换膜等核心部件依赖进口,电解槽成本昂贵,因此总体成本比电解水制氢高40%左右。随着核心部件国产化、技术进步及规模效应降本,根据中国电动汽车百人会的预计,2030 年PEM在电解水中的市占率将达到 10%

SOE 还处在实验室开发阶段

绿氢主要技术路线对比

在储运环节,高密度储存一直是一个世界级难题,目前主要有高压气态储氢、低温液态储氢和储氢材料储氢三种方式

高压气态储氢是目前最常用并且发展比较成熟的储氢技术,其储存方式是采用高压将氢气压缩到一个耐高压的容器里,比如钢瓶,优点是结构简单、压缩氢气制备能耗低、充装和排放速度快。但是存在泄露爆炸隐患,安全性能较差

我国目前以高压气态长管拖车为主,随着氢能的大规模应用,我国未来会加速氢气运输管道的建设

液态储运的储氢密度高,能运送大量氢气,适用长距离运输。难点在于把氢气从气态转化为液态,容器要求也更高,需要能够耐超低温和保持超低温。目前海外超过 1/3 的加氢站使用液态储运的方式

固态储氢是使氢气溶于液氮或有机液体中进行运输,技术难度较大,还处于研发阶段。如果固态储氢技术出现技术突破,氢能源将很可能应用于乘用车上

储氢材料储氢/固态储氢

除运输环节,加氢站也是氢能产业发展的重要环节,加氢站的主要成本是空压机和储氢罐

我国目前具备45Mpa小流量空压机的自主研发制造能力,可以生产87.5Mpa压缩机样机,但关键部件需要进口

自 2014 年以来 ,全球加氢站的数量不断增长,到2020年底达到了 553 站。中集集团在氢能源领域布局多年,具有一定的优势

全球加氢站总数量

我国建设和运营加氢站的主要是中石油和中石化,这点是有优势的,即使不盈利,在国家政策的引导下,大型国企依然可以快速推动加氢站的建设

我国加氢站快速发展中

而在美国,能源高度市场化,没有政府补贴就没有企业愿意去投资这样不赚钱的能源基础设施

以尼古拉为例,它的模式就是客户买车后不用管加氢,公司与合作伙伴修好加氢站,同时与物流公司合作(车也可以租赁),在物流公司两端的仓库设好加氢站,保证每一条线路跑下来客户算账足够经济的。所有亏损都由尼古拉来背负,这些烧的钱又是其通过资本市场融资来支撑的

日本在《氢能基本战略》提到到 2050 年要用加氢站逐步替代加油站

下游应用环节中,目前主要是氢燃料电池技术和燃料电池汽车

氢燃料电池的原理是在阳极连续供给氢气,而在阴极连续供给氧气或空气,就可以在电极上连续发生电化学反应并产生电流

燃料电池的核心部件是电堆,由多个单体电池以串联方式层叠组合构成,电堆的核心包括质子膜、催化剂、固态储氢等。电堆是我国及其重视的发展领域

2006年《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中提到发展氢能源技术的时候,提出要重点研究电堆集成技术

2010年国家 863 计划重大专项“燃料电池与分布式发电系统关键技术”中再次提到要“研发大功率质子交换膜燃料电池与固体氧化物燃料电池电堆与系统”

2012年《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020 年)》再次提到要“开展燃料电池电堆、发动机及其关键材料核心技术研究”

电堆技术是最值得关注的技术领域,一旦电堆技术有所突破,整个燃料电池产业链将会迎来极大的发展

市场格局上, 2019 和 2020 年市场份额的CR5 由 87%下降至 69%,并且装机前 5 的企业也不尽相同。这些厂家以系统集成为主,核心零部件仍高度依赖进口

燃料电池系统CR5厂家分布

目前我国的氢燃料电池与国外成熟厂商的氢燃料电池相比,核心技术上还有一定差距

核心技术上我国与国外还有一定差距

目前我国氢燃料汽车主要集中在商用车领域,尤其是重卡,截至19年底,物流用车占比 60.5%,公交、通勤等客车占比 39.4%,乘用车仅用于租赁且占比仅 0.1%

氢燃料车市场渗透率

虽然目前来看氢能源发展远逊于锂电池,但得益于世界多国的推动和广阔的传统燃油车市场替代,未来空间极大

根据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书 2020》估算,2030 年我国氢气的年需求量将增加至 3715 万吨,2060 年则增加至 1.3 亿吨左右,2019 年我国氢气产能约 4100 万吨/年、产量约3342 万吨/年

预计到2025年,中国氢能产业产值将达到1 万亿元;到2050 年,氢能源将承担全球 18%的能源需求,有望创造超过 2.5 万亿美元的市场,氢能在中国能源领域的占比有望达到 10%

近年来氢能源汽车都保持了较高的销量和保有量增速,分别由 2016 年的 629 辆和 639 辆上升至 2019 年的 2737 辆和 6175 辆,年复合增长率分别为63%和 114%

2020 年受新冠疫情影响,销量下降为 1177 辆。截止 2020 年底,我国氢能源汽车保有量为 7352 辆

预计中国氢能源汽车保有量到 2025 年达 10 万辆,CAGR 高达 115%,市场规模 800 亿元。客车、物流用车等商用车仍将占据主要地位,保有量占比在 80%以上。规划在 2030 年氢能源燃料电池汽车保有量达80~100 万辆

目前我国和日本对氢燃料电池的发展态度是比较坚定明确的

日本1973年成立“氢能源协会”并大力发展氢能源技术,目前是世界上氢燃料电池发展较为领先的国家,但与我国不同,日本主要开发乘用车的氢燃料电池,而非商用车

根据日本发布的日本的《氢能/燃料电池战略发展路线图》,日本计划的氢能使用计划分三个阶段,第一阶段是到2025年,快速扩大氢能的适用范围

第二阶段是2020 年中期—2030 年底,全面引入氢发电和建立大规模氢能供应系统,旨在从海外购氢的价格降到 30 日元/立方米,扩大日本商业用氢的流通网络,全面利用海外未使用的能源生产、运输、存储氢,全方位发展氢发电产业等

第三阶段从 2040 年开始,定位是建零二氧化碳的供氢系统建立期,旨在通过收集和储存二氧化碳,全面实现零排放的制氢、运氢、储氢

美国是最早研发氢能燃料的国家之一,目前美国拥有燃料电池车 7600 辆,计划 2022 年达到 50000 辆,2025 年达到 200000 辆

"> 我国在2001年发布家 863 计划电动汽车重大专项,开始重视燃料电池的研发,2019年首次在《政府工作报告》中写入“推动充电、加氢等设施建设”,氢燃料电池的发展开始进入飞跃期

我国的氢能源战略也分三步走,在《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》提出

2020年氢气产能要达到720亿立方米/年,燃料电池运输车辆要达到1万辆

2030年氢气产能要达到1000亿立方米/年,燃料电池运输车辆要达到200万辆

2050年氢能成为能源结构的重要组成部分,燃料电池运输车辆要达到1000万辆

《2019政府工作报告》和《2020政府工作报告》中都提到要继续执行新能源汽车购置优惠政策,推动加氢基础设施建设;加大氢燃料电池投入,开展氢能源示范应用

"> 2020/11发布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》中提出要有序推进氢燃料供给体系建设;攻克氢能储运、加氢站、车载储氢等氢燃料电池汽车应用支撑技术

今年的“十四五”规划中提出要在氢能与储能等前沿科技和产业变革领域,组织实施未来产业孵化与加速计划,谋划布局一批未来产业

今年以来已经有13个省或直辖市出台了十四五氢能发展规划

相关公司中,在上游设备及制氢环节:

鸿达兴业:

子公司乌海化工拥有 70 年氯碱及氢气生产历史

卫星石化:

目前拥有乙烷蒸汽裂解、PDH 产能分别为 125、90 万吨/年,预计 2021 年副产氢产能达到 11.1 万吨。公司未来乙烷蒸汽裂解、PDH 产能将扩产至 250、170万吨/年,副产氢规模也将随之增加

东华能源:

目前拥有国内最大 PDH 产能 180 万吨/年,预计 2021 年副产氢气 8 万多吨。茂名一期(I)项目(60 万吨/年 PDH、40 万吨/年 PP)计划于 2022 年年底投产,一期(II)项目(60 万吨/年 PDH、2*40 万吨/年 PP)预计于 2023 年投产

中国石化:

拥有国内最大的制氢能力,已运行 10 座加氢站,今年要建成运行 100 座,“十四五”期间建成 1000 座加氢站

雪人股份:

中国最大的制冰设备及制冰系统生产商和供应商之一,主营业务包括制冰、储冰、送冰设备及系统的研发、生产及销售,以及冷水设备、冷冻、冷藏、空调、环保等相关制冷产品的设计、生产及销售。公司可为加氢站提供氢气压缩机与冷却机组等核心装备。

雄韬集团:

建成湖北省首座固定式加氢站,量级全国第三

美锦能源:

目前拥有焦炭产能715万吨/年,与氢能板块构成强协同效应,使得公司发展焦炉煤气制氢和加氢站方面具有得天独厚的优势;公司旗下飞驰汽车20年发布了首款氢燃料电池重卡

中游储氢环节中:

中材科技:

率先研发完成国内最大容积 320L 燃料电池氢气瓶,并投入市场;开发取证燃料电池车用及无人机用35MPa 氢气瓶 20 余种规格;成功掌握 70MPa 铝内胆碳纤维复合氢气瓶关键技术;启动投资氢气瓶生产线技改项目及站用储氢容器生产线项目

京城股份:

下属的天海工业公司于 2021 年 5 月 17 日宣布,推出具有完全自主知识产权的新一代车载储氢气瓶——IV 型瓶。该产品与同规格III 型瓶相比重量可降低约 30%,质量储氢密度更高,并且正在建设中Ⅳ型瓶智能化数控生产线建设项目

中集集团:

世界领先的物流装备和能源装备供应商。公司在集装箱、道路运输车辆、能源化工及食品装备、海洋工程、物流服务、空港设备等领域,提供高品质与可信赖的装备和服务。 中集在氢能源领域布局多年。旗下中集安瑞科早在 2006 年就开始涉足氢能储运技术研究与制造,产品和服务涉及氢气储存、运输和加注核心装备,拥有包括 20-30MPa 高压氢气管束运输车、加氢站储氢瓶组、加氢车、液氢储罐、隔膜压缩机、加氢机、35MPa 三型瓶和 70MPa 四型瓶等核心装备的研发和生产能力,是目前国内最重要的供氢系统设备制造商

深冷股份:

生产智能加氢枪,在制氢、氢液化、氢气储运及加注领域有完善的技术储备,致力于打造制氢、氢液化、氢储运及加注、氢燃料电池的全产业链氢能源装备服务供应商

中泰股份:

作为深冷技术及设备提供商,在制氢—氢储运—加氢站等环节有所储备,其中煤制氢的深冷分离工艺段,以及液化氢的核心设备,公司已有成功运行的业绩

下游应用中:

亿华通:

率先实现了发动机系统及燃料电池电堆的批量国产化,核心技术人员来自巴拉德;是我国燃料电池领域极少数具有自主核心知识产权并实现燃料电池发动机及电堆批量化生产的企业之一;2019 年度共销售燃料电池发动机系统销售,在国内率先开启了氢燃料电池发动机批量商业化的进程

潍柴动力:

公司是重卡装备制造龙头企业,2018 年开始部署新能源产业,先后作为第一大股东参股加拿大巴拉德和英国锡里斯动力两家世界领先的氢燃料电池、固态氧化物燃料电池技术公司,推进新能源产业布局。2020 年上半年,潍柴动力建成新电堆生产线和燃料电池发动机生产线,规模达2万套级别。同时,潍柴动力还在潍坊等地推广了10 条氢能源公交线路和 220 辆氢能源公交车。随着技术不断成熟和成本降低,氢能源重卡或将在未来 5~10 年实现全寿命成本平价,并成为潍柴动力未来的增长驱动力。目前潍柴动力另有计划投资 37 亿元的氢燃料电池及关键零部件产业化项目(预计2022年建成)、固态氧化物燃料电池及关键零部件产业化项目(预计2024年建成)、燃料电池动力总成及核心零部件研发及制造能力建设项目(预计2024年建成)

宇通客车:

目前是国内大中型客车企业的绝对龙头,市占率常年第一,2020年市场份额高达 35.36%。早在 2009 年,宇通客车就成功推出了第一代增程式燃料电池客车,2013 年宇通推出第二代氢燃料电池城市客车并建设了加氢站。2014 年宇通客车获得国内首个燃料电池客车资质认证。宇通客车研发费用长期居行业第一,研发人员占比达 21.08%。2020 年宇通客车研发费用达 15.52 亿元,是行业平均的 6 倍

福田汽车:

国内最大的商用车企业,核心产品包括商用车、乘用车和发动机领域。同时,福田汽车也是国内最早开始研发氢燃料电池和氢能源汽车的企业,在氢能源领域深耕多年,有较强的技术能力。早在 2006 年,福田汽车就与清华大学和北京亿华通联合承接国家“863 计划”中氢燃料客车的研发项目,此后经历“十二五”氢燃料汽车规划与研究、“十三五”氢燃料汽车产业化等一系列项目,公司积累了大量氢能源汽车领域的技术和经验

长城汽车:

国内领先的汽车自主品牌,在 SUV 和皮卡细分市场龙头优势显著,同时也是较早布局进入氢能源乘用车市场的企业。长城汽车计划在未来五年投入超过 1,000 亿加速纯电、混动和氢能领域的研发。2021 年长城汽车将推出首款 C 级氢燃料电池 SUV,并计划在 2023 推出首款全尺寸氢燃料电池汽车。同时长城还将首先落地全球首个 100 辆 49 吨级燃料电池重卡的全面应用,到 2022 年完成冬奥会首支高端燃料电池乘用车的服务车队

今年6月,全球首家氢能重卡公司尼古拉上市,尼古拉于2015年创立,目前在研的车型续航预计可以到到800~1400公里,预计2023年实现量产,预计年产5000~10000辆,目前已获得了1.4万辆订单

氢能源产业链各主要公司位置

总体来说,制氢和储氢环节技术难度都不高,现在的发展相对成熟,但是要注意技术的迭代,制氢环节目前已“灰氢”为主,中期会慢慢切换到“蓝氢”,但“蓝氢”依然是有碳排放的,长期一定是以“绿氢”为主的,在氢能发展的现阶段以“灰氢”为主的公司业绩一定是最好的,但长期来看要关注“绿氢”企业。储氢环节现在以气体储氢为主,但更多的应用要通过固态储氢实现,所以这个环节要关注固态储氢技术的发展。电堆环节是最值得关注的技术环节,目前我国与国外先进技术有一定差距,一旦这个环节产生突破,我国的氢燃料电池将会迎来极大的发展。氢能源汽车已经有多家公司开始量产,业绩逐渐兑现,主要是成本问题

短期来看,氢燃料电池与锂电池不是竞争关系,而是互补关系。锂电池占用空间小,基础设施充足,技术成熟,适用于乘用车;而氢燃料电池还处于商业化早期,电堆技术发展不如锂电池技术发展,再加上加氢站稀少,数量上远远不及充电桩和加油站,目标是在贡献了77%碳排放的商用车市场。但这种区分不是绝对的,一旦半固态/固态锂电池或固态储氢技术出现重大突破,两种技术都可能进入对方领域。

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