氢能：电氢耦合多能联结，寻找能源三角平衡-长城证券.pdf-solarbe文库

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http//www.cgws.com 请参考最后一页评级说明及重要声明投资评级强于大市（维持）报告日期2022年05月 08日分析师马晓明 S1070518090003 ☎ 021-31829702  maxiaomingcgws.com 分析师于夕朦 S1070520030003 ☎ 010-88366060-8831  yuximengcgws.com 行业表现数据来源同花顺相关报告电氢耦合多能联结，寻找能源三角平衡电力设备与新能源行业 ◼ 电氢耦合将助力我国能源转型中的三角平衡中国的“能源不可能三角指数”在过去十年中不断改善，其中的主要原因之一是可再生能源的快速发展和巨大投资；但这没有改变我国能源资源中心和能源需求中心背离的状况，同时风光能源的波动性和随机性对建设新型电力系统提出了不小的挑战；为了满足高比例可再生能源电力的需求，顺应终端消费电气化比例不断提升的趋势，利用电氢耦合，突出氢的能源属性，实现多能联结，是平衡“能源不可能三角”的重要途径。 ◼ 氢气需求将不断增长，产氢结构将不断优化我国已连续多年成为全球氢气生产和消费第一，2021年已超3000万吨，生产结构和消费结构与全球情况类似；主要通过化石能源制氢，可再生能源电力电解制氢不足 1，主要作为化工原料用于合成氨与合成甲醇，作为能源使用的占比还非常小。中国氢能联盟预测，到 2060 年碳中和情景下，我国氢气需求将达到 1.3亿吨，其中70将由可再生能源电力制氢，在终端能源消费中氢能将占比20，氢的能源属性大大凸显。 ◼ 两类电解水制氢设备，国内外各有优势目前比较成熟的两种电解水制氢技术路线为碱性水溶液电解槽（ALK/AWE）和质子交换膜电解槽（PEM），前一种技术发展时间更久，国内外设备水平差别不大，国产设备具有明显的成本优势，部分指标达到国际领先水平；后一种技术路线国外厂商具有较大技术优势，国产设备容量较小，且部分核心部件需要进口；一些国内厂商在2021年实现了兆瓦级PEM产品开发，但尚无成熟稳定的商业应用。 ◼ 电解槽市场增长迅速但目前体量仍较小分别根据彭博新能源财经和高工产研氢电研究所的统计分析，全球电解槽设备出货量由2020年的200MW 增长到2021年的458MW，预计2022年将达到1.8-2.5GW；中国2021年的市场规模为350MW，预计2022年将实现一倍增长达到730MW，2025 年将超过 2GW。根据2021年国内 350MW，9亿市场规模测算，2025年国内市场规模为 52 亿以上。国内多个不同类型的示范项目已经落地或投运，包括源端可再生能源消纳，负荷侧调峰调频辅助服务，微电网系统多能联供等，随着后续示范项目效果的显现，将积极促进电氢耦合的应用，将有力支撑新型电力系统的建设。 ◼ 风险提示碳达峰碳中和相关鼓励政策实施不达预期；国内相关氢示范项目进度不及预期；可再生能源电力成本下降不及预期；技术进步和关键部件国产化不及预期。核心观点分析师证券研究报告行业深度报告行业报告电力设备与新能源行业行业深度报告长城证券2 请参考最后一页评级说明及重要声明目录 1. 能源不可能三角 . 4 1.1 概念及评价指数 4 1.2 我国的能源结构 5 1.3 能源变革的奇点 6 2. 氢气供需 . 10 2.1 氢气的生产 10 2.2 氢气的需求 11 2.3 电解槽 13 2.3.1 四种技术路线各有优劣 . 13 2.3.2 装机较少但增长迅速 . 14 2.3.3 ALK/AWE与PEM电解槽经济性对比 15 3. 项目及公司 . 21 3.1 典型应用项目 21 3.2 国内外主要公司 23 4. 投资建议 . 25 5. 风险提示 . 26 行业深度报告长城证券3 请参考最后一页评级说明及重要声明图表目录图1能源不可能三角指数评价框架 . 4 图2我国能源消费结构 . 5 图3全国终端能源消费总量测算 . 5 图4全国风光发电装机及发电量变化 . 6 图5全国发电量构成测算 . 6 图6新型电力系统面临的“五大变化” 7 图7新型电力系统需应对的“三大挑战” 7 图8多种储能技术路线对比 . 8 图9Power to X模型 8 图10氢能价值链及场景 . 9 图11中国氢气生产情况 . 10 图12全球氢气生产情况 . 10 图13我国 2020年氢的应用与需求情况 . 11 图14全球氢的应用与需求情况 . 11 图152050年我国氢的应用与需求情况 12 图16承诺减排情景（左）和2050年净零排放情景（右）全球氢的应用与需求情况 . 12 图172020年全球分区域电解槽装机容量 14 图182020年全球分类型电解槽装机容量 14 图19近年全球电解槽装机增长情况（分区域） . 14 图20近年全球电解槽装机增长情况（分类型） . 14 图212030年前每年新增电解槽装机容量（以在建和筹建项目测算） 15 图22国内市场水电解制氢电解槽装机容量需求测算 . 15 图23碱性水溶液电解槽系统典型布置 . 16 图24质子交换膜电解槽系统典型布置 . 16 图25不同电价及电解槽成本情景下可再生氢成本下降趋势 . 16 图26分体式碱性水溶液电解槽系统 . 17 图27质子交换膜电解槽系统 . 17 图28碱式水溶液电解槽制氢成本测算 . 18 图29质子交换膜电解槽制氢成本测算 . 18 图30ALK/AWE电解槽系统成本拆分 . 19 图31PEM电解槽系统成本拆分 19 表1中国低碳氢、清洁氢及可再生氢标准 . 10 表2不同原料及工艺制备氢气目前经济性与碳排放强度参考 . 11 表3不同技术路线电解槽对比 . 13 表4电解槽设备及系统成本对比 . 19 行业深度报告长城证券4 请参考最后一页评级说明及重要声明 1. 能源不可能三角 1.1 概念及评价指数中国人民大学国家发展与战略研究院教授郑新业曾于 2016 年提出“能源不可能三角”，即能源的安全、绿色和廉价三个要素，在某种程度上很难同时达到安全稳定，绿色环保并且经济廉价。世界能源理事会World Energy Council每年针对世界及 127 个国家和地区的能源状况发布能源不可能三角指数，该量化指标包含类似的三个衡量要素，即能源安全性、能源公平性和环境可持续性，并适当考虑相应国家或地区的经济情况、政策稳定性、投资吸引力等。想要平衡能源不可能三角具有很大的挑战性，该系数在一定程度上从能源的视角衡量各国维持长远繁荣发展的潜力。能源安全性能源管理有效，可满足发展需求；基础设施可靠，能承受系统性扰动。能源公平性能源供给是稳定的、丰富的、易得的、并且成本普遍可承受。环境可持续能源系统是高效的，尽量避免或降低对环境的影响。图 1能源不可能三角指数评价框架资料来源World Energy CouncilWORLD ENERGY Trilemma Index、长城证券研究院 2021年，世界能源理事会对中国能源不可能三角的评价结果是BBDb，排名全球第51位。主要因为我国尚处于快速发展阶段，年碳排放量连续多年位列世界第一并仍在增长，拉低了总体评价结果，排名不高；但在过去十年中，中国该评价指标是不断上升的，主要贡献因素为 ➢ 能源供给较好满足了经济增长的需求，我国已成为世界第二大经济体； ➢ 建设了安全高效的输电网络，电力的广泛普及和电气化率的不断提升； ➢ 在可再生能源领域持续投入，成为全世界最大的风力和太阳能发电投资者； ➢ 承诺了2030年前碳达峰2060年前碳中和的雄伟目标，显示出强烈的信心和决心。行业深度报告长城证券5 请参考最后一页评级说明及重要声明 1.2 我国的能源结构在我国十多年的高速发展过程中，传统化石能源占据着主要地位，尤其是煤炭对我国能源安全起着定海神针的作用，国家能源局局长章建华在 2022 年能源工作会议中也提出，在能源绿色低碳转型的过程中，需要继续发挥煤炭保障我国能源安全“压舱石”的作用。过去十年我国能源消费结构中，清洁能源（天然气、核电、水电、风电、太阳能等）消费占比在不断提升，2021 年已达 25.5，但煤炭消费占比依然超过 50。在“碳达峰碳中和”总的战略方向指导下，清洁能源消费占比将继续提升，对煤炭、石油等传统化石能源逐步替代。按照国务院发布的关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见，到2060年非化石能源消费比重将达到80以上。图 2我国能源消费结构资料来源国家统计局、长城证券研究院中电联中国电气化年度发展报告 2021提出，电气化发展是实现碳达峰、碳中和的有效途径。2020 年，全国电能占终端能源消费比重约 26.5，在电气化加速情景下，电能占终端能源消费比重将稳步提升，2025年、2030年和2060年将分别提高到31.6、35.7 和66.4。图 3全国终端能源消费总量测算资料来源中电联中国电气化年度发展报告2021、长城证券研究院行业深度报告长城证券6 请参考最后一页评级说明及重要声明受政策鼓励和产业驱动，我国可再生能源建设成效显著，截止2021年末风电装机容量达 3.3亿千瓦，年发电量达5667亿千瓦时；太阳能发电装机容量达3.1亿千瓦，年发电量达 1837 亿千瓦时；风光装机容量占比及年发电量占比继续稳步提升。中电联中国电气化年度发展报告2021研究指出特高压输电对清洁能源资源优化配置作用明显，2020年特高压线路输送电量 5318亿千瓦时，其中可再生能源电量占比为 45.9，在电气化加速情景下，新能源电量渗透率近、中期稳步提高，远期加快提升并成为发电量主体，2025年、 2030年和2060年将分别达到19.2、27.4和60.3。图 4全国风光发电装机及发电量变化资料来源同花顺、长城证券研究院图 5全国发电量构成测算资料来源中电联中国电气化年度发展报告2021、长城证券研究院 1.3 能源变革的奇点我们认为大力发展可再生能源，提升可再生能源的消费占比，将有效提升能源三角中的 “环境可持续”，也有助于我国“能源安全性”的提升，但对“能源公平性”提出了更大的挑战。不论是传统化石能源还是风光可再生能源，都没有改变我国能源供给中心和需 0.0 4.0 8.0 12.0 16.0 20.0 24.0 28.0 0 4 8 12 16 20 24 2016 2017 2018 2019 2020 2021 发电量（万亿千瓦时）总装机容量（亿千瓦）风光发电占比风光装机占比行业深度报告长城证券7 请参考最后一页评级说明及重要声明求中心背离的格局，能源资源中心在三北地区而能源需求中心在东南地区。我们需要有某种途径补强“能源公平性”，以达到能源三角的平衡。目前，凭借先进的特高压输电技术，依托加快扩建特高压输电网络，以确保风光新能源发电量的消纳，我们认为这只是建设新型电力系统的初级阶段。根据国家电网电科院的研究，构建新型电力系统面临着“五大变化”，需应对“三大挑战”。五大变化电源结构变化由可控连续出力的火电装机占主导，向不确定性和弱可控性出力的风光新能源装机占主导转变。负荷特性变化电能替代的深度和广度不断拓展，由传统的纯消费型刚性负荷向生产与消费兼具的柔性负荷转变。电网形态变化由传统单向逐级输电为主，向包括交直流混联、微电网、局部直流电网和可调节负荷的能源互联网转变。技术基础变化由同步发电机为主导的机械电磁系统，向由电力电子设备和同步机共同主导的混合系统转变。运行特性变化由源随荷动的实时平衡模式、大电网一体化控制模式，向源网荷储协同互动的非完全实时平衡模式、大电网与微电网协同控制模式转变三大挑战 ➢ 电力电量平衡风光资源非连续和强波动的固有属性，用电负荷日益尖峰化，给特定时段的电力电量平衡带来巨大挑战。 ➢ 系统安全稳定高比例的风光新能源容量对电力系统支撑性弱，系统频率电压支撑调节能力降低，给系统安全稳定带来巨大挑战。 ➢ 新能源高效利用如缺少相应规模的可调节资源支撑，电力系统将不足以维持高比例风光发电量消纳，给新能源高效利用带来巨大挑战。图 6新型电力系统面临的“五大变化” 图 7新型电力系统需应对的“三大挑战” 资料来源国家电网电科院、长城证券研究院资料来源国家电网电科院、长城证券研究院我们认为 2030 年之前实现碳达峰，就是能源结构转型的“奇点”，届时某种媒介与电力系统良好耦合，实现多能联结，新型电力系统也会迎来全新发展的“奇点”。我们认为高占比的风光装机容量是新型电力系统的显著特点，尽可能的消纳风光发电量是新型电力行业深度报告长城证券8 请参考最后一页评级说明及重要声明系统的根本目的，安全稳定的可靠运行是新型电力系统的基本要求，区域消纳和多能联结是新型电力系统的实现途径。目前，风力发电、光伏发电主要采用效率较高的蓄电池储能，但是能量密度低、储存时间短等劣势限制了蓄电池储能的进一步发展应用。而氢能是一种质量能量密度高、储存期长的高效储能方式。参考西门子提出的Power to X模型，通过电氢耦合，实现能量的储存和转化，多种能量和物质高效联结，实现多层级电网电力电量平衡，提高风光新能源利用效率，可以较好实现能源不可能三角的平衡。在该模型中，氢充分体现出在发电与储能、建筑供热和制冷、交通运输、钢铁冶炼等领域中丰富的应用场景，也始终围绕着净零碳排放，可以说氢能的桥梁作用体现的淋漓尽致，氢能或许将成为连接新能源与多种能源应用消费端的桥梁。图 8多种储能技术路线对比资料来源Siemens Energy、长城证券研究院图 9Power to X模型资料来源Siemens Energy、长城证券研究院行业深度报告长城证券9 请参考最后一页评级说明及重要声明图 10氢能价值链及场景资料来源KEARNEY中国氢能产业发展白皮书、长城证券研究院 2022年3月，由国家发改委、国家能源局联合发布了氢能产业发展中长期规划（2021-2035 年），文件指出氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，正逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一。文件强调了氢气的能源属性，有利于改变氢气管理模式，从危化品管理逐渐转变为能源管理；文件明确了氢能的发展路径，坚持绿色低碳技术路线，构建绿氢供需体系；文件指引了氢能的行业前景，打通制储输用各环节，并拓展氢能在交通、储能、分布式发电、工业等各领域的多元化示范应用，并应给予政策支持。行业深度报告长城证券10 请参考最后一页评级说明及重要声明 2. 氢气供需 2.1 氢气的生产我国作为全球氢气利用大国，自 2009 年产量首次突破 1000 万吨以来，一直稳定保持世界第一。根据中国氢能联盟与石油和化学规划院的统计，截止2020年末，我国氢气产能约为4100万吨/年，产量约为3342万吨。其中，氢气纯度达99以上的工业氢气质量标准的产量约为1270万吨。从生产原料和方式来看，煤制氢达到2124万吨，占比63.6；工业副产氢为708万吨，占比21.2；天然气制氢为460万吨，占比13.8。可再生能源制氢占比不足1。根据国际能源署IEA的统计，2020 年全球氢气需求超过 9000 万吨，几乎全部由化石燃料制氢满足。天然气制氢产量占比为约 60，煤制氢产量占比为约 19；低碳制氢产量占比极小，其中电解制氢产量约 3 万吨，占比约 0.03，配备碳捕捉的化石燃料制氢约 70万吨，占比约0.7 图 11中国氢气生产情况图 12全球氢气生产情况资料来源中国氢能联盟、长城证券研究院资料来源IEAGlobal Hydrogen Review 2021、长城证券研究院业界通常将不同原料及工艺制备的氢气产品以灰氢、蓝氢、绿氢等加以区分，但这种表征方式并不能严格区分和量化各种氢气生产过程的环境可持续程度。随着各国碳中和目标的提出，基于生命周期温室气体（GHG）排放方法客观量化定义不同制氢方式逐步为业界所认可。2020年12月，中国氢能联盟提出的团体标准低碳氢、清洁氢与可再生氢标准及认定正式发布，标准指出了在单位氢气碳排放量方面的阈值。表 1中国低碳氢、清洁氢及可再生氢标准项目阈值指标低碳氢清洁氢可再生氢单位氢气碳排放量（kgCO2e/kgH2）≤ 14.51 4.9 4.9 制氢所消耗的能源是否为可再生能源否否是资料来源中国氢能联盟研究院、长城证券研究院简单来说，可再生氢与清洁氢与通俗意义上的“绿氢”大体相当，低碳氢与“蓝氢”大体相当。以电解水制氢为例，如果电力来源全部为可再生能源则为可再生氢，如果要达到清洁氢的标准则需要单位电力的碳排放不高于87.5克CO2/kWh，如果要达到低碳氢的标准则需要单位电力的碳排放不高于 259 克 CO2/kWh。因此，从碳排放角度对氢进行量 63.6 21.2 13.8 1.4 煤制氢工业副产氢天然气制氢其它 19.0 21.059.0 0.6 0.4 煤制氢工业副产氢天然气制氢石油制氢其它行业深度报告长城证券11 请参考最后一页评级说明及重要声明化分类，一方面有助于还原氢作为低碳甚至零碳能源的属性，另一方面有助于打通碳市场和请市场，引导高碳排放制氢工艺向绿色制氢工艺转变。表 2不同原料及工艺制备氢气目前经济性与碳排放强度参考制氢工艺参考成本（元/kg）参考碳排放强度（kgCO2e/kgH2）应用情况备注煤气化制氢 8-12 16-24 已大规模应用，技术成熟，成本低，氢气纯度稍低，产量高原料煤 600-900 元/吨，热值 6000 大卡，含碳量80以上；原料煤成本占比约50 天然气重整制氢 10-16 9-15 已大规模应用，技术成熟，氢气纯度高，对天然气价格敏感原料天然气 2.4-3.6 元/Nm3；原料天然气成本占比约70；工业副产氢 9-22 与工业过程相关已工业化应用，投资低，氢气纯度高焦炉煤气、氯碱工业、轻烃工业等；工业气提纯成本约为0.3-0.6元/kg 电解水制氢电网电 30-40 32-36 已工业化应用按照我国发电结构估算碳排放；用电成本占比70以上水风光离网电 14-20 ＜4.9 电价成本以0.2-0.3元/kWh计资料来源CNKI中国制氢技术的发展现状、中国氢能联盟研究院、HEFCAC2021大规模绿氢制备技术现状及发展前景、长城证券研究院目前情况下，电解水制氢工艺路线对比传统工艺路线尚不具备经济优势，但在可再生能源蓬勃发展的大背景下，电解水制氢成本的大幅降低是可以预期的，同时还具有碳排放强度低的显著优势。根据河北建投风电制氢项目的实践，依托张家口丰富的风光资源，市发改委表示“十四五”期间力争可再生能源电解水制氢成本由30元/kg下降至14元/kg。可再生能源电力的平价在赋予电解水制氢经济性的同时也赋予了其“环境可持续性”，而可再生能源电力对电力系统的挑战，将由“电氢耦合”提供更佳的包容性。 2.2 氢气的需求根据石油和化学工业规划院的统计分析，我国目前氢气利用与需求主要来自化工产业，主要用于合成氨和合成甲醇，占比一半以上。根据国际能源署的统计分析也呈现出同样的特点，2020年全球几乎所有需求都来自炼化（约4000万吨）和工业（超过5000万吨）。氢作为绿色能源在新领域的应用，包括燃料电池、天然气掺氢等，占比还非常小。图 13我国2020年氢的应用与需求情况图 14全球氢的应用与需求情况资料来源CNKI我国氢气生产和利用现状及展望、长城证券研究院资料来源IEAGlobal Hydrogen Review 2021、长城证券研究院 30 28 25 12 5 合成氨合成甲醇煤化工等综合利用炼厂用氢其它行业深度报告长城证券12 请参考最后一页评级说明及重要声明根据中国氢能联盟预测，我国在 2030 年碳达峰愿景的情景下，氢气年需求预期达 3715 万吨，在终端能源消费中占约5，其中可再生氢产量占比显著增长约为500万吨。到2050 年氢能将在我国终端能源体系中占比至少达10，氢气需求约6000万吨，其中工业领域用氢3370万吨，交通运输领域用氢2458万吨。在2060年碳中和愿景的情境下，我国氢气的年需求量将增至1.3亿吨左右，其中70以上将来自可再生氢，氢在终端能源消费中占比约为20，其中工业领域用氢占比仍最大。国际能源署根据全球各国承诺减排情景和2050年达到净零排放的情形分别进行测算，未来需求同样将来自炼化与工业以外的领域，如交通运输、电力能源等。同样凸显氢的能源属性，包括燃料电池汽车、合成燃料、建筑供暖等。根据目前在建或筹划的电解水项目情况，到2030年将提供800万吨低碳氢；在承诺减排情景和2050年净零排放情景中，到2050年由电解水供给的低碳氢分别占总量的50和60。图 152050年我国氢的应用与需求情况资料来源中国氢能联盟研究院、长城证券研究院图 16承诺减排情景（左）和 2050年净零排放情景（右）全球氢的应用与需求情况资料来源IEAGlobal Hydrogen Review 2021、长城证券研究院 56.2 41.0 1.8 1.0 工业交通运输建筑及其它发电与电网平衡行业深度报告长城证券13 请参考最后一页评级说明及重要声明 2.3 电解槽 2.3.1 四种技术路线各有优劣中国和全球要构建清洁低碳，经济高效的制氢体系，重点在于发展可再生能源制氢，严格控制化石能源制氢。电解槽是低碳可再生氢制备的关键设备，其技术路线、性能和成本是影响氢能源市场走势的重要因素。目前，主要有碱式水溶液电解槽（ALK/AWE）、质子交换膜电解槽（PEM）、固体氧化物电解槽（SOEC）和阴离子交换膜电解槽（AEM）四种技术路线。表 3不同技术路线电解槽对比类型 ALK/AWE PEM SOEC AEM 图示成熟度商业应用-大规模商业应用-小规模实验阶段-初期示范实验阶段运行温度（℃） 80-95 60-80 600-900 60-80 运行压力（MPa） 1.6-3.2 ＜5 0.1 ＜3.5 隔膜/电解质石棉布/PPS布/PSF布全氟磺酸膜PFSA 固体氧化物YSZ 阴离子交换膜电解液 5-7mol/l KOH碱液纯水纯水 1mol/l KOH碱液阳极材料（析氧电极）不锈钢镀镍氧化铱钙钛矿结构材料CaTiO3 镍网阴极材料（析氢电极）不锈钢镀镍铂碳 Ni-YSZ NiFeCo合金电流密度（A/cm2） 0.2-0.35 1.0-2.5 ＜1 0.8-2.2 标准工况下能耗（kWh/Nm3 H2） 4.2-5.2 3.8-4.8 2.6-3.6 4.2-4.6 设备参考成本（RMB元/kW） 1500-2000 5000-6000 NA NA 产品氢纯度 ≥99.8 ≥99.99 ≥99.99 ≥99.99 优点技术成熟、结构简单、无贵金属催化剂、成本较低设备体积小、氢气纯度高、气体压力较高、波动电源适应性强、冷启动迅速效率高、电解能耗低、非贵金属催化剂电流密度高缺点电流密度低、设备体积大、电解液泄漏污染环境、对电源有稳定性要求、动态响应差成本较高、使用寿命较短、贵金属催化剂易被金属离子毒化耐久性、密封性和材料老化问题待解决、需额外热源、启动慢聚合物膜稳定性较差资料来源CNKI电解水制氢技术研究进展与发展建议、CNKI碳中和背景下先进制氢原理与技术研究进展、KEARNEY、IRENA、长城证券研究院行业深度报告长城证券14 请参考最后一页评级说明及重要声明自从1800年威廉·尼克尔森和安东尼·卡莱尔发明了电解槽技术以来，这项技术已经取得了长足的进步。目前碱式水溶液电解槽（ALK）和质子交换膜电解槽（PEM）已投入商业化应用。碱式水溶液电解槽技术更加成熟，应用更加普遍，国内外技术差别较小，设备成本也较低，国内企业业绩较多，国内最大制氢可达1500Nm3/h，但其电解液泄漏有污染环境的风险，且动态响应性稍差，不能与风光电源直接匹配；质子交换膜电解槽技术门槛稍高，国内技术水平与国际先进水平还有一定差距，设备成本明显更高，国内企业还缺乏成熟商业应用，国内最大制氢可实现275Nm3/h，动态响应迅速匹配风光电源波动性特点，但其催化剂使用铱和铂贵重稀有金属，大规模使用可能存在资源瓶颈。 2.3.2 装机较少但增长迅速根据国际能源署的统计，2020 年全球电解水制氢只占氢总产量的 0.03，主要用于能源和化工原料，全球电解槽装机总容量为290MW，欧洲拥有超过40的装机容量，中国占有约8的装机容量。主要的四种技术路线电解槽中，碱式水溶液电解槽占据61的绝对份额优势，质子交换膜电解槽占有 31的份额，其它种类电解槽装机占比较小，其中固体氧化物电解槽建立了一些示范应用，装机容量为0.8MW。图 172020年全球分区域电解槽装机容量图 182020年全球分类型电解槽装机容量资料来源IEAGlobal Hydrogen Review 2021、长城证券研究院资料来源IEAGlobal Hydrogen Review 2021、长城证券研究院图 19近年全球电解槽装机增长情况（分区域）图 20近年全球电解槽装机增长情况（分类型）资料来源IEAGlobal Hydrogen Review 2021、长城证券研究院资料来源IEAGlobal Hydrogen Review 2021、长城证券研究院根据国际能源署对大约350 个项目的追踪（截止2021 年9月），以在建和筹建项目计算，到2030年全球电解槽装机容量可达54GW，如果包括尚在可行性研究的前期项目，该装机容量数值将攀升到 91GW，其中欧洲和澳洲潜在项目装机容量最多，分别达到 22GW 和21GW。 41 98 18 24 欧洲加拿大中国亚洲（除中国）其它国家 61 31 8 ALK/AWE PEM 其它行业深度报告长城证券15 请参考最后一页评级说明及重要声明图 212030年前每年新增电解槽装机容量（以在建和筹建项目测算）资料来源IEAGlobal Hydrogen Review 2021、长城证券研究院根据彭博新能源财经的跟踪统计，全球电解槽设备交付量近三年有巨大的提升，2020 年交付容量为200MW，2021年为458MW，预计2022年将翻两番达到1.8-2.5GW，而中国企业出货占比将达到62-66，且碱式水溶液电解槽占比预计在70以上。根据高工产研氢电研究所（GGII）调研统计，2021 年中国电解水制氢设备市场规模超 9 亿元，出货量超过 350MW；预计 2022 年中国电解水制氢设备市场需求有望翻番，达 730MW；预计 2025 年国内电解水制氢设备市场需求量将超过 2GW，平均年化增长率超 55。图 22国内市场水电解制氢电解槽装机容量需求测算资料来源GGII、长城证券研究院 2.3.3 ALK/AWE与PEM电解槽经济性对比从发展历程来看，碱性水溶液电解技术在20世纪前后开始实现制氢的工业化应用，在经历了单极性到双极性、小型到大型、常压型到加压型、手动控制到全自动控制的发展历程后，碱性水溶液电解槽已逐步进入成熟的工业化应用阶段。20世纪70年代起，质子交换膜水电解制氢技术开始获得发展，并以其制氢效率高、设备集成化程度高及环境友好等特点成为水电解技术的研究重点，逐步实现从小型化到兆瓦级的发展。目前，PEM 制氢技术的瓶颈在于设备成本较高、寿命较低，且实际的电解效率还远低于理论效率，因此欧美发达国家正重点开展技术攻关以突破技术瓶颈。 350 730 2000 0 500 1000 1500 2000 2500 2021 2022E 2023E 2024E 2025E 水电解制氢电解槽装机需求（ MW ）行业深度报告长城证券16 请参考最后一页评级说明及重要声明美国、欧洲和日韩均将电解水制氢技术视为未来的主流发展方向，聚焦 ALK/AWE 制氢技术规模化和 PEM 制氢技术产业化，重点围绕“电解效率”、“耐久性”和“设备成本” 三个关键降本性能指标推进整体技术研发。我国目前呈现出以ALK/AWE制氢为主、PEM 制氢技术为辅的工业应用状态，采取两种技术路线并举的研发策略。图 23碱性水溶液电解槽系统典型布置图 24质子交换膜电解槽系统典型布置资料来源IRENAGREEN HYDROGEN COST REDUCTION、长城证券研究院资料来源IRENAGREEN HYDROGEN COST REDUCTION、长城证券研究院电解水制氢成本主要包括设备成本；能源成本（电力）；其他运营费用；原料费用（水）。根据可再生能源署IRENA的测算，电力成本对制氢影响最大，可达 60-80，其次影响因素是电解槽设备成本；使用更加便宜的可再生能源成本尤其重要，在一些合适的场景下电费约为20美元/MWh时，可再生氢已经与传统制氢具有同等的价格竞争力。同时，随着电解槽的装机容量上升带来的规模效应，电解槽设备成本逐渐下降，可再生氢有望在2030年左右在比较广泛的多个国家形成价格竞争力，与化石能源相当。图 25不同电价及电解槽成本情景下可再生氢成本下降趋势资料来源IRENAGREEN HYDROGEN COST REDUCTION、长城证券研究院行业深度报告长城证券17 请参考最后一页评级说明及重要声明图 26分体式碱性水溶液电解槽系统图 27质子交换膜电解槽系统资料来源中船重工718研究所官网、长城证券研究院资料来源Siemens Energy、长城证券研究院根据中国石油技术开发有限公司张轩博士的分析测算，碱性水溶液电解槽在参考情景下当电力成本0.3元/kWh，年运行5000h时，制氢成本即可降低到20元/kg（即1.78元/Nm3）；质子交换膜电解槽在参考情景下当电力成本0.3元/kWh，年运行6000h，且设备成本需要降低到2000万时，制氢成本可降低到20元/kg（即1.78元/Nm3）。20元/kg（即1.78元/Nm3）以下视为与现阶段制氢成本同等水平。碱式水溶液电解槽参考情景 ➢ 1000Nm3/h电解槽成本850万，土建安装150万； ➢ 每标准立方米氢气消耗原料水0.001t，冷却水0.001t，水费5元/t； ➢ 每标准立方米氢气消耗电力5kWh； ➢ 人工维护成本每年40万； ➢ 设备折旧期10年，土建安装折旧20年，无残值；质子交换膜电解槽参考情景 ➢ 1000Nm3/h 电解槽成本分别为 3000 万、2000 万、1500 万和 500 万，土建安装 200 万； ➢ 每标准立方米氢气消耗原料水0.001t，冷却水0.001t，水费5元/t； ➢ 每标准立方米氢气消耗电力4.5kWh； ➢ 人工维护成本每年40万； ➢ 设备折旧期10年，土建安装折旧20年，无残值；行业深度报告长城证券18 请参考最后一页评级说明及重要声明图 28碱式水溶液电解槽制氢成本测算资料来源CNKI电解水制氢成本分析、长城证券研究院图 29质子交换膜电解槽制氢成本测算资料来源CNKI电解水制氢成本分析、长城证券研究院根据国家发改委关于2021 年新能源上网电价政策有关事项的通知发改价格[2021]833 号，通知中附表所列我国蒙西、蒙东、新疆、宁夏等地区的风电光伏发电指导价已低于 0.3元/kWh；同时各区域保障性消纳之外的电量若较为集中进入市场化交易，也很有可能低于0.3元/kWh。经调研，我国碱式电解槽设备制造较为成熟，国内企业业绩较为丰富，相对国外制造商具有显著的成本优势，单堆最大制氢量可达 1300-1500Nm3/h；而我国大型质子交换膜电解槽设备制造还不成熟，国内企业还没有大规模商业应用的成熟业绩，且核心部件质子交换膜、催化剂等一般采用进口产品，单堆最大制氢为220-275Nm3/h。根据国际可再生能源机构IRENA的测算，质子交换膜电解槽单位功率成本要比碱式水溶液电解槽高50-60，结合彭博新能源财经BNEF的调研分析，中国生产制造的碱式水溶液电解槽单位功率成本仅为国外的25-50。 1.32 1.1 0.99 0.93 0.88 0.85 0.83 1.67 1.45 1.34 1.28 1.23 1.2 1.18 2.17 1.95 1.84 1.78 1.73 1.7 1.68 2.67 2.45 2.34 2.28 2.23 2.2 2.18 0.5 1 1.5 2 2.5 3 2000h 3000h 4000h 5000h 6000h 7000h 8000h 氢气成本（元 /Nm 3 ）电解槽年运行时间h 0.13元/kWh 0.2元/kWh 0.3元/kWh 0.4元/kWh 1.1 0.93 0.85 0.8 0.76 0.74 0.72 1.91 1.58 1.41 1.31 1.24 1.2 1.16 2.61 2.19 1.99 1.86 1.78 1.72 1.67 3.56 2.98 2.69 2.51 2.39 2.31 2.25 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 2000h 3000h 4000h 5000h 6000h 7000h 8000h 氢气成本（元 /Nm 3 ）电解槽年运行时间h 0.13元/kWh-500万 0.2元/kWh-1500万 0.3元/kWh-2000万 0.4元/kWh-3000万行业深度报告长城证券19 请参考最后一页评级说明及重要声明表 4电解槽设备及系统成本对比国外 PEM槽设备国外 ALK/AWE槽设备国外 PEM系统国外 ALK/AWE系统国产 ALK/AWE系统单位成本（USD /kW） 400 270 700-1400 500-1200 300 资料来源IRENAGREEN HYDROGEN COST REDUCTION、BNEF、长城证券研究院根据国际可再生能源机构对电解槽设备成本的分析，可以发现两种电解槽设备的降本驱动有所不同。对于碱性水溶液电解槽，设备成本主要由电极组件、膜片等核心部件的成本驱动，在电堆的成本组成中，超过 50的成本与电极和膜片有关，相比之下，质子交换膜电解槽电堆中膜电极成本占比为 24。在碱性水溶液电解槽中双极板只占电堆成本的一小部分，而在质子交换膜电解槽电堆中的成本占比则超过 50，这是由于碱性水溶液电解槽的双极板设计更简单，制造更简单。对于质子交换膜电解槽，电堆成本主要由双极板等核心部件的成本驱动，双极板成本占比约 53，主要因为其通常需要使用贵重稀有金属涂层。技术创新在双极板的性能和耐久性增强以及成本降低方面发挥重要作用。目前正在研究价格更低廉的替代材料，如使用Ti 涂层来保持其功能特性不受影响，同时降低成本。稀有金属 Ir是膜电极材料的重要组成部分，在实际应用中，虽然 Ir 在整个电解系统中成本占比不到10，但由于供应严重不足，可能成为后期规