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    氫能發展階段:未來3-5年單個企業的規劃超過全行業,是進入爆發期?

    發布日期: 2021-12-02
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    2020年,全球加氫站553座,中石化計劃到2025年建成1000座;2021年全國電解槽產能1GW,隆基股份計劃未來五年建成5-10GW;我國氫氣產量約3300萬噸,其中綠電制綠氫約14.5萬噸,可再生能源直接制氫對全球來說是示范項目,寶豐能源和中石化光伏制氫單個項目分別達到2.14萬噸和2萬噸……

     

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    就像我原來研究機械制造業一樣,寫行業和上市公司的報告,給行業雜志和報紙供稿,開各種各樣的行業會議,不知不覺就有了歸屬感,感覺自己屬于中國機械制造業?,F在我又在氫能行業里重復著相似的事情,所不同的是,這個時代已經不需要給媒體供稿,自己就可以建一個交流平臺,聚集的同行多了,就感覺自己屬于氫能行業了。于是,我似乎有義務回答投資人的問題:“中國氫能產業到底處于什么發展階段?我們現在進入是不是合適的時機?

     

    迫于溝通的效率需求,我將我國氫能行業的產業化探索劃分成兩個階段:第一階段是燃料電池產業化探索階段;第二階段是氫能供應的效率突破階段。

    第一階段:從1998年-2020年,燃料電池產業化探索

    人類對燃料電池的研究有180多年的歷史,我們今天討論的是中國對燃料電池產業化探索的發展階段,其實是一個投資人關心的話題。也就是說,不僅要把東西做出來,而且要預期能夠成為商品。我們今天不講從0到1的過程,這一過程太漫長,今天市場關心的是從1到10的過程和從10到100的可能性。
    1998年上海神力科技成立是中國燃料電池汽車產業化探索的起點,2000年由神力配套的輛燃料電池游覽車裝機,2004年燃料電池游覽車出口韓國,此后2008年的北奧會和2010年的上海世博會都有燃料電池汽車示范運營。

     

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    2001年,新源動力股份有限公司、上海燃料電池汽車動力系統有限公司分別在大連和上海成立,上海汽車也開始了燃料電池的研究,成為我國燃料電池產業化幾個非常重要的發源地,今天的上汽捷氫、未勢能源都源自這個起點。

     

    另外兩個分支是佛山的云浮和南通的如皋,地方政府尋求對未來產業的布局選擇了燃料電池這個產業,并有點帶面逐步形成了燃料電池產業集群。今天佛山已經形成了全國大規模的燃料電池產業鏈區域市場,而如皋培育的種子則播撒到了長三角。
    到2020年,我國燃料電池產業化已經形成了一定的基礎:
    (1)形成了幾個燃料電池產業集群。包括財政部等五部委批準的第一批“以獎代補”的三個示范城市群京津冀、長三角、粵港澳城市群,科技部批準的“氫進萬家”山東示范城市群以外,湖北省、河南省、成渝地區對燃料電池產業也有比較完整的產業布局。
    (2)燃料電池產業龍頭初步形成。在近20年的發展中,來自國內外科研機構和企業界、投資界的各方力量經歷過流動、整合,形成了以上海重塑和北京億華通為龍頭的專業第三方燃料電池體系,和以整車企業投資的上海捷氫、濰柴動力、長城汽車未勢能源構建的燃料電池-整車生態。目前,排名靠前的企業主要技術來自大連化物所、清華大學、加拿大巴拉德、武漢理工大學、同濟大學及上海交通大學,還有一個融合日本專家與國內技術團隊的國家電投集團氫能科技發展有限公司也非常值得期待。
    目前,主要企業都已經完成了燃料電池電堆或系統完整的研發體系、生產體系和檢測體系的建設,具備批量化生產和持續研發的能力。
    表1 2016年-2021年6月國內燃料電池企業累計銷量排名

     

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    數據來源:香橙會(因為企業成立時間有先后,累計銷量不代表當前行業地位,但重塑和億華通兩大企業地位比較穩定。)

    (3)燃料電池產業鏈趨于完善。燃料電池是一個非常復雜的系統,涉及多種基礎科學,核心零部件制造難度非常高,經過20年的產業化探索,在燃料電池系統的基礎上培育和構建了從質子交換膜、催化劑、膜電極、雙極板、電堆、空壓機、氫泵、DCDC、氫氣瓶等核心零部件國內供應商,目前,國家“以獎代補”涉及的八大核心零部件除碳紙還處于測試階段以外,其他零部件基本上都已經實現了國產化。

    (4)燃料電池核心技術指標不斷優化,比肩歐美、追趕日韓。目前世界燃料電池發展主要集中在亞洲、歐、美,中國基礎相對比較薄弱,但經過過去20年的產業化探索,核心技術指標不斷優化,單堆功率從40kW到100kW,目前已經超過200kW,功率密度達到4.2-5.1kW/L,電池壽命達到1.5-3萬小時,可在零下30℃啟動,這些指標都已經達到前衛水平,相關續航里程和運行成本主要受制于國內儲氫瓶和加氫站等標準還達不到國外的水平。技術上我國燃料電池與日韓先進水平比較還有一些差距,但基本上可以與歐美媲美。

    目前燃料電池汽車技術指標由日本豐田保持,第二代豐田Mirai燃料電池堆峰值功率為128 kW,體積功率密度高達5.4 kW/L(不包括端板),一次加氫5kg以上,續航里程達到650公里。今年10月28日,上海捷氫科技發布M4技術指標:“基于全新M4電堆平臺所打造的燃料電池產品,功率范圍將全面覆蓋30kW-230kW,擁有超過15,000hrs的超長壽命,額定功率密度達4.2kW/L,峰值功率密度達5.1kW/L。”

    (4)加氫站,產業生態基本實現閉環。今年行業內有一件非常重要的事情就是重塑股份IPO被暫停,主要原因是關聯交易,但不得不說,在燃料電池企業發展初期,不是一個市場化的生態模式,而是燃料電池企業去“創造”的“市場”,為了讓燃料電池能夠裝車運行,燃料電池企業不得不自建生態模式,“關聯交易”實際上是這個行業自求發展的一個必經過程,是燃料電池技術指標和性能自我驗證的過程。所以,早期很多的加氫站都是燃料電池企業在自己的生產園區建起來的配套設施。

    直到2018年,才逐步有了第三方的加氫站,目前,中石化已經成為國內加氫站的主力,據統計截至2021年9月底,國內累計建成加氫站190座,其中147座已經投入運營。

    表2  國內加氫站建成情況

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    資料來源:氫氣未來網《重磅 | 中國加氫站建設數量已經超越日本,正式躍居世界前位》。


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    有人說,燃料電池一出生就是一個健壯的嬰兒,無論是性能指標還是環保指標都優于燃油動力和鋰電,但其成長卻因為照顧不周、營養不良而異常艱難,這怨不得別人,怪只怪燃料電池太挑食,身體“精貴”不說,還要吃“精糧”。燃料電池的應用不僅受制于本身的性能指標和成本指標,還受制于各種苛刻的基礎建設,特別是氫氣的來源和成本。

     

    2009年科技部、財政部、發改委、工業和信息化部啟動了“十城千輛”的新能源汽車發展計劃,這意味著中國電動汽車進入產業化發展階段,也意味著鋰離子電池技術已經具備產業化條件,而彼時的燃料電池仍然成本高懸,探索了十年左右的燃料電池企業進入寒冬期,就連國際市場早期開發過燃料電池概念車的很多企業也暫停了燃料電池汽車的進一步開發,直到2014年豐田推出Mirai,并宣布成本降到2008年的1/20,燃料電池產業的從業人員才重拾信心。
    然而,無論是日本還是國內燃料電池汽車推廣并不順利,其中主要的瓶頸是氫氣供應的基礎建設和氫氣成本。

    第二階段:2019年——,氫氣規?;俺杀咎剿?/strong>

    (1)氫氣被納入能源體系
    2017年11月22日,聯合國波恩氣候變化會議(COP23)舉辦之際,國際氫能源委員會(Hydrogen Council)發布了首份氫能源未來發展趨勢調查報告,該報告指出:“氫能源是能源結構轉型的重要方式,并且能夠催生相當于2.5萬億美元的商業價值并同時創造3000多萬人的就業機會。”并明確氫能源未來愿景的題為“Hydrogen, Scaling up(氫能源市場發展藍圖)”的調查報告,介紹了氫能源正式普及和能源結構轉型方面的發展藍圖。
    在2050年之前,通過更大規模的普及,氫能源將占整個能源消耗量的大約20%,全年的CO2排放量能夠較現在減少約60億噸,能夠承擔將全球變暖控制在2℃以內所需CO2減排量中的約20%。到現在已經有30多個國家制定了氫能發展計劃。

     

    在2019年11月份印制的《能源統計報表制度》里,國家統計局要求,氫氣和煤炭、天然氣、原油、電力、生物燃料等一起,納入2020年能源統計,一些敏感的人注意到了這一具有歷史意義的變化,這可以看做是我國氫氣作為能源的一個起點。

    (2)能源企業大舉投資綠氫

    我國是全球的產氫大國,目前全球氫氣產量約7000萬噸,我國目前氫氣產能大概有4100萬噸,產量有3300多萬噸。其中石化能源是主要的制氫途徑。工業副產氫氣有708萬噸。電解水制氫很少,只有50萬噸,大概占1.52%左右。按照我國2020年的電力結構(火電占71%,風電、水電、核電、光伏合計29%),綠電制綠氫的產量大約14.5萬噸。

    氫氣被納入能源體系的同時,“碳達峰,碳中和”目標使得大型能源企業和工業企業面臨現實的排放壓力,相關能源企業紛紛布局氫能,今年7月16日,國資委秘書長彭華崗曾經表示,超過三分之一的中央企業已經布局氫能。目前,國家能源集團、華能集團、國電投集團、三峽集團、國家電網、中廣核、大唐、中石化、中石油、能建集團等能源企業都在氫能上做了大量的研發投入,并進入大規模項目的示范階段。

    中石化2025年要建成1000座加氫站,今年就要建成100座,預計今年全年全國加氫站數量超過200座。

    事實上,不僅是傳統能源企業轉型升級,可再生能源的發展也需要氫來作為大規模儲氫平抑波動,隆基股份、協鑫集團、陽光電源等可再生能源企業也大舉投資于綠氫產業。

    (3)大型項目陸續啟動

     

    綠氫的大規模生產是寶豐能源開啟的,該公司于2019年開始建設全球單廠規模很大的太陽能電解水制氫項目,并于2021年4月*裝置成功投產,項目全部達產后可年產2.4億標方綠氫和1.2億標方綠氧。1公斤氫氣為11.2立方米,公司2.4億方氫氣即為2.14萬噸;1公斤氧氣為0.7立方米,公司1.2億標方綠氧即為17.14萬噸。
    2020年1月21日,福建省漳州市政府與中國華能集團有限公司(下稱“華能集團”)簽署戰略合作框架協議。華能集團計劃在漳州投資1000億元,建設漳州外海千萬千瓦級海上風電能源基地和古雷開發區綜合能源基地等。
    2020年10月,由三峽集團負責投資建設,康明斯提供裝備的烏蘭察布“源網荷儲一體化”示范項目是全球規模很大的源網荷儲示范項目開工建設。

     

    2021年3月9日,四川公司與彭州市政府簽訂《華能彭州水電解制氫科技創新示范項目投資協議書》,彭州水電解制氫科技創新示范項目將建設2600標準立方米每小時水電解制氫站、高密度儲氫設備和充氫站、華能四川綠氫技術創新研究院、氫能產業鏈技術綜合示范基地,1300Nm3/h堿水電解槽由競立與華能聯合開發,計劃于2021年建成。

     

    2021年8月18日,陜西咸陽秦都區與國家能源集團陜西電力有限公司簽訂光儲氫綜合應用一體化項目,總投資20億元,規劃建設分布式光伏項目裝機容量300MW、新型集中式儲能電站容量300MWh、電解水制氫站及配套加氫站容量500-2000Nm3/h。

     

    2021年11月30日,中國石化宣布我國萬噸級光伏綠氫示范項目——中國石化新疆庫車綠氫示范項目正式啟動建設。公司稱,這是全球在建的最大光伏綠氫生產項目,投產后年產綠氫可達2萬噸。項目總投資近30億元,主要包括光伏發電、輸變電、電解水制氫、儲氫、輸氫五大部分。項目將新建裝機容量300兆瓦、年均發電量6.18億千瓦時的光伏電站,年產能2萬噸的電解水制氫廠,儲氫規模約21萬標立方的儲氫球罐,輸氫能力每小時2.8萬標立方的輸氫管線及配套輸變電等設施。項目預計2023年6月建成投產。

    表3 部分能源企業氫能布局

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    (4)電解水產能大幅擴張

     

    自今年3月隆基成立氫能公司以來,電解槽成為今年投資領域關注的重點,10月16日,隆基氫能*堿性水電解槽下線,公司當天宣布今年將具備500MW的能力,未來五年內產能將達到5-10GW。

     

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    這個產能是什么概念呢?500MW是2020年全國的產能,2021年大約1000MW,也就是1GW,我近期跟業內幾家企業溝通下來到明年年底的產能,隆基大約1.5GW,競立大約1GW、中電豐業1GW,于是我按照行業發展階段及行業地位競爭的經驗預測,國內明年年底的產能可能到達10GW。

    因為堿性電解槽是一個相對比較成熟的產業,產能擴張的門檻不高,而規模擴張一方面是為未來幾年的需求做準備,另一方面,企業的規模也一定程度上顯示了企業的行業地位,所以,如果隆基到1.5GW、競立大和中電豐業到1GW,大陸和718的規模也不會低于1GW,除了這些傳統電解槽企業,我們還看到深圳還有凱豪達、瑞麟也在布局堿性電解槽,預計2022年還會有新的進入者。

    圖1 2022年電解槽產能預測

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    (5)產業化進程推動技術進步

     

    電解槽不是一項新技術,但過去主要作為工業原料,行業位置靠前的企業也不過幾千萬的營業規模,沒有什么研發投入,預計未來5年這個行業的規模超過100億元,大量的資金進入將推動行業技術的快速進步。
    11月26日,我參加了華能和競立聯合開發的1300Nm3/h堿水電解槽的生產下線儀式。目前,蘇州考格利爾競立基本上代表了這個行業(堿性電解槽)的高水平,這與他們的基礎以及華能集團聯合開發都分不開。下面是競立發給媒體的一份通稿,作為這個行業重要的歷史資料,我也將這些數據留在本文:

     

    一是突破了高效催化劑合成的關鍵“點”,構建了新型鎳基多元合金催化層,有效提升了工作電流密度,降低了析氫電位。

    二是突破了三相關鍵界“面”的解析與結構優化,改變了傳統極板流場結構,優化了電解小室橫縱維度空間布局,實現了熱量、物質的高效傳遞。

    三是突破了大型高電密電解槽的整“體”可靠組裝,提升了電解槽的高壓密封性、性能均一性和運行可靠性。

    點、面、體三維突破與創新,成功實現了1300Nm3/h堿水電解槽的生產下線,并在多項關鍵指標上創造了國際、國內前衛和行業前衛

    1. 單槽產氫能力國際最大:在1.6MPa運行壓力下,電解槽的額定產氫量達到1300Nm³/h,最大產氫量可達1500Nm³/h,同時,具備20%-115%寬頻調諧制氫能力。

    2. 電流密度指標前列:電解槽的最高電流密度達到6000A/㎡,是首套實現6000 A/㎡高電流密度的商業化堿性水電解槽。

    3. 直流能耗前衛:電解槽的直流能耗低于4.2kWh/Nm3H2,顯著優于國家大型電解槽一級能效標準。

    4. 體積產能比國內最?。号c國內其它產氫量1000Nm³/h的堿性水電解制氫設備相比,1300Nm³/h電解設備的體積縮小超三分之一,體積產能比由0.95下降到0.73,單位產氫量設備投資減少25%。

    5. 系統集成控制前衛采用全國產化分散控制系統(DCS),集成一鍵啟動、無人值守、遠程監控、設備互聯等智能化控制技術。

     

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    可以預期,隨著資金、人才以及應用的不斷反饋,制氫技術將會得到快速進步。

     

    (6)儲運方式多元化
    運輸方式也是這兩年討論的一個重要話題,因為目前都是區域性的試點,短距離、小規模示范,氫氣主要運輸方式還是高壓運輸,但液氫項目也在產業化推進中,航天101所、中集圣達因、中科富海、國富氫能都在液氫儲運上做儲備。不過,由于遠距離運氫的成本比較高,化合物儲氫包括甲醇制氫、鎂基儲氫、氨儲氫、甲苯儲氫方案都有一些探索,中集安瑞科與大化所合作建造的冬奧會的站內制氫項目就是甲醇制氫。
    運氫的方式固然還需要技術進步,但如果說技術是生產力的化,這個領域生產關系更重要,這個生產關系包括國家相關標準,也包括資源的優化配置。也就是說,目前比生產力更落后的是生產關系,這將是氫能時代需要突破的一個非常重要的認知。

    未來3-5年:氫氣成本隨規模擴張和技術進步下降

    如果說我們預測電解水制氫產能從2021年的1GW到2022年的10GW有一點突兀,那也只能怪隆基做了未來五年內5-10GW的規劃,這樣一來,其他公司也就只好跟進了。但這就是業內人對這個行業的預期與行動,一個企業的規劃超過全行業的靜態產能,設備如此,制氫項目亦是如此。
    到2020年,全球加氫站553座,而中石化一家在未來五年內要建1000座加氫站(含油氫混合站)。
    按照各大能源公司啟動的綠氫項目,也可以推測未來幾年綠氫項目的進度也將很快超過目前50萬噸電解水(約14.5萬噸綠電制綠氫)的存量規模。
    氫能發展的第一階段是創業資本和科研人員主導,以交通領域為牽引的發展模式,這一階段,燃料電池系統和電堆企業通過構建閉環生態鏈、培育供應商探索出燃料電池清晰的產業化路徑:企業完善的研發體系形成了技術持續進步、核心零部件基本實現國產化、清晰的工藝路線和規?;a的自動化產線。過去4-5年,燃料電池綜合成本下降了80%,未來可以預見系統成本將以每年20-30%的速度下降。
    第二階段是由能源企業主導、以氫氣的制備、儲能、儲運、加氫站的能源體系發展模式,這一階段,能源企業通過綠氫制造、儲運和加氫站建設來快速推進基礎建設。預期大量的資金和人才的涌入將使得氫氣的成本快速下降。

     

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    現階段,化工企業和冶金企業的工業副產氫是一個優勢,綠氫的產能迅速擴張對發展燃料電池汽車來說是一個福音。

    不過,供氫端與燃料電池最大的區別在于,燃料電池技術還沒有成熟,近年剛剛進入產業化階段,而電解水中的堿性電解槽基本上屬于成熟技術,所以,在氫能和燃料電池產業中,盡管燃料電池早于氫能開始啟動,但兩者競爭的要點有很大的不同,對燃料電池企業來說,競爭的核心要點還是技術,而對堿性電解槽來說,除了技術本身,源頭的資源也會變得非常重要,比如隆基股份等可再生能源企業可能就會利用更多離網光伏棄電變動的更有競爭力。

    來自寶豐能源的公告稱,目前制氫成本還高于灰氫,但根據業內多位專家預計,隨著政策的強力推動和技術的快速發展,未來有望達到0.7元/標方,與化石能源制氫相當并將優于化石能源制氫;深圳凱豪達則稱,他們探索谷電和站內制氫,以谷電價格0.211元/度,耗電量4.2度電/標方,公司可以將制氫成本降到9.925元/kg。

     

    但總體來看我國電解水普遍應用的還是堿性技術,而對于更加環保、更加高效的PEM制氫技術則還與*技術有比較大的差距,國內能源級PEM電解槽產量還是個位數。而擁有70多年電解水經驗的康明斯,與其關聯公司向全球提供了600多套電解水設備,其中含PEM電解水設備70多套,目前由康明斯生產的20MWPEM電解水是世界上正在運行的最大的PEM項目。
    但進入產業化我國PEM制氫也進入了兆瓦級時代,目前賽克賽斯生產的電解槽最大功率達到260Nm³/h,計劃明年做到500-1000Nm³/h。
    今年以來,氫氣可以預見的成本下降在制氫端,對于儲運端的成本來說,隨著大量氫氣產能的釋放,儲氫運氫的需求將大大增加,運輸方式也會不斷優化,燃料電池應用端成本有望在未來五年得到大幅改善。

     

     

    文章來源:產業觀察者--公眾號   侵刪

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