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1、氢能研究报告2022人类最清洁的能源解决方案现在的氢能就像5T0年前的锂电池和光伏，虽然还未大规模商用，但从底层逻辑上符合人类能源演化的大方向，是人类最清洁的能源解决方案，从技术进步和商用进展上，正处在爆发前夜。能源安全、能源清洁化是重大国家战略。氢能源是21世纪最清洁能源，元素资源丰富、储能时间长、能量密度大。未来氢能源行业的发展，要从上游制氢、中游储运氢、下游应用氢等各环节持续突破。其中可以重点关注氢储能和氢燃料电池这两大极具爆发潜力的领域。一是氢储能两大关键技术正在加速成熟，分别是：制氢、氢储运技术。制氢技术正在由化石能源制氢和工业副产氢向更清洁的电解水制氢方向过渡。绿电成本正在下降，电
2、解槽技术往更适用清洁能源的质子交换膜方向迭代。未来，绿色能源电解水制氢实现与化石能源制氢平价可期。储氢技术正不断突破。气态储氢方面，诸如碳纤维等储氢瓶原材料的国产化进程加速，性能高、储量大、轻质化。液氢储氢和其他储氢形式也进入应用窗口期，逐渐过渡到民间商业化使用阶段。未来的氢储能，是最适合大规模、长周期的绿电存储方案，可以弥补其他储能形式的短板，将大量的弃风、弃光和弃电等进行储能，成为继抽水蓄能、锂电池储能后的又一主流储能方式。二是氢燃料电池，重点关注电堆、膜电极，氢能商用车渗透，加氢站。在技术拆解上，电堆、膜电极是氢燃料电池系统的核心，成本占比高、技术难度大。可以说，电堆对于氢燃料电池汽车，
3、就类似于现在动力锂电池于新能源车的重要性。氢燃料电池看电堆，电堆关键看膜电极。在市场进程上，氢燃料电池的应用领域众多，包括发电、建筑热电联供等。交通运输，将是氢燃料电池的关键核心应用领域，行业将“先商用、后乘用”式的发展。“先商用”，旨在可以有效解决商用车市场电动化渗透率不足的问题，全面加速各类汽车的电动化进程。“后乘用”，氢燃料电池车轻量化携带、高密度快充，长期将更大程度缓解汽车智能化耗电焦虑。在基础设施上，我国加氢站已经走在全球前列，油氢合建站将缓解大家的加氢焦虑。从现在到未来，氢能源产业正走在发展的快车道上。放眼长远，氢储能与燃料电池形成商业闭环，将成为第三次能源革命中又一具有革命性力量
4、的技术路线。目录1能源清洁化时代，最清洁的氢能突出重围2氢储能：大规模、长周期的绿电存储方案2.1 关键技术一：制氢技术2.2 关键技术二：氢储运技术3氢燃料电池：氢能源应用落地的关键抓手3.1 技术拆解：氢燃料电池看电堆，电堆关键看膜电极3.2 市场进程：先商用、后乘用，解决汽车电动化和智能化的耗电问题3.3 配套设施：加氢站是商业化进程的晴雨表4趋势和展望：制氢低成本、储氢高技术正文1、能源清洁化时代，最清洁的氢能突出重围氢能源被誉为21世纪最清洁能源，氢气可作为燃料，与空气中的氧气结合,释放出不包含任何污染气体的水蒸气，是时下最热门的二次能源之一，属于第三次能源革命的重点技术路线和攻关方
5、向。氢能源产业链涉及多个行业多个领域，总体上可分为氢能源上游的供给和下游需求两个方面。具体来看，氢能源产业链的供给端包括上游制氢、中游储运氢和加氢站建设等三大环节；氢能源产业链的需求端则为下游氢能源的综合运用环节。图表：氢能源产业链分为上游制氢、中游储运氢以及下游氢能的综合应用等环节上演制氢中普健运复下薄氢能的媒合应用资料来源:中国氢能联亶,泽平安观“双碳”承诺下，能源清洁化成为大势所趋，氢能源产业链以其清洁化的优势，正处于从导入期过渡到发展期的上升阶段当中，迸发出巨大的潜力，未来有望在诸多清洁能源的技术路线中脱颖而出。我国氢能源相关政策陆续出台，产业链正在形成。2017年开始，中国燃料电池汽
6、车发展路线图、中国氢能源及燃料电池产业白皮书陆续对氢能技术和产业路线作出指引。2021年，2030年前碳达峰行动方案、关于深入打好污染防治攻坚战的意见、“十四五”节能减排综合工作方案，对氢能全产业商业化发展规划作出更高要求。2022年3月，国家发改委和能源局联合发布氢能产业发展中长期规划，提出了氢能产业发展各阶段目标：到2025年，基本掌握氢能源产业链相关的核心技术和制造工艺，可再生能源制氢量达到10-20万吨/年，部署建设一批加氢站，争取燃料电池车辆保有量约达到5万辆,实现二氧化碳减排100-200万吨/年。到2030年，形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系，有力支撑碳
7、达峰目标实现。到2035年，形成氢能多元应用生态，可再生能源制氢在终端能源消费中的比例明显提升。目前氢能源正处于爆发前夜，各环节技术正处于不断突破和迭代的窗口期，商业化进程加速，应用落地情况振奋人心。有望成为继光伏、风电和锂电池汽车产业链后，5至10年内清洁能源中最具希望的领域之一。长远来说，氢作为世界上占比达到75%左右的元素，未来氢能可广泛用于能源企业、交通运输、工业用户、商业建筑等领域，是实现我国能源清洁化的关键一环。氢能源既可以通过燃料电池技术应用于汽车、轨道交通、船舶等领域，降低长距离高负荷交通对石油和天然气的依赖；还可以利用燃气轮机技术、燃料电池技术以及氢储能技术，应用于分布式和集
8、中式发电，为家庭住宅、商业建筑等供暖供电。图表：氢能源下游燃料电池用途十分广泛，是实现能源清洁化的关键一环资料来源:公开资料,泽平宏观2、氢储能：大规模、长周期的绿电存储方案氢储能是一种依靠化石能源、电解水制氢，将其他形式的能量转化为氢能的储能形式。氢储能以其清洁性和强大储能特性，被视为未来能源革命的颠覆性技术方向，必然能在未来的储能市场中占据一席之地。相对于其他储能方式，氢储能具备诸多优势。一是氢能源可通过利用直流电，直接电解地球上及其丰富的水得到氢气，原料简单，没有资源焦虑问题。氢能可作为有效媒介，将无法上网或难以利用的弃光或弃风资源储存起来，解决新能源发电间隙性、随机性导致的废弃问题，成
9、为新型电力系统的有效补充。二是极强的时间和空间维度跨越性。光伏、风电与水电等新型能源发电存在季节性波动，如夏季雨水充足、冬季雨水稀少；夏季光照充足而冬季光照较少等。除了在季节上存在波动之外，新能源发电在空间分布上也极不均匀。以光伏发电为例，我国光照资源分布呈现出“西丰东贫”的格局。而从能源消费的格局来讲，以“胡焕庸线”为近似分界线，我国中东部地区能源消费量占全国比重超过70机在此基础上，为保证能源消费量更大的地区新能源发电成本更低、用量更充足，长距离的能源资源运输不可避免。氢储能具备更长的储能时长以及极高的储存容量，有望成为长时间、跨区域储能的有效解决方案。在储能时长上，氢储能基本没有刚性的储
10、存容量限制，可根据需要满足数天、数月乃至更长时间的储能需求，平滑可再生能源季节性的波动。在跨区域流动上，氢能的转移更为灵活，其运输不受输配电网络限制，可实现能量跨区域、长距离、不定向移动。图表：全球光伏发电空间分布不均，我国呈现“西丰东贫”的格局Long-term average f dilyyedy MnDeiiy5：wpYMdytunv730876102211613UU61160717531899204521912337资料来源:世界银行,ISA.泽平宏观注:该地图以全球光伏电池板以同一固定角度面向赤道为假设,得到全球光伏发电量分布情况,其中红色越深代表每千瓦峰值的太阳光照射下产生的电量越
11、多.图表：氢储能是最适合大规模、长周期的绿电存储方案储能时长1 year1 month1 week1 day1 hour1 min1secIkWh1MWh1GWh1TWh储能容量是极大的能量密度和热值。在能量密度上，氢储能的能量密度可达到140MJkg,是锂电池等电化学储能的100多倍，可以以更小的体积存储更多的能量，有效避免能量浪费的现象。在热值上，氢气热值可达120MJkg,是煤炭、天然气和石油等传统化石能源的3-4倍。随着相关技术的成熟，未来氢储能能够满足大规模、低成本、长周期、高能量密度的电能储存的技术需求，有效解决集中式、大规模的绿电弃电难题。氢能有望成为继抽水蓄能和锂离子电池储能后
12、的又一主流储能方式，成为我国新型储能系统的强力补充。图表：相对于其他传统化石能源，氢能热值更高资料来源:中国氢能联盟,泽平宏观图表：氢储能与电化学储能对比国内企业氧储能电化学储能储能时长小时一年分钟一小时最大储存容量TWh级GWh级能量转换效率较低（电能一氢能）较高（电能一化学能）能量密度140MJkg2e一I2O2HQ+废气2c资料来源:公开资料,泽平宏观近年来氢燃料电池的出货量主要集中在交通运输、便携式发电和固定发电站等新能源领域,其中交通运输领域为燃料电池下游重点应用环节，未来大有可为。据E4Tech数据，2020年全球交通运输用燃料电池出货量为994MW,近五年的年复合增长率CAGR高
13、达34.1%。交通运输领域出货量占全球燃料电池出货量的比例从2015年的38.2%提升至2020年的75.4乐呈现出逐年迅速增长的态势。随着技术的突破，燃料电池汽车行业将从导入期步入到发展期，大幅商业化成为可能，氢能源汽车将成为燃料电池最为关键的应用领域之一，未来也将保持高速增长的态势。图表：全球燃料电池出货量快速增长，以交通运输领域为主资料来源:E4Techf泽平宏观3.1 技术拆解：氢燃料电池看电堆，电堆关键看膜电极燃料电池汽车由燃料电池电堆、驱动电机、动力电池和高压储氢罐等结构组成，相较锂电池汽车结构更加复杂。燃料电池可以应用在商用车和乘用车两类车中，其中包括大中型客车、叉车以及重型卡车
14、等搭载乘客或运输货物的大、中型车辆，以及轿车、SUV以及轻型客车等小、微型车辆。图表：燃料电池汽车结构图资料来源:AlternativeFuelsDataCenter,泽平宏观比锂电池汽车，燃料电池汽车具备无污染、加氢快、续航里程长、电池使用寿命长等诸多优势。未来随着储氢和燃料电池技术的成熟,燃料电池汽车逐渐商业化,有望成为汽车电动化趋势的有效补充，成为第三次能源革命中的关键一环。氢燃料电池汽车的成本结构与锂电池汽车相似，不过燃料电池系统组成更加复杂。总结一句话，燃料电池技术主要看电堆，电堆关键看膜电极。电堆是燃料电池系统最核心的部分，成本占燃料电池成本的59%。电堆主要由多层膜电极、双极板堆
15、叠而成，其中膜电极是燃料电池中多项物质传输和发生电化学反应的场所，由质子交换膜、催化剂与气体扩散层组成，占燃料电池电堆成本的65%是其核心部件。膜电极是燃料电池的“心脏”，其制备技术不但直接影响电池性能,而且对降低电池成本、提高电池比功率与比能量等至关重要。可以说，膜电极对于燃料电池的重要性，就相当于正极材料对于锂电池的重要性。3.2 市场进程：先商用、后乘用，解决汽车电动化和智能化的耗电问题未来汽车将迎来电动化、网联化、智能化和共享化的“新四化”浪潮，燃料电池汽车实行“先商后乘”的市场战略将成为汽车新四化的有利推手。从汽车电动化的进程来看，商用车实现电动化一直是该领域存在的一大难题，商用车碳
16、排放占比高、电动化水平低，2021年商用车新能源渗透率不足4%,远低于乘用车。究其原因，商用车自重大、有远途运输需求，对电池容量、续航、充电速度有较高标准；而动力电池早期能量密度小、充电速度慢、续航里程短，只能先在乘用车市场领域爆发，待成本下降、技术水平提升后才能慢慢拓展到商用车市场。因此动力电池渗透入商用车市场从而实现电动化还有待时日。而燃料电池汽车则与锂电池汽车不一样，氢能重卡等商用车领域，被认为是国内燃料电池最先实现商业化的重点市场。在长途重载领域用氢能重卡逐渐替代传统的燃油重卡，已经逐渐成为行业共识。目前燃料电池汽车的发展正处于产业的导入阶段，在更大型、渗透率更低的商用车市场进行发力将
17、是燃料电池汽车产业短期内迅速发展、打开消费市场的关键。一是政策上，提出实行先商后乘，降低成本，增加需求，从而拉动技术创新。具体来看，2022年3月，国家发改委联合能源局联合发布的氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）中明确指出：要重点推进氢燃料电池在中重型车辆方面的应用，有序拓展氢燃料电池在新能源客、货汽车市场应用空间，逐步建立燃料电池电动汽车与锂电池纯电动汽车的互补发展模式。二是应用端，燃料电池应用于商用车可充分发挥自身优势。第一，一方面商用车的体型更大，行驶相同的里程所消耗的更大能量所导致的尾气排放就越多，亟需进行动力系统的清洁化替代。另一方面，商用车增加了电池存放面积，适合解决早
18、期燃料电池结构复杂、占位更大的问题。由于燃料电池的峰值输出能力很差，只有额定规律而没有峰值功率。因此在启动或爬坡时，燃料电池就无法通过进行电机功率的调节来满足汽车的制动要求。在此基础上，燃料电池汽车除开储氢瓶和燃料电池电堆系统外，还需要再配备一套动力电池系统来满足汽车驱动对峰值功率的要求。燃料电池汽车的结构相较锂电池汽车更加复杂，增加的电池储存空间需求在较大型的商用车中得到释放，从理论上更具备替代的可行性。第二，商用车行驶里程一般较长，氢燃料电池汽车行驶更长里程的经济性要优于锂电池汽车。一是氢能源电池车续航里程更长，可通过迅速加氢来实现燃料的补充，节约时间成本。二是燃料电池汽车可减少携带动力电
19、池数量，只需少量电池和储氢瓶即可足够汽车长途行驶，节约动力系统材料成本。三是燃料电池的重量更轻，商用车便于装载更多货物以实现更低的运货成本。第三，商用车的行驶路线通常都会提前规划，相对固定，加氢站在商用车频繁行驶的路段进行建设，解决加氢站覆盖焦虑问题。从发展情况来看，根据中国汽车工业协会数据，2022年前8月燃料电池商用车销量达到1766辆，同比增长1.51倍。2021年氢能客车和氢能重卡的交强险上牌销量占比分别达到55%和41%0尤其是氢能重卡销量在2021年达到了779辆，同比增长42倍，占新能源重卡市场的份额从2020年的0.7%上升到7.46%。当前氢能源商用车正加快从示范运营到商业化
20、落地，从产品导入期到行业成长期的转变。随着氢能源商用车的批量投用，产业链公司有望迎来新机遇。从汽车智能化的进程来讲，燃料电池汽车实施先商后乘策略，从耗能更大的商用车降维到乘用车，将解决智能化时代更大的动力需求问题。未来汽车进入智能化时代对电池能量密度和充放电能力的要求进一步提升，动力电池除了为汽车提供前进的动力外，还需要为智能化的感知系统（环境感知与定位）、决策系统（智能规划与决策）以及执行系统（控制执行）等三大核心模块提供运行的能量支撑。因此除了期待动力电池能量密度、充电技术的进一步突破外，氢燃料电池技术也是解决汽车智能化时代电池问题的一大方案。一方面，储氢技术不断突破，未来或将出现更高压力
21、、更轻质化的储氢瓶和新型车载储氢方式，为车辆提供更多系统动力支撑。另一方面，燃料电池汽车可通过三到五分钟快速充氢兜底，进一步解决汽车智能化时代的电池能量焦虑问题。3.3配套设施：加氢站是商业化进程的晴雨表加氢站是燃料电池汽车补充燃料的场所，其建设进度与行业的发展程度息息相关。适度超前的加氢站建设在一定程度上将减少燃料电池汽车或相关产业由导入期进入到成长期的时间。从全球加氢站的建设情况来看，我国加氢站建设走在全球前列，全球占比逐年提升。根据中国氢能联盟数据，全球在营加氢站2021年底达到659座，我国为183座，占比接近30羯位居世界第一。在加氢站建设方式上，油氢共建站能有效实现加油站向全面氢能
22、时代的过渡，其优势主要在于：一是可以有效、快速地解决加氢站的规划布局和建设问题,不改变商业车行驶路线和行使习惯；二是节约土地，减少城市近郊、远郊土地供应压力；三是油氢共存，利于靠近终端客户，方便车辆加注氢气，形成一个可持续发展的加氢基础设施推广新模式；四是合理利用现有加油站人力资源和管理制度，便于统一管理，提升加氢站运营管理水平；五是油氢合建站可以减少危险性场所数量，尤其是城市建成区危险性场所数量，有利于保隙城市居民生命安全。鉴于加氢站建设和运营的经济性是制约产业发展的关键因素，因此油氢合建站是满足未来相当长时间内油、氢燃料电池车共存期能源补给的最佳方式。目前我国油氢共建站建设加速，根据GGI
23、l数据，在我国加氢站新增量中，合建站的占比近年来迅速上升。2022年的1-8月，占比高达60%以上，已经成为加氢站建设主流。4、趋势和展望：制氢低成本、储氢高技术，更多应用场景落地形成商业闭环虽然氢能的商业化仍面临着多重阻碍，产业链各环节存在诸如用氢贵、储运成本高、相关核心部件依赖进口、加氢难等问题。但就目前来看，各项难题都取得了较大进展。一是一方面煤制氢和天然气制氢叠加CCUS技术解决化石能源制氢高碳排放问题，工业副产氢等更低成本制氢方式兜底。另一方面，新能源发电成本已在不断下降，光伏发电实现与煤电平价，未来电解水制氢成本进一步下降将从原料端解决用氢贵问题。根据世界氢能理事会的预测，2030
24、年全球范围内可再生能源电解水制氢的平均成本将降至2.3美元/千克，与2020年5.4美元/千克的水平相比下降超50机而在一些风力、太阳能资源较好的地区，可再生能源电解水制氢的成本将低至1.4美元/千克，达到与化石能源制氢成本相当的水平。二是储氢技术正不断突破，气氢上，储氢瓶原材料国产化进程加速，自身性能正在往高储量、轻质化的方向发展。叠加输氢管道里程扩张，解决氢储运成本高的问题。液氢上则逐渐过渡到民间使用，其他储氢形式也在开发应用窗口期。三是我国加氢站建设走在全球前列。随着储氢技术进一步发展，油氢合建降低运营成本，加氢基础设施的扩张，加氢难的问题也会逐渐退出历史舞台。未来重点技术路线迭代，氢储
25、能和燃料电池重点应用场景将加速落地。在氢储能方面，一是未来需开发更轻质化、更高储氢密度的新型储罐。二是进一步开发液态储氢和基于材料的储氢等储氢技术。两种或多种储氢技术在不同的领域和场景中互为补充，进一步提高储氢效率。三是继续寻找高储氢密度、高放氢效率、高氢气浓度的储氢方法。在燃料电池方面，一是随着燃料电池电堆对重金属催化剂伯的用量减少，膜电极的国产化程度加深，氢能源汽车产业链将逐渐完善。行业发展从导入期过渡到发展期，量产下燃料电池成本将会大幅下降，燃料电池商业化应用可期。二是丰富拓展更多新能源商用车如氢能源叉车、挖掘机等场景。三是基于其优势，未来将不局限于在氢燃料电池商用车等交通运输领域，可拓展各大动力和发电端领域的应用。氢能源需求上升将进一步推动技术进步。未来氢储能与燃料电池形成商业化闭环，多种应用场景和应用领域将持续拓展。例如，大规模的弃电或无法在当地消纳的电量可通过绿电制氢的方式存储，随后通过下游的燃料电池发电，调剂各地的发电和用电成本。可实现有效利用资源，保证各地绿色能源的经济性和充足性。
