碳中和系列报告之氢能应用篇

1、目录三大应用推广氢能社会，2050 年有望减碳 60 亿吨 5氢是万能载体，助力能源系统指日可待 7氢气高热值零污染，工业与建筑清洁能源供热首选 9推广绿氢高效原料，实现工业生产全脱碳 11看好政策与资本互动下全产业链加速发展 13图表目录 HYPERLINK l _TOC_250008 图 1：氢能在未来零碳社会中的三大用途 5图 2：2050 年氢能带动各产业减排量（Gt） 5图 3：氢能需求将在不同产业间增长(EJ) 5 HYPERLINK l _TOC_250007 图 4：氢气生产来源（%） 6 HYPERLINK l _TOC_250006 图 5：未来氢在综合能源系统拥有广阔空间

2、 7 HYPERLINK l _TOC_250005 图 6：汽车生产碳排放情况（克） 8图 7：佛山氢燃料电池有轨电车 8图 8：佛山氢燃料电池有轨电车 8图 9：西门子制氢质子交换膜电解槽项目 9图 10：西门子制氢质子交换膜电解槽项目 9 HYPERLINK l _TOC_250004 图 11：氢能建筑供热示意图 10图 12：高炉炼铁流程 12图 13：直接还原法：Midrex 工艺 12 HYPERLINK l _TOC_250003 图 14：河钢与特诺伊合作建设 60 万吨 ENERGIRON 氢能直接还原厂 13 HYPERLINK l _TOC_250002 图 15：河钢

3、与特诺伊合作建设 60 万吨 ENERGIRON 氢能直接还原厂 13 HYPERLINK l _TOC_250001 图 16：中国主要渠道制氢成本 14表 1：氢气按生产方式分类 6表 2：全国部分省份氢能源规划情况 错误!未定义书签。 HYPERLINK l _TOC_250000 表 3：各地已成立氢能产业基金情况 15三大应用推广氢能社会，2050 年有望减碳 60 亿吨氢能来源广泛，燃烧性能好且零排放，有望成为碳中和战略中的核心一环。氢是宇宙中分布最广泛的物质，约占宇宙质量的 75%。氢气燃烧性能良好，且安全无毒。氢气空气混合时可燃范围大，具有良好的燃烧性能，而且燃烧速度快。同时氢

4、气燃烧时主要生成水和少量氨气，不会产生诸如一氧化碳、碳氢化合物等，与其他燃料相比更清洁。同时氢气导热性能、发热值高。氢气的导热系数高出一般气体导热系数的 10 倍左右，是良好的传热载体。氢的发热值 142,351kJ/kg，是汽油发热值的 3 倍，远高于化石燃料、化工燃料和生物燃料的发热值。氢的获取途径多、热值高、燃烧性能好、清洁低碳，更重要的是反应后生成的水，又可在一定条件下分解出氢，实现循环再生可持续发展。氢气的应用可以分为三大方向：燃料、供热、原材料，据Hydrogen Council 发布的Hydrogen Scaling up，2050 年有望满足全球 18%能源需求，帮助减碳 60

5、 亿吨二氧化碳。首先，高热值低污染的特点让氢气成为替代化石燃料的优质选择，未来进一步延伸至交通、能源供给、发电等综合能源系统中，有效减少碳排放，顺应当下趋势。其次，工业生产中需要大量的热能以运作机械设备，民用及商用建筑冬季供暖需求也在增加，从传统燃料供热到清洁能源供热的转型也逐渐出现应用空间，氢气有望成为未来工业与民用供热的零碳方案。作为原材料使用角度， 目前大多数氢气直接为炼化、钢铁、冶金等行业提供高效原料、还原剂等，未来随着碳中和推进，需要减少氢气生产过程中的污染，达到真正的零排放。图 1：氢能在未来零碳社会中的三大用途资料来源：BloombergNEF，研究图 2：2050 年氢能带动各

6、产业减排量（Gt）图 3：氢能需求将在不同产业间增长(EJ)77991128161481022109080706050403020100201520202030E2040E2050E现有应用 交通 工业供能 建筑供热 发电 原料资料来源：Hydrogen Council，研究资料来源：Hydrogen Council，研究只有可再生能源制氢才能实现真正零碳排，对于目前已有的应用，未来的方向则实现绿色氢气的替换。虽然氢被视作清洁能源，但作为二次能源，制取过程需要消耗大量能源。目前工业用户中的氢几乎完全来自天然气、煤炭和石油的大规模制氢， 占氢气生产总量的 96%，对环境产生巨大影响。一般按照氢气

7、的产生方式所带来的环境影响将氢气分为灰氢、蓝氢、绿氢，只有绿氢才能实现真正的零排放，也就是采用可再生资源制氢。全球范围内，天然气制氢占比最高，各国由于资源分布和技术基础的差异，制氢工艺各有侧重。中国煤炭开采及加工工业发达，煤焦炉气制氢工艺采用较多。种类制作过程特征表 1：氢气按生产方式分类灰氢碳基能源制取，多为工业副产氢目前主要氢气来源，成本低（煤制氢 1 美元/公斤）纯度低需精炼蓝氢碳基能源制取搭配碳捕捉、封存技术碳中性，需配备完善的碳捕捉技术规模推广降低成本（煤+CCS 技术 1.5 美元/公斤）零碳排，制氢的最终目标绿氢可再生能源电解水制取资料来源：世界能源理事会，研究尚未成熟可再生能源

8、发电成本高，（可再生能源发电电解水 3 美元/公斤）图 4：氢气生产来源（%）资料来源：IRENA，研究氢是万能载体，助力能源系统指日可待氢气可以直接以纯净形式使用，或作为氢基燃料及其他能源载体的基础，可被广泛运用于能源、交通等领域，减少高排放生产及高负荷交通对化石燃料和天然气的依赖。整体来说当前仍处于市场导入期，需要来自政策和财政的双重支持，以尽快布局氢能产业化，加快推进可再生能源制氢、氢储能、氢能利用等关键技术协同研究。图 5：未来氢在综合能源系统拥有广阔空间资料来源：中国电力，研究交通运输：氢燃料电池汽车是排放最低的整车方案氢能能量密度高，是大型运输场景下减排的经济选择。现今的交通运输行

9、业几乎全部依靠化石燃料供能，占总碳排的 20%。零碳排放和广泛的适应性让氢能可以依托燃料电池技术成为交通运输部门快速减排的少数选择之一。相比纯电汽车，氢能运用下能量密度高，加注时间短、续航里程长，但综合能量利用效率还有差距，目前对有高里程要求的消费者更具吸引力。氢能不仅局限于道路运输，还延伸至海事、铁路、航空以及特殊装备方面，作为辅助动力单元。从汽车生产到使用的整个上下游生命周期来看，氢能（绿氢）电池电动汽车每公里仅排放 60-70 克二氧化碳，是排放最低的整车方案。图 6：汽车生产碳排放情况（克）资料来源：EPA，研究案例 1: 佛山氢燃料电池有轨电车2019 年 11 月佛山高明区开通中国

10、首列氢燃料电池有轨电车，该有轨电车示范线全长17.4 公里，设车站 20 座，最高运行时速为 70 公里，最大载客量可达 285 人。每列车安装 6 个储气瓶，储氢量为 20 千克，续航能力可达 100 公里，运行时全程污染零排放。图 7：佛山氢燃料电池有轨电车图 8：佛山氢燃料电池有轨电车 资料来源：佛山电视台，研究资料来源：佛山电视台，研究电力：氢能发电灵活性更强，未来有望助力可再生能源体系氢能作为多功能载体，可以实现可再生能源体系的整合，不仅用于清洁发电，还能平衡电力需求和可再生能源之间的波动。将全球变暖限制在 2 摄氏度需要大幅增加可再生能源电力的份额，根据国际能源署的数据，这一比例将

11、从 2015 年的 23%增加到 2050 年的 68%。氢作为可再生能源储存、分配和缓冲的优良选择，以及清洁发电的一个补充来源，为这一改变做出贡献。在大范围内，氢气可以以甲烷化的形式储存在地下盐穴中，并能长期储存能量，每兆瓦时的成本约为 50 至 150 美元，大大低于其他电力储存技术。据 Hydrogen Council 推测，2050 年 500TWh 太阳能和风能发电将用 1.5EJ 氢气替代。在可再生能源能力不足或需求高峰时期，氢气成为清洁能源的来源，在发电中起到脱碳的作用。当前氢能的应用大致分为三类：1）为燃气轮机或燃料电池提供燃料，作为灵活性电源储备；2 ）转化为氨与煤粉共燃，减

12、少燃煤电厂碳排放；3）作为储备能源，平衡电力需求和可再生能源的间歇性波动；总体来说都是作为清洁能源为企业提供热量和电力，或是以储能形式提高电网灵活性。案例 2: 海外绿氢发电项目1）2016 年西门子联合林德、莱茵明应用科学大学和 Stadtwerke 搭建峰值性能为 6兆瓦（日产 1500 千克氢气）的质子交换膜电解槽，将多余的风能转化为氢气，并将其注入公共天然气电网。2 ）2017 年荷兰评估了玛格南发电厂转化为氢气发电的情况，如果实施，容量为 1320 兆瓦的发电厂每年可减少 400 万吨二氧化碳的排放，相当于 200 多万辆汽车的排放量。3）2020 年美国犹他州开展的I ntermo

13、untain 可再生能源电力项目，同步配套太阳能和风能制氢厂，预计到 2025 年使用 30%的绿氢，并在 2045 年前使用 100%绿氢。图 9：西门子制氢质子交换膜电解槽项目图 10：西门子制氢质子交换膜电解槽项目 资料来源：西门子公司官网，研究资料来源：西门子公司官网，研究氢气高热值零污染，工业与建筑清洁能源供热首选工业是另一高能源消耗产业，2018 碳排放约占全球总排放量的 24%，炼油、水泥、陶瓷、钢铁、造纸等都需要大量热能来运行锅炉、蒸汽发生器和熔炉等设备，从化石燃料转向可再生能源是产业减排必不可少的一环。Hydrogen Council 认为到 2050 年氢能有望满足全球 1

14、2%工业能量需求，每年帮助实现 10 亿吨碳减排，但考虑到能源密集型工业的成本敏感性和设备使用年期长，它们对氢的吸收可能比其他行业慢，普及不及其他行业迅速。工业能源：氢替代传统燃料提供高品质热能使用氢气或混合燃料设备，在提供高温的同时可减少或消除碳排放。在钢铁工业中，氢气已经被用来生产热能和电力，研究表明，大量富氢废气可被捕获并用于发电或提高工厂其他地方的产量，既可作为高炉燃料，也可作为直接还原炼铁工艺中的还原剂。类比其他产业，氢气可以提供造纸、水泥所需的高纯度火焰，替换铝回收和化学品生产中使用的供能燃料。目前也有企业开始初步尝试，日本丰田公司提出“工厂零碳排挑战”，以氢能作为其战略支柱配合其

15、他可再生能源。案例 3：氢与生物质混合烧制水泥英国汉森水泥公司与矿物产业协会进行了氢和生物质混合烧制生产试验，证明了氢气作为水泥生产中天然气的替代品的适用性。未来塔尔伯特港的工厂用风能和太阳能生产的绿氢替代一些动力燃料，节省天然气燃烧过程的碳排放量，如实施顺利预计 2030 年减排 50%。案例 4：电化学制水泥MIT 学者发表的论文中通过电分解水，产生 PH 梯度让碳酸盐脱碳后沉淀，释出的二氧化碳将更易于分离和封存，电解所需的热量均通过分解水产生的氢气通过燃烧器或燃料电池提供，氧气则可用于后续水泥烧结，清洁燃烧，以达到低排放甚至零排放。案例 5：氢烧制陶瓷2021 年 2 月由ETRA 牵头

16、，来自欧洲多国 40 个团体共同启动ORANGE.BAT 项目，以实现陶瓷生产的全价值链脱碳为目标，在西班牙陶瓷工业聚集地特地翁部署 1000MW 电解槽，使用绿氢代替代天然气，避免 CO2 的排放，电解产生的氧气则用于改善窑炉工艺，产生的热量被用于工业和住宅供暖，沿着全价值链实现能源效率最大化。建筑供热：氢与天然气混合供热更具灵活性氢气可以与天然气混合使用，未来是少数能与天然气竞争的低碳能源方案之一。通过与天然气混合（3000302020 年 7广东2030 年)2025 年600 亿50月 3 日2030 年2000 亿100河北省2021 年氢能产业重点谋划推2021 年 3进项目清单（

17、第二批)2021 年100 亿 1000河北河北省氢能产业链集群化发展三年2022 年150 亿 4000行动计划(2020-2022 年)月 11 日2020 年 7月 14 日河南河南省 2021 年补短板“982”工程实施方案2025 年1000 亿5000802021 年 3月 15 日2019 年 8月 27 日5010000202000500 亿完整产业链2025 年江苏省氢燃料电池汽车产业发展行江苏动规划2021 年100003000湖北2025 年1000 亿35030100宁夏2025 年研究院、产业园建设12 个公交示范线路12 座山东省人民政府办公厅关于印发山山东东省氢能

18、产业中长期发展规划2022 年200 亿3000302020 年 6（2020-2030 年）的通知2025 年1000 亿1010000 100月 17 日30（运2020 年行）11 月 13 70（运行）日2025 年全球产业发展高地上海上海市燃料电池汽车产业创新发展实施计划100002023 年1000山西2021 年推进创新成果产业化实施技术改造标杆项目四川四川省氢能产业发展规划（2021-2025 年）天津市人民政府办公厅关于印发天2025 年256000602020 年 9月 21 日2020 年 1天津津市氢能产业发展行动方案（20202022 年）的通知2022 年15023

19、1000 10月 17 日浙江浙江省加快培育氢能产业发展的指导意见重庆重庆市氢燃料电池汽车产业发展指2022 年1001000302019 年 8月 28 日2022 年6800102020 年 3导意见安徽六安市氢能产业发展规划（六（2020-2025 年）安、铜铜陵市氢能产业发展规划纲要陵）湖北2025 年151500 15月 17 日2020 年 9月 23 日2020 年 4月 28 日（武武汉市氢能产业突破发展行动方案2020 年 9月 14 日汉）内蒙2020 年内蒙古自治区重点经济合作古项目 （第一批）2020 年 3月 11 日资料来源：各省和市政府发改委官网，研究响应政策号召

20、，各地也不断出现以氢能产业链为投向的产业基金。据我们统计，2016年以来，山西、北京、张家港、深圳等地区陆续成立产业基金，累计注册资本超过 100 亿元。表 3：各地已成立氢能产业基金情况投向成立日期规模/注册资本（万元）基金名称长治市通惠氢能股权投资合伙企业（有限合伙）10,1002020/12/30该基金的投向涵盖氢气的制取、提纯、运输和存储等全产业链，以及以氢燃料电池为代表的氢能转化领域和以氢能汽车为代表的终极使用领域等。基金将坚持产融结合、以融促产，运用私募股权基金开展权益投资，面向氢2021/1/14能产业链制氢、氢储运、加氢站、燃料电池以及燃料电池汽车等重点环节，山西华氢股权投资合

21、伙企业（有限合30,000伙）开展重点投资。北京国能新能源产业投资基金（有限合伙）1,002,0002021/1/27该基金主要投资方向为风电、光伏产业，以及氢能、储能、综合智慧能源等新兴产业的新技术项目。东方电气（成都）氢能股权投资基金合伙企业（有限合伙）张家港同创富瑞新能源产业投资基金企业（有限合伙）50,0002019/11/810,0002015/11/20该产业基金将依托东方电气在氢能燃料电池领域的核心技术能力、三峡集团丰富的资源优势和投资能力、成都创投在产业落地、市场、组合融资的独特优势，重点围绕氢能产业链、新型储能技术及清洁能源新技术、新材料等领域投资布局。该基金投资方向主要为清

22、洁能源领域，投向氢能源产业链相关标的企业的总金额共计 4998 万元，占总投资金额的 60%不到。按照协议中“投向氢能源产业链相关标的企业的总金额原则上不低于基金实缴规模的 70%”这一原则来看，该基金未来还将进一步投资。氢能源产业基金君丰华盛投资的武汉资环院着力构建以格罗夫氢能乘用车市场化应用场景为龙头，带动制氢、储氢、加氢的氢能源需求和发展，目前 2016/2/22中极氢能公司的两座制氢工厂已投产，泰歌氢能动力公交车在武汉已有两条示范线在运营，氢能动力系统产品质量测试中心已获批筹建，格罗夫三款车型参加上海国际车展，两款车型正在进行量产开发。深圳市君丰华盛投资合伙企业（有限合伙）31,000

23、资料来源：氢智云，氢能观察，氢云链，中国东方电气集团，北极星氢能网，新浪财经，研究我们认为在碳中和大战略背景下，氢能的应用进一步延伸至工业及建筑供热、新工艺原材料等领域，行业空间大幅打开，战略重要性明显提升，行业内生发展动力也将随之打开。尽管政策持续鼓励产业发展，资本、技术、人才的市场化选择决定了社会资源难以大量向氢能产业倾斜。尽管目前没有清晰的氢能产业发展时间表，但从历史上风电、光伏、新能源汽车等多领域的产业发展历程看，中国的全体系制造业环境具备超强的创新、配套、迭代以及纠错能力，我们认为对氢能产业发展可以抱有更多信心。我们认为氢能将是未来社会中不可或缺的战略产业，民间资本与政策支持未来有望

24、形成良性互动，看好产业链快速突围。产业链上下游中，核心零部件国产化各细分领域龙头最优先受益，建议关注雪人股份、贵研铂业、富瑞特装、东岳集团；其次上下游配套为传统公司带来新业务扩张弹性，建议关注厚普股份、深冷股份、中泰股份、北方稀土；最后，我们认为长期来看，电堆及系统环节也将走出具有长期竞争力的公司， 建议关注电堆及系统生产商亿华通、潍柴动力、东方电气、大洋电机、腾龙股份、美锦能源、雄韬股份；同时长期看绿氢才是真正的零碳氢能，看好可再生能源电解制氢， 建议关注隆基股份、阳光电源。表 4：氢能源行业上下游中受益公司万得一致盈利预测（元，元/股）2021/4/16PB万得一致预测 EPS万得一致预测 PE证券代码证券简称收盘价(元)总市值（亿元）2019A2019A2020E2021E2022E2020E202