2024年氢能设备行业专题报告：产业趋势开启-设备先行

2024年氢能设备行业专题报告：产业趋势开启_设备先行氢能行业：双碳背景下，21世纪的终极能源之一氢能：21世界的终极能源解决方案；清洁、高效、安全、可再生氢不仅是能源，也是能源的载体和基础原料，可广泛运用于化工，工业，交运，建筑和发电等领域。相比起其他可再生能源，例如太阳能和风能，氢能源可以被储存和运输得更加便捷，不受时间和地域的限制，且单位质量上，氢能源所储存的能量更大。氢能在稳定性、储能性、可获得性、下游应用性等具备更大优势。根据IEA统计，2022年全球氢的需求量在9500万吨，其中我国是最大的氢生产和消费国。氢能行业：全球政策加码，未来碳中和目标的终极方向之一目前全球已有30多个国家推出氢战略、制定了氢能发展路线图。我国在2022年3月推出了《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，明确了氢能的战略定位，并提出氢能产业2030年和2035年发展目标。下游应用增长的潜力在哪？交通领域发展空间广阔据氢能联盟，2020年我国氢能需求量2105万吨，到2050年有望增长7倍，达到1.66亿吨，2020-2050年CAGR为7%。1）目前：工业是氢能当前的主要应用领域，作为化工和钢铁等行业的重要原料，如炼油、氨生产、炼钢等。2）未来：交通领域发展空间广阔。据氢能联盟预测，2060年60%的氢能用于工业领域（能源端），31%的氢能用于交通领域（燃料端，商用车、重卡等），氢燃料电池汽车有望与纯电动汽车形成互补发展。为什么交通领域是增长的核心驱动力？氢燃料电池汽车为突破口氢燃料电池车优势明显，未来有望与电动车、燃油车形成互补。1）与燃油车相比：燃料电池汽车在环保、能量转换效率方面具有明显优势；2）与纯电动汽车相比：燃料电池汽车在低温环境行驶、续航里程及加注时间方面更为突出。指标燃料电池汽车纯电动汽车燃氢燃料电池汽车的发展潜力？从商业、再到乘用氢燃料电池车发展路径：先商后乘。即先在商用车领域实现替代，通过规模化降低燃料电池和制氢成本，带动基础设施建设，后续拓展到乘用车领域。据《中国氢能产业发展报告2020》，预计2050年燃料电池车在客车、物流车、重卡、乘用车领域渗透率分别达40%、10%、75%、12%。其中商业客车最先推广，重卡2035年后快速突破，最后向乘用车渗透。为什么商用车最先推广？具备更好的推广基础。1）使用性：燃料电池车具备低温行驶、续航里程长等技术特点，适合中长途、中重载运输场景；2）适用性：商用车运输路线固定，方便沿线建设加氢站，提高加氢站利用率；3）通用性：我国交运体系发达，公交车与城市客车保有量较大；氢燃料电池车的市场空间？过去7年销量CAGR=29%自2017年以来，我国燃料电池汽车销量和保有量快速增长。1）销量：2017-2023年销量由1275辆增至5843辆，CAGR=29%。其中2020-2021年，燃料电池示范应用推广政策延迟落，销量有所下滑。2）保有量：2017-2022年保有量由1911辆增至12682辆，CAGR=46%。山东省免征氢能车辆高速公路通行费两年，助力氢能重卡的推广。3月1日起，山东省将对行驶省高速公路安装ETC套装设备的氢能车辆暂免收取高速公路通行费。政策试行期2年，为全国范围首创。未来随着氢燃料电池政策加码、加氢及燃料电池成本下降等因素驱动，期待燃料电池车销量持续提升。制氢端：电解水制为大势所趋，关注电解槽相关机遇目前的主要制氢方式？化石能源制氢为主流氢气制备核心包括3大方式：化石能源制氢（目前主流）、工业副产制氢、电解水制氢（未来的核心方向）。1）国内：煤制氢是当前最主要的制氢工艺，主要原因在于：①我国煤储备丰富，煤制氢成本可控；②煤制氢技术成熟，搭配PSA变压吸附技术，制取氢气纯度最高可达99.999%以上。2）全球：天然气制氢是最主要的制氢工艺，但在我国经济性有限。据《中国氢能及燃料电池白皮书2019》，制氢成本的70%-90%来自于天然气原料成本，而我国天然气依赖进口，更多以煤制氢方式为主。未来的主要制氢方向？电解水制氢是大势所趋行业趋势：为实现2050年全球零碳目标，可再生能源制氢是大方向。通过太阳能、风能等绿能源制氢，实现无碳排放。产业阶段：目前电解水制氢成本远高于煤/天然气制氢。当前煤制氢成本约为9元/kg，天然气制氢成本约为15元/kg，而电解水制氢的依据谷电价格和工商业用电的价格不同，成本约在23-50元/kg不等。电费是电解制氢的主要成本、占比达到85%。通过敏感性测算、当电价在0.1-0.65元/KWh区间时，电解制氢价格在13-46元/kg区间。电解水制氢降本路径：1）降低电费（成本占比85%）：使用可再生能源制氢有望降低电力成本。①随着光伏、风力发电的不断发展，发电成本有望下降。②光伏/风能+电解水可以合理利用弃电，解决可再生能源消纳问题。2）设备降本（成本占比8%）：电解槽在制氢系统总成本占比约40%-50%,伴随技术突破和规模化生产，推动成本下降。水制氢未来的技术方向？当前AE是主流，未来PEM有望并行电解水制氢-技术路径分为：碱性水电解（AE）、质子交换膜电解（PEM）、固态氧化物电解（SOEC）。目前碱性电解技术凭借成熟技术和低成本占据市场主导地位，但出于PEM电解与可再生能源更适配，未来AE和PEM电解技术有望并行。1）碱性电解（AE）：工艺成熟，设备成本低。但对电源稳定性有要求，能耗高，对电价敏感性较高。2）质子交换膜电解（PEM）：制取氢气纯度高，符合氢燃料电池车的要求，占地面积小，响应速度快，因此更适合动态操作，与风电、光电等间歇性发电特征适配。但关键设备及材料依赖进口，设备价格较高，经济性弱。3）高温固体氧化物电解（SOEC）：转换效率高，但尚未商业化。水制氢设备的核心关注方向？电解槽为核心、PEM国产空间大电解槽为电解水制氢的核心部件，在制氢系统总成本中的占比约为40%-50%。1）碱性电解槽：已基本实现国产化。2023年国内/外价格分别约151万/MW、240万/MW，膜片/电极在成本占比大头，达57%。2）PEM电解槽：2023年国内/外价格分别约890万/MW、800万/MW，其中双极板在成本占比达53%，我国PEM电解制氢国产化率较低，主要原因在于：①催化剂：国内铂和铱储量少，主要依靠海外进口。②质子交换膜：多为全氟磺酸膜，制备工艺复杂。氢储运：目前气态储氢为主流，关注储氢瓶机遇氢储运：模式有哪些？气态储氢为主流，液氢储运有望为未来方向根据氢气形态分：气态储运、液态储运和固态储运。1.气态储运：目前国内的主流方案。通过高压气瓶来储存氢气。优点是技术成熟、成本低、冲放氢速度快。缺点是储氢密度低、及高压气态储氢的安全风险。2.液氢储运：长途储运的更优选择。将氢气冷却液化、储存在低温绝热真空容器中，海外液氢运输占比达到70%。优点是储氢密度高（液氢的体积密度比气态氢高约800倍）、适用于长距离运输。缺点是成本高昂（需液化氢气）、技术难度高等。3.固态储氢：将氢跟与金属或合金相化合形成金属氢化物，以固体形式储存。优点是体积小、重量轻、安全性高。缺点是充放氢速率慢、充放效率低、成本高等。气态储运：未来发展趋势？目前短途运输为主、关注管道气发展方向短途运输：气态长管拖车输氢是当前较为成熟的运氢方式。国内目前以20MPa钢制高压长管拖车和瓶组为主、储氢密度低，未来有望向30MPa及以上的高压力等级升级，国际上已有厂商采用45-55MPa的氢气瓶组进行氢气运输。长途运输：全国性跨区域、长距离、大规模集中运氢终极目标。目前全球已建成约5000km，其中约85%分布在美国和欧洲，工作压力在4MPa-8MPa。我国输氢管道总长约400km，分布在环渤海湾、长三角、中原等地。我国输氢管道较短、设计压力较低，未来需要发展高压的长输管道，以实现大规模输氢。液氢储运：未来发展趋势？中长途储运大规模发展的重要方向液氢在长距离、大规模运输中具有显著优势。由于液氢槽车储运量较大，可减少槽车及人员配置，长距离运输带来的成本提升幅度不大。据《中国氢能产业发展报告2020》1）短途运输：在运输距离为200km，气氢拖车及液氢槽车单台单趟运输量分别为280kg、2910kg的前提下，20MPa高压气氢拖车成本为9.6元/kg（油费及过路费占比44%，人工费用占比32%，设备折旧12%），液氢槽车成本为20.4元/kg（液化及压缩成本占大头，占比94%）。液氢槽车运输成本为高压气氢拖车的2倍。2）长途运输：但当运输距离达到757km以上时，液氢槽车相比高压气氢拖车具备更大运输成本优势。气态储运：有哪些核心关键设备？压缩机、储氢瓶等高压气氢储瓶：用来储存氢气的容器。目前国内以III型瓶为主（35MPa，内胆为铝合金，外部全向缠绕碳纤维复合材料）、国外IV型瓶为主（70MPa，相比III型、内胆改为塑料）。IV型瓶寿命更长、成本更低、自重轻、储氢量更高，和氢能重卡需求（长途、重载）有很好的契合，有望成为国内未来发展方向。氢气压缩机：实现气体的压缩和输送。其中隔膜压缩机（占比66%）、液驱活塞式压缩机（占比34%）是目前两大主流。大压缩比、大排量是氢气压缩机行业的发展趋势，液驱式压缩机由于在排量上较隔膜式压缩机具有较大优势、未来市占率有望提升。氢加注：加氢站加速建设，关注压缩机环节机遇加氢站：氢燃料电池推广的必备条件，国内发展迅速加氢站主要用于氢燃料汽车氢气加注，是联系产业链上游制氢和下游应用的重要枢纽，高密度的加氢站建设是氢燃料汽车大规模推广的必备条件。全球加氢站数量自2016年至今保持快速增长。截至2023年底，全球共建成在运营加氢站921座加氢站，2016-2023年CAGR为19%。其中亚洲占比最高，欧洲与北美地区加氢站数量其次。我国加氢站增速领先全球，截至2023年底，我国已建成加氢站407座，2016-2023年CAGR为83%，数量全球第一。加氢站——竞争格局：国富氢能龙头领先，市场集中度高已建成：2021年国内已建成的加氢站中，前五大设备集成商市占率合计将近90%，市场集中度较高。其中，国富氢能市占率名列第一，市占率28.4%，No.2-No.5企业分别是液空厚普、舜华新能源、海德利森和上海氢枫，市占率合计61.3%。新增建设：2021年国内新增加氢站100座，国内前五大加氢站设备集成商市占率合计为82%，市场集中度同比2020年有所下降。国富氢能以26%的市占率蝉联加氢站设备集成规模第一，No.2-No.5企业市占率合计为56%。企业类型占比：2023年新建成加氢站的建设主体以国企为主（中石化、中石油等），占比近72%，民企占比17%，另有少数外企，如壳牌及美国AP等，占比不足4%。技术趋势：国内以35MPa气态加氢为主，高压、液态具发展潜力中国已经建成加氢站加注压力以35MPa为主、70MPa为辅。我国加氢站主要为高压气态加氢站，35MPa加注压力加氢站占比高达90%左右。相较于国外70MPa的高压气态加氢站、液氢加氢站为主的情形，我国在加氢站加注压力、能力上还有较大发展空间。我国主要采用35MPa加氢站、而非70MPa加氢站的主要原因是：①供给端：70MPa加氢站核心装备国内尚无成熟的自主供应链；②需求端：国内燃料电池汽车供氢系统以35MPa为主，对于35MPa加氢站存在需求，对于70MPa加氢站的需求尚不明显；③安全性：国内35MPa加氢站安全性已经被验证，但是70MPa加氢站安全性尚待市场验证。核心设备有哪些？压缩机、加注机、储氢罐合计占比成本54%加氢站成套设备由卸气操作柱、压缩机、顺序控制盘、加氢机、站控系统等多种设备组件构成。压缩机、加注机、储氢罐是价值量最高的3大设备，成本占比分别为30%、13%、11%。1）压缩机：负责将氢气从储氢罐中抽取出、并压缩至足够高的压力，以便为燃料电池汽车加注。主要包括隔膜式压缩机、液驱式压缩机。国内大多数输出压力在30MPa以下，而加氢站所需的高压力压缩机（如45MPa或70MPa）通常需要依赖进口。2）加氢机：给燃料电池车进行氢气加注。相比压缩机、储氢罐技术难度小，国内外已多家可生产70MPa氢气加注，但重要部件依然主要依赖进口，主要为相关的管道阀门、流量计和加氢枪等。3）储氢罐：用于储存高压氢气。钢质氢瓶和钢质压力容器技术较为成熟，成本较低。70MPa碳纤维缠绕Ⅳ型瓶是未来方向。核心设备—压缩机：隔膜、液驱式为主，以海外进口为主技术方式：主要包括隔膜压缩机、和液驱活塞压缩机1）隔膜式压缩机：输出压力极限可超过100MPa，密封性能较好，是加氢站氢气压缩系统的最佳选择，但隔膜压缩机需采用极薄的金属液压驱动膜片将压缩气体与液油完全分离，压缩结构和冷却系统较为复杂，技术难度高于常规压缩机。2）液驱式压缩机：结构简单、故障率低、可适应频繁启停、后期综合成本较低。——竞争格局：2021年中国加氢站压缩机国产化率28%，国产化率具提升空间1）液驱式压缩机：主要品牌为德国MAXIMATOR、HOFER，国产品牌康锐普斯成长较快。2）隔膜式压缩机：主要品牌为美国PDC、英国HOWDEN、德国HOFER等，国内自主品牌主要有北京天高、中鼎恒盛等。燃料电池：受益燃料电池车应用，催生销量提升燃料电池系统：由空气系统、冷却系统、氢气系统及电堆组成结构组成：燃料电池系统由空气系统、冷却系统、氢气系统及电堆组成。其中电堆由端板、双极板和膜电极组成。膜电极由阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极气体扩散层和边框层组成。工作原理：燃料电池系统使用供氢系统提供的氢气以及空气系统提供的氧气进行电化学反应，膜电极是将化学能转化成电能的反应场所，通常由阳极气体扩散层、阳极催化层