2019年中國氫能源產(chǎn)業(yè)鏈概述及未來市場需求預(yù)測[圖]

氫能源李玲玲 2019-08-29 06:25 來源：智研咨詢

一、政策頻出，推進氫能源發(fā)展

在2019年的全國兩會上，汽車產(chǎn)業(yè)界的全國人大代表提交了一系列關(guān)于發(fā)展氫燃料汽車的議案建議。在兩會期間，氫燃料這種節(jié)能、環(huán)保、便捷性又高的能源被寫進《政府工作報告》。2019年3月26日工信部等4部委發(fā)布《關(guān)于進一步完善新能源汽車推廣應(yīng)用財政補貼政策的通知》，提出地方應(yīng)完善政策，過渡期后不再對新能源汽車（新能源公交車和燃料電池汽車除外）給予購臵補貼，轉(zhuǎn)為用于支持充電（加氫）基礎(chǔ)設(shè)施“短板”建設(shè)和配套運營服務(wù)等方面。

2006-2014年是我國氫能及燃料電池的推廣階段。2006年我國將氫能及燃料電池寫入《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中，提出重點研究高效低成本的化石能源和可再生能源制氫技術(shù)，經(jīng)濟高效氫儲存和輸配技術(shù)，燃料電池基礎(chǔ)關(guān)鍵部件制備和電堆集成技術(shù)，燃料電池發(fā)電及車用動力系統(tǒng)集成技術(shù)，形成氫能和燃料電池技術(shù)規(guī)范與標準。2006-2014年我國出臺一系列政策推廣使用氫能及燃料電池汽車。

2015年以來我國對氫能及燃料電池汽車政策扶持力度加大。2015年財政部等4部委發(fā)布《關(guān)于2016-2020年新能源汽車推廣應(yīng)用財政支持政策的通知》，說明了燃料電池汽車推廣應(yīng)用補助標準。2016年10月中國標準化研究員和全國氫能標準化技術(shù)委員會聯(lián)合發(fā)布《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍皮書（2016）》，提出了更加明確的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃目標：2020年率先實現(xiàn)氫能汽車及加氫站的規(guī)?；茝V應(yīng)用，建成加氫站100座，燃料電池發(fā)電站達20萬kW,達到1萬輛燃料電池運輸車輛，燃料電池有軌電車達50列；到2030年，建成加氫站1000座，燃料電池發(fā)電站達1億千瓦，燃料電池車輛保有量達到200萬輛。2017年國家對于加氫站、加氣站的建設(shè)提出規(guī)范要求，進一步表明了我國發(fā)展氫能源的戰(zhàn)略方向。

我國氫能及燃料電池相關(guān)政策

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二、氫能源產(chǎn)業(yè)鏈概述

在能源短缺和環(huán)境惡化雙重壓力下，可持續(xù)清潔能源的開發(fā)日益迫切。氫能是一種二次能源，可以通過一定的方法利用其它能源制取，被視為21世紀極具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?。氫能具有以下特點：（1）熱值高，氫的熱值為142351kJ/kg，是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，大約是汽油熱值的3倍；（2）燃燒性能好，與空氣混合時有廣泛的可燃范圍，且燃點高，燃燒速度快；（3）氫本身無毒，屬于清潔能源，而且燃燒生成的水還可繼續(xù)制氫，反復循環(huán)使用；（4）利用形態(tài)和形式多，可以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)金屬氫化物出現(xiàn)，能適應(yīng)貯運及不同應(yīng)用環(huán)境的要求。

氫能源產(chǎn)業(yè)鏈逐漸完善。氫能源產(chǎn)業(yè)鏈上游是氫氣的制備，主要技術(shù)方式有傳統(tǒng)能源的熱化學重整、電解水和光解水等；中游是氫氣的儲運環(huán)節(jié)，主要技術(shù)方式包括低溫液態(tài)、高壓氣態(tài)和固體材料儲氫；下游是氫氣的應(yīng)用，氫氣應(yīng)用可以滲透到傳統(tǒng)能源的各個方面，包括交通運輸、工業(yè)燃料、發(fā)電等，主要技術(shù)是直接燃燒和燃料電池技術(shù)。

氫能源產(chǎn)業(yè)鏈概況

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全球氫工業(yè)規(guī)模不斷增長，呈現(xiàn)區(qū)域性分布。2017年全球氫工業(yè)市場規(guī)模為2514.93億美元，同比增長1.03%，2011-2017年復合增速為5.05%。2017年亞太地區(qū)、北美、歐洲工業(yè)氫氣的市場規(guī)模分別為1071.36、555.80、517.57億美元，占全球的比重分別為42.6%、22.1%、20.6%，合計占比達85.3%，區(qū)域性分布明顯。中國和印度等亞太發(fā)展中國家經(jīng)濟快速增長帶動了亞太地區(qū)對氫能等清潔能源的需求。

1、上游：化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫有望成為低成本氫來源

我國工業(yè)氫氣產(chǎn)消旺盛，基本自給自足。我國是氫能利用大國，2017年工業(yè)氫氣（不包括工業(yè)副產(chǎn)氫氣，下同）產(chǎn)量和需求量分別為1915、1910萬噸，同比分別增長3.51%、3.58%，基本維持供需平衡狀態(tài)，2009-2017年復合增速分別為7.21%、7.20%。

1）人工制氫工藝及成本分析

人工制氫的方法主要包括化石燃料制氫、電解水制氫、光解水制氫以及微生物制氫等，其中化石燃料制氫原料主要包括煤、石油、天然氣等。目前化石燃料制氫方法較為成熟，并且具備產(chǎn)量高、成本較低的優(yōu)點，但制氫過程都有溫室氣體排放；電解水是一種制取純氫的最簡單的方法，但是其消耗的電能太高導致不夠經(jīng)濟，因而其發(fā)展受到很大限制；光解水被視為最理想的制氫途徑，但目前技術(shù)尚不成熟。

不同人工制氫技術(shù)對比

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目前人工制氫工藝主要以化石燃料制氫為主。2017年全球制氫原料約96%來源于化石燃料（由于甲醇主要原料為煤炭和天然氣，因此本文將甲醇制氫歸類于化石燃料制氫）的熱化學重整，僅有4%源于電解水。我國制氫原料主要以煤炭和天然氣為主，占比分別為62%和19%，電解水制氫也僅占4%。

化石燃料制氫具備成本優(yōu)勢。我們假設(shè)不同人工制氫工藝原料天然氣、甲醇、電價的采購成本（扣除增值稅）分別為2.8元/方、2500元/噸、0.63元/kWh，測算天然氣制氫、甲醇制氫和電解水制氫成本分別為2.09、2.13、3.46元/立方米。相對于電解水制氫，目前化石燃料制氫具備明顯的成本優(yōu)勢。

不同工藝制氫成本分析

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不同工藝制氫成本敏感性分析。假設(shè)不同工藝制氫成本與原料價格線性相關(guān)，根據(jù)我們測算，如果要讓單位制氫成本低于2元/方，天然氣、甲醇、工業(yè)用電購臵成本（扣除增值稅）應(yīng)分別不高于2.65元/方、2319元/噸、0.34元/kWh。

不同工藝制氫成本敏感性分析

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2）工業(yè)副產(chǎn)氫有望成為重要氫供給來源

除了人工制氫以外，工業(yè)副產(chǎn)氫也有望成為重要氫能供給來源，我國工業(yè)企業(yè)，包括煉焦企業(yè)、鋼鐵企業(yè)、化工企業(yè)等，每年副產(chǎn)數(shù)百萬噸氫氣。目前這些副產(chǎn)氫氣很多都排放到空氣中，污染環(huán)境的同時也成為危險因素。變壓吸附（PSA）技術(shù)分離提純氫氣的技術(shù)在我國已經(jīng)非常成熟，若能充分利用好這些低品位能源，化工副產(chǎn)氫氣將成為我國的重要氫氣源，對氫能源發(fā)展有著重要意義。

焦爐煤氣是提純氫潛力最大的工業(yè)尾氣。我國是焦炭生產(chǎn)大國，2018年焦炭產(chǎn)量4.38億噸，同比增長1.6%。煉焦工業(yè)的副產(chǎn)品焦爐氣中氫氣含量約占57%，是最主要的組成成分。按照每生產(chǎn)1噸焦炭可副產(chǎn)425.6立方米焦爐氣，1立方米焦爐氣通過PSA技術(shù)可以產(chǎn)生0.44立方米氫氣計算，2018年我國煉焦工業(yè)副產(chǎn)氫氣約733萬噸。

焦爐煤氣主要成分構(gòu)成

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我國焦炭和副產(chǎn)氫氣產(chǎn)量變化趨勢

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氯堿工業(yè)年副產(chǎn)氫氣約為80萬噸。氯堿工業(yè)是通過電解飽和NaCl溶液來制取NaOH、Cl2和H2，并以此為原料合成鹽酸、聚氯乙烯等化工產(chǎn)品。我國是世界燒堿產(chǎn)能最大的國家，2018年產(chǎn)量為3420萬噸，同比增長1.6%。以生產(chǎn)1噸燒堿產(chǎn)生270立方米氫氣計算得到，2018年我國氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫氣約82.5萬噸。

我國燒堿和副產(chǎn)氫氣產(chǎn)量變化趨勢

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我國PDH副產(chǎn)氫產(chǎn)能約30萬噸。截至2018年6月30日，我國共有18家企業(yè)具有PDH產(chǎn)能，總產(chǎn)能達858.5萬噸/年，主要位于山東、浙江和江蘇等地。我們按照1噸PDH副產(chǎn)0.038噸氫氣計算，2018年我國PDH副產(chǎn)氫氣產(chǎn)能約33萬噸。

國內(nèi)現(xiàn)有PDH裝臵及未來產(chǎn)能規(guī)劃（截至2018年6月30日）

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合成氨、合成甲醇等也可副產(chǎn)氫氣。合成氨、合成甲醇每年副產(chǎn)氫氣在50萬噸左右，考慮到其分離出的氫氣返回原料單元補充燃料消耗，最后分離獲得氫氣產(chǎn)量相對較小。此外，我們認為隨著我國乙烯原料輕質(zhì)化的推進，未來乙烷脫氫項目也有望成為化工副產(chǎn)氫氣的來源。

根據(jù)我們上面的分析，我國工業(yè)副產(chǎn)氫氣主要來自焦爐煤氣、氯堿工業(yè)及PDH項目等，2018年合計副產(chǎn)氫氣在800萬噸以上。化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫有望成為低成本氫來源。

2、中游：液態(tài)氫儲運或?qū)⒊蔀榘l(fā)展重點

氫氣儲運成本較高。廉價的氫氣來源和儲運是實現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。雖然氫氣具有較高熱值，但是在標準狀態(tài)下其密度遠低于天然氣，因此相同體積氫氣的能量大約只有天然氣的三分之一，若要實現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)化減少儲運體積非常重要，這就使得氫氣的儲運成本更加昂貴。

氫氣與天然氣基本參數(shù)比較

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1）氫儲存方式比較

氫能的存儲方式主要包括低溫液態(tài)儲氫、高壓氣態(tài)儲氫、固態(tài)儲氫等，不同的儲氫方式具有不同的儲氫密度，其中氣態(tài)儲氫方式的儲氫密度最小，金屬氫化物儲氫方式的儲氫密度最大。

不同儲氫方式的儲氫密度對比（單位摩爾原子/cm3）

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我國目前加氫站一般采用高壓氣態(tài)儲氫。目前低溫液態(tài)氫主要作為航天火箭推進器燃料，其儲罐和拖車已在我國航天等領(lǐng)域應(yīng)用，隨著技術(shù)的不斷成熟，液態(tài)儲氫有望成為工業(yè)氫氣的主要儲存形式；高壓氣態(tài)儲氫是目前最常用、最成熟的儲氫技術(shù)，其儲存方式是將工業(yè)氫氣壓縮到耐高壓容器中，鋼瓶是最常用的高壓氣態(tài)儲氫容器，具有結(jié)構(gòu)簡單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快等優(yōu)點，但也存在著安全性能較差和體積比容量低等不足，目前我國加氫站一般采用高壓氣態(tài)儲氫；固態(tài)儲氫方式是極具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N儲氫方式，能有效克服高壓氣態(tài)和低溫液態(tài)兩種儲氫方式的不足，具有能量密度大、操作容易、運輸方便、成本低、安全程度高等優(yōu)點，適合對體積要求較嚴格的場合，如氫能燃料電池汽車。

主要氫儲存方式比較

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2）氫的運輸和配送

根據(jù)生產(chǎn)和消費地點不同，生產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施組織形式也有差異，可以分為分布式和集中式兩種形式。分布式是指在消費氫氣當?shù)鼗蛘呤侨紵姵仄嚹茉垂?yīng)站就地小規(guī)模制造氫氣，這樣可以避免為運輸和配送氫氣設(shè)臵基礎(chǔ)設(shè)施的費用；集中式是指氫氣集中生產(chǎn)，生產(chǎn)地不同于消費地，集中式生產(chǎn)因規(guī)模效益將減少制氫的單位成本，但同時必須為運輸和配送氫氣建造基礎(chǔ)設(shè)施，其成本較高。我們認為隨著未來氫能源產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，集中式的優(yōu)勢將得以顯現(xiàn)，在此之前輸配環(huán)節(jié)基礎(chǔ)設(shè)施有待發(fā)展。

輸配氫氣主要分為管道運輸和道路運輸。管道運輸是實現(xiàn)長距離大規(guī)模運輸氫的重要環(huán)節(jié)，我國正處于起步階段，目前氫氣管網(wǎng)僅有300-400公里（美國、歐洲已分別建成2400公里、1500公里的輸氫管道），最長的輸氫管線為“巴陵-長嶺”氫氣管道，全長約42公里、壓力為4MPa。壓縮氫公路運輸運輸量小、距離短，成本相對較高；液態(tài)氫公路運輸距離相對較長，運輸量大于壓縮氫。目前國內(nèi)加氫站的外進氫氣均采用壓縮氣體氫運輸，隨著液態(tài)儲氫加氫站的加快建設(shè)，我們認為未來液態(tài)氫運輸將成為發(fā)展重點。

主要輸配氫方式比較

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3）我國加氫站進入發(fā)展快車道

我國加氫站加快發(fā)展。截至2018年全球已建成369座加氫站，日本、德國、美國數(shù)量較多，合計占全球比重達54%。我國排名第四，已建成加氫站23座，占比為6%。根據(jù)2016年10月發(fā)布的《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍皮書（2016）》，到2020年我國建成加氫站將達100座，2030年將達到1000座。

全球建成投運加氫站情況（截至2018年底）

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液氫儲氫加氫站有望迎來快速發(fā)展期。目前全球加氫站主要以高壓儲氫和低溫液態(tài)儲氫為主，全球加氫站中約1/3為液態(tài)加氫站，日本約半數(shù)加氫站為低溫液態(tài)儲氫配套低溫泵加氫站。加氫量在500kg/天時，高壓儲氫加氫站比液氫儲氫加氫站設(shè)備投資方面更有優(yōu)勢；加氫量規(guī)模超1000kg/天時，液氫儲氫加氫站比高壓儲氫加氫站設(shè)備投資要低20%左右。我們認為隨著未來氫燃料電池車的發(fā)展，液氫儲氫加氫站有望迎來快速發(fā)展期。

高壓儲氫加氫站和液氫儲氫加氫站工作原理

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我國目前運營的加氫站均為高壓儲氫加氫站。目前我國加氫站建設(shè)還屬于發(fā)展初期，加氫量在300kg/天以下的試驗和示范項目較多，運輸距離基本在200公里以內(nèi)，現(xiàn)階段國內(nèi)運營的加氫站均為高壓儲氫加氫站。高壓儲氫加氫站的主要設(shè)施包括儲氫裝臵、壓縮設(shè)備、加注設(shè)備和站控系統(tǒng)等。我國一個加氫站的建設(shè)成本約為200~250萬美元，其中壓縮機成本占比最高，約占總成本的30%。因此，加快工業(yè)氫氣壓縮機國產(chǎn)化進程有助于降低加氫站建設(shè)成本，從而促進氫能源產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

3、下游：燃料電池車是氫能源應(yīng)用的主要方向之一

氫能源的應(yīng)用主要有直接燃燒（氫內(nèi)燃機）和采用燃料電池技術(shù)兩種（目前我國氫能主要以工業(yè)原料消費為主），燃料電池技術(shù)相比氫內(nèi)燃機效率更高，更具有發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳耙匀剂想姵丶夹g(shù)為基礎(chǔ)的應(yīng)用已經(jīng)很廣闊，現(xiàn)階段主要分布在交通運輸式、固定式和便攜式三個方面，燃料電池車正在大力推進中，是氫能源應(yīng)用的主要方向之一，未來有望進一步遍及能源相關(guān)下游包括汽車、發(fā)電和儲能等領(lǐng)域。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）適用于機動車。燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學裝臵，可以分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）使用固體聚合物作為電解質(zhì)，含有鉑或者鉑合金催化劑的多孔碳作為電極，由于其主要采用氫氣作為燃料，因此又被稱為氫燃料電池。與其他燃料電池相比，PEMFC可以在相對較低的溫度下運行，使得其能夠更快的啟動、對其他部件損害小，延長了使用壽命。PEMFC被用作機動車的動力電池，成為燃料電池的主要研發(fā)方向。

燃料電池分類對比

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質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）成本較高。PEMFC雖然在性能上適合車用，但其成本仍然偏高。PEMFC主要由膜電極組件（MEA）、雙極板和密封圈組成，而膜電極是其中關(guān)鍵部件組件，它由質(zhì)子交換膜、催化劑和擴散層組成。催化劑目前主要用的是鉑金，占燃料電池總成本的36%，這是PEMFC成本居高不下的主要原因。

質(zhì)子交換膜燃料電池主要部件構(gòu)成

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質(zhì)子交換膜燃料電池成本構(gòu)成

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日韓技術(shù)領(lǐng)先，我國燃料電池車加快發(fā)展。從全球氫燃料電池汽車的量產(chǎn)規(guī)模和市場商業(yè)化份額看，日本和韓國的氫燃料電池汽車技術(shù)處于領(lǐng)先水平，市場份額占據(jù)主導地位。2015-2018年，全球氫燃料電池車銷量呈現(xiàn)逐年成倍的增長趨勢。目前在國際上真正實現(xiàn)量產(chǎn)的主要有豐田Mirai、本田ClarityFuelCell、現(xiàn)代ix35FCEV、現(xiàn)代NEXO四款車型。2018年我國燃料電池車銷量為1527輛，其中客車銷量1418輛、貨車銷量109輛。到2020年達到1萬輛燃料電池運輸車輛，燃料電池有軌電車達50列；到2030年燃料電池車輛保有量達到200萬輛，我國燃料電池車將迎來快速發(fā)展期。

全球氫燃料電池乘用車銷量（輛）

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燃料電池車補貼落地，依然保持高標準。3月26日工信部等4部委發(fā)布《關(guān)于進一步完善新能源汽車推廣應(yīng)用財政補貼政策的通知》，提出地方應(yīng)完善政策，過渡期后不再對新能源汽車（新能源公交車和燃料電池汽車除外）給予購臵補貼，轉(zhuǎn)為用于支持充電（加氫）基礎(chǔ)設(shè)施“短板”建設(shè)和配套運營服務(wù)等方面，過渡期期間銷售上牌的燃料電池汽車按2018年對應(yīng)標準的0.8倍補貼。我國對燃料電池車補貼依然保持高標準。

燃料電池汽車補貼標準

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三、燃料電池車產(chǎn)業(yè)發(fā)展有望拉動千萬噸氫氣需求，對應(yīng)萬億氫能產(chǎn)值

2050年中國氫氣需求中性情況下將達到近6000萬噸，主要增量來自于交通運輸?shù)娜剂想姵剀嚒５?030年中國的氫氣需求量將達到3500萬噸/年，產(chǎn)能缺口約1000萬噸/年；到2050年中國的氫氣需求量將達到6000萬噸/年，其中交通運輸方面的氫氣需求量將達到2458萬噸/年，產(chǎn)能缺口約2500萬噸/年。

2050E中國氫氣需求量分行業(yè)情況

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2050E中國氫氣需求量分行業(yè)占比

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2017-2050E氫氣年需求量

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我們認為，大中型客車及重中型貨車未來更可能被替換為燃料電池車。我國燃料電池汽車發(fā)展路徑明確：通過商用車發(fā)展，規(guī)?；档腿剂想姵睾蜌錃獬杀?，同時帶動加氫站配套設(shè)施建設(shè)，后續(xù)拓展到乘用車領(lǐng)域。優(yōu)先發(fā)展商用車的原因在于：一方面，公共交通平均成本低，而且能夠起到良好社會推廣效果，待形成規(guī)模后帶動燃料電池成本和氫氣成本下降；另一方面，商用車行駛在固定線路上且車輛集中，建設(shè)配套加氫站比較容易。當加氫站數(shù)量增加、氫氣和燃料電池成本降低時，又會支撐更多燃料電池汽車。

據(jù)我們測算，到2050年燃料電池車對應(yīng)的氫氣年需求量約為2313萬噸，對應(yīng)氫能產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值約為6.9萬億元。根據(jù)中性情景假設(shè)，2030年及2050年商用車銷量中燃料電池車銷量將分別達到總銷量的7%及37%，乘用車銷量中燃料電池車銷量將分別達到總銷量的3%及14%，假設(shè)車輛壽命為20年，且燃料電池銷量滲透率為線性增長，則2050年燃料電池商用車及乘用車保有量滲透率分別為22%及8.5%。2017年我國商用車保有量為2571萬輛，乘用車保有量為1.8億輛，假設(shè)2050年車輛保有量不變。同時考慮到技術(shù)升級，假設(shè)氫氣終端成本價為30元/公斤，那么2050年燃料電池車年氫氣需求量約為2313萬噸，對應(yīng)的氫能產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值約為6.9億元。

2050年燃料電池車對應(yīng)氫氣需求量測算