氢气成本能降到几何？——制氢篇.pdf

证券研究报告 新三板高端装备 专题报告 氢气 成本能降到几何？ 制氢篇 2019.07.24 司伟 （分析师） 于栋（分析师） 电话： 020-88836136 020-88836136 邮箱： si.weigzgzhs yu.donggzgzhs 执业编号： A1310518080001 A1310518100001 氢能市场前景广阔，电解水制氢是未来发展重点 当期制氢方式主要有四种 ：化石燃料制氢、工业副产物制氢、电解水制氢、生物质 制氢 及其他。 其中化石燃料制氢与工业副产物制氢凭借较低的成本占据制氢结构的主体地位，然而随着化石燃料产量下降、可持续发展理念的深化，氢能市场在远期（ 2050 年左右）将形成以可再生能源为主体、煤制氢 +CCS 与生物质制氢为补充的多元供氢格局。 为测算 与 汽油价格 相比 具有竞争力 的氢气售价，本文将氢气的 理想成本定为 2.6 元 / Nm3。 电解水成本偏高，降成本主要依赖电价 由于电费占整个水电解制氢生产费用的 80%左右，因此水电解制氢成本的关键在于耗能问题。存在两条降成本途径：一是降低电解过程中的能耗，可通过开发 PEM 及 SOEC 技术来实现；二是 采用低成本电力为制氢原料 ，关键在于依靠光伏和风电的发展 。 以 大工业电价均价 0.61 元 / kWh计算 ， 当前电解水制氢的成本为 3.69 元 /Nm3。 当用电价格低于 0.50 元 /kWh 时，电解水 制备的氢气 成本才可与汽油 相当 。 光伏系统发电成本 0.5930 元 /kWh，风电度电成本约为 0.3656元 /kWh， 且在 未来仍有一定的下降空间。 天然气制氢是目前主要制氢方式，降成本应关注天然气价格 天然气制氢中的甲烷水蒸气重整（ SMR）是工业上最为成熟的制氢技术，约占世界制氢量的 70%（ IEA）。我国天然气价格受资源禀赋影响， 天 然气资源主要分布集中的中西盆地也是价格最低的地区 。尤其是新疆、青海等地区天然气基本门站价格低至 1.2 元 /千立方米 左右 。据测算， 当天然气价格为 2元 /Nm3 时，测算出 制氢成本 为 1.35 元 /Nm3，相比电解水制氢具有明显的成本优势 。 煤制氢 成本 最 低， 降成本空间较小 我国 煤炭资源主要的格局是西多东少、北富南贫。内蒙古 、 山西原煤产量领先，煤价也相对偏低 。 当煤炭价格为 600 元时， 大规模煤气化生产氢气的成本为 1.1 元 / Nm3。如 果 在 煤资源丰富的地区，当 煤炭价格降低 至 200 元/吨 时 ，制氢气的成本可能降低为 0.34 元 / Nm3。 但由于 煤炭价格下降空间有限，且 煤气化制氢 企业 已形成较大规模，未来 煤制氢 降成本 空间较小 。 丙烷脱氢和乙烷裂解副产制氢具有潜在产能 化工副产物制氢 的 成本难以单独核算。 目前我国规划和在建的丙烷脱氢项目预计可以副产并外售 86.8万吨氢。我国 规划中的乙烷裂解产能达到 1460万吨，可以副产并外售的氢气达到 90.4万吨。 投资建议 ： 虽然 目前 制氢 来源 以化工燃料 和化工副产物 为主，但长期来看 ， 电解水制氢是未来发展趋势。建议关注 涉足电解水制氢 设备 领域的公司苏州竞立 ， 正 建设丙烷脱氢项目的公司巨正源股份（ 831200） ，以及华南地区最大制氢企业之一联悦氢能 。 风险提示： 制氢原料价格降幅不及预期 相关报告 1、 燃料电池任重而道远，降成本是未来发展关键 2、 机遇已至 解析 IEA 氢能的未来 广证恒生 做中国新三板研究极客 敬请参阅最后一页重要声明 证券研究报告 第 2 页 共 24 页 新三板高端装备 专题 报告 目录 目录 . 2 图表目录 . 3 1.氢能：未来动力系统的替代能源 . 4 1.1 三大优势支持氢能发展 . 4 1.2 四种制氢方式各存优劣，天然气制氢是主要来源 . 5 1.3 未来供氢主体以电解水制氢为主 . 6 1.4 氢气与汽油成本平衡性分析 . 7 2.电解水制氢：降成本主要依靠电价，低成本电力来自光伏和风电 . 7 2.1 降成本路径之一：降低过程能耗，提高电解效率 . 8 2.2 降成本路径之二：以低成本电价为制氢原料 . 9 2.2.1 我国大工业电价低于世界平均水平，国内西北地区电价最低 . 9 2.2.2 西北地区弃风弃电可用于电解水制氢 . 10 2.2.3 长期来看，低成本电力主要来自光伏和风电 .11 2.3 电解水制氢成本测算 . 12 3.天然气制氢：中西部地区天然气资源丰富，可降低制氢成本 . 13 3.1 天然气制氢方法中甲烷水蒸气重整最为成熟 . 13 3.2 降成本应从天然气价格入手，中西部地区具备价格优势 . 14 3.3 天然气重整制氢成本测算 . 15 3. 煤制氢：成本较低，下降空间有限 . 16 3.1 煤气化制氢是最常用的一种煤制氢手段 . 16 3.2 降成本应该从煤炭价格入手，西北部具有地区优势 . 17 3.3 煤气化制氢成本测算 . 18 4.化工副产品制氢：未来将由氯碱制氢转向丙烷脱氢和乙烷裂解制氢 . 19 4.1 氯碱制氢为主要生产方式，降本可从节能降耗方面入手 . 19 4.2 丙烷脱氢和乙烷裂解副产制氢有未来潜在优势 . 20 5.重点关注标的简介 . 21 5.1 苏州竞立：最早进入电解水制氢设备行业 . 21 5.2 巨正源股份（ 831200）：丙烷脱氢项目具有发展潜力 . 21 5.3 联悦氢能：华南最大制氢企业之一 . 21 敬请参阅最后一页重要声明 证券研究报告 第 3 页 共 24 页 新三板高端装备 专题 报告 图表目录 图表 1 氢的燃烧热值据所有化工燃料榜首 . 4 图表 2 氢燃料电池的综合热效率最高且 CO2排放量少 . 5 图表 3 几种制氢方式对比 . 5 图表 4 天然气制氢占我国制氢来源的 48% . 6 图表 5 中国氢气供给结构预测 . 6 图表 6 氢气原材料成本占氢气售价的 50% . 7 图表 7 电解水制氢过程 . 8 图表 8 三种电解池性能对比 . 8 图表 9 我国工业电价据世界第八 . 9 图表 10 西北地区省份大工业电价偏低 . 10 图表 11 西北、华北地区弃风电量超过全国的 83% . 10 图表 12 2018年各省份弃风弃电量（亿千瓦时） .11 图表 13 2018年各省份弃风弃电率（ %） .11 图表 14 目前光伏系统发电度电成本 0.5930元 /kWh，已低于大工业平均电价 .11 图表 15 风电度电成本 0.3556元 /kWh . 12 图表 16 电解水制氢成本测算 . 12 图表 17 制氢成本与用电价格对应表 . 13 图表 18 三种天然气制氢方法的比较 . 13 图表 19 甲烷水蒸气重整示意图 . 14 图表 20 甲烷水蒸气重整制氢工艺流程 . 14 图表 21 2017年各省份天然气产量 . 15 图表 22 2017年各省份天然气产量分布图 . 15 图表 23 各省天然气基本门站价格表（元 /m3） . 15 图表 24 天然气制氢成本测算 . 15 图表 25 制氢成本与天然气价格对应表 . 16 图表 26 三种煤制氢方法的比较 . 16 图表 27 煤气化制氢工艺流程简图 . 17 图表 28 2018年上半年内蒙古和山西原煤产量远高于其他省份 . 18 图表 29 内蒙古和山西动力煤价格偏低 . 18 图表 30 煤气化制氢成本测算 . 19 图表 31 氯碱制氢工艺简化流程 . 20 图表 32 中国丙烷进口量增长迅速 . 20 证券研究报告 新三板高端装备 专题报告 1.氢能：未来动力系统的替代能源 1.1 三大优势支持氢能发展 与传统化工燃料汽油、柴油相比，氢能具有三大优势。一是较高的含能特性。 除核燃料外，氢的燃烧热值据所有化工燃料榜首，燃烧 1kg氢可放出 12MJ（ 28.6Mcal）的热量，约为汽油的三倍。 二是较高的能源转化效率。 氢能可以通过燃料电池直接转变为电，过程中的废热可以进一步利用，其效率可达到 83%。氢气燃烧不仅热值高，而且火焰传播速度快，点火能量低，所以氢能汽车比汽油汽车总的燃料利用效率可高 20%。 三是碳的零排放。 与化石能源的利用相比，氢燃料电池在产生电能的过程中不会产生碳排放，可以实现良性循环。 图表 1 氢的燃烧热值据所有化工燃料榜首 资料来源：前瞻产业研究院、广证恒生 以汽油内燃机的综合热效率和 CO2排放量为基准来对比。 氢燃料电池的综合热效率最高，同时 CO2排放量少，是替代石油供给车辆动力的最佳燃料。 142564833 2720020406080100120140160氢气 天然气 汽油 煤 乙醇 甲醇敬请参阅最后一页重要声明 证券研究报告 第 5 页 共 24 页 新三板高端装备 专题 报告 图表 2 氢燃料电池的综合热效率最高且 CO2 排放量少 资料来源：氢与氢能、广证恒生 1.2 四种制氢方式各存优劣，天然气制氢是主要来源 目前以四类制氢方式为主：化石燃料制氢、工业副产物制氢、电解水制氢、生物质及其他制氢方式。虽然制氢方法多样，但各存优劣。天然气制氢虽然适用范围广，但是原料利用率低，工艺复杂，操作难度高，并且生成物中的二氧化碳等温室气体使之环保性降低。工业尾气制氢利用工业产品副产物，成本较低。但是以焦炉气制氢为例，不仅受制于原料的供应，建设地点需依靠焦化企业，而且原料具有污染性。电解水制氢产品纯度高、无污染，但是高成本了限制其推广。光解水与生物质制氢技术尚未成熟，实现商业化还需一定的时间。 从制氢成本方面看，煤制氢和天然气制氢成本相对更低。就目前四类制氢方式来说， 天然气制氢经济性最显著。 图表 3 几种制氢方式对比 制氢 方式 优点 缺点 能源效率 氢气价格(美元 /kg) 氢气成本(元 /NM3) 化石燃料制氢 天然气制氢 产量高，成本低 排放温室气体 83 0.75 0.6-1.2 煤制氢 产量高，成本低， 商业化技术成熟 排放温室气体 63 0.92 1-1.2 工业副产物制氢 焦炉气制氢 利用副产物，成本低 焦炉气具有污染性，建设地点受制于原料供应 - - 1.2 氯碱制氢 产品纯度高，原料丰富 建设地点受制于原料供应 - - 1.3-1.5 电解水制氢 环保，产品纯度高 耗电量大，成本高 45-55 1.95 3-5 光解水制氢 无污染、零排放 技术不成熟，转化率低 10-14 4.98 - 生物质制氢 环保，产量高 技术不成熟 ，产品纯度低 40-50 1.21-2.42 - 00.511.522.53汽油车 柴油车 天然气汽车 乙醇车 电动车 燃料电池车综合热效率 综合 CO2排出量敬请参阅最后一页重要声明 证券研究报告 第 6 页 共 24 页 新三板高端装备 专题 报告 资料来源：网络资料整理、广证恒生 目前， 天然气制氢仍是我国最主要的制氢来源， 占总制氢量的 48%。醇类重整制氢及煤制氢也占有相当大的比重，来自电解水的制氢量最低，仅为 4%。 图表 4 天然气制氢占我国制氢来源的 48% 资料来源：中国氢能源网、广证恒生 1.3 未来供氢主体以电解水制氢为主 可再生能源电解水制氢将上升为未来供氢主体。 在氢能市场发展初期（ 2020-2025年），化石燃料制氢与工业副产物制氢凭借较低的成本占据制氢结构的主体地位，随着化石燃料产量下降，这两种方式占比逐渐下降；到氢能市场发展中期（ 2030 年左右）煤制氢配合 CCS（碳捕获）技术、工业副产物、可再生能源电解水制氢将成为有效供氢主体，同时开发生物质制氢等其他技术；在氢能市场发展远期（ 2050年左右），我国将形成以可再生能源为主体、煤制氢 +CCS 与生物质制氢为补充的多元供氢格局。 图表 5 中国氢气供给结构预测 资料来源： 2019 中国氢能源及燃料电池产业白皮书、广证恒生 48%30%18%4%天然气醇类焦炉煤气电解水67% 60%45%20%30%23%5%3%15%45%70%2% 5% 10%0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%2020 2030 2040 2050化石能源制氢 工业副产氢 可再生能源电解制氢 生物制氢等其他技术敬请参阅最后一页重要声明 证券研究报告 第 7 页 共 24 页 新三板高端装备 专题 报告 1.4 氢气与汽油成本平衡性分析 氢气成本占加氢站氢气售价的 70% 。 制约氢能推广的一个主要 原因 是 氢气 相比汽油等传统能源更高的价格。加氢站销售的氢气价格中，包括制氢和储运氢气在内的氢气成本占 70%，其中氢气原材料的价格为50%，是最重要的一部分，因此制氢环节能否降低成本是降低氢气售价的关键因素。 图表 6 氢气成本占 氢气 售价的 70% 资料来源：天然气化工、广证恒生 2L 汽油车百公里耗油为 6-8 升，按照 7.3 元 /L 的汽油售价，百公里 燃料费用 最多为 58.4 元。 以丰田Mirai 氢燃料电池汽车为例， 其 百公里氢耗平均水平为 1kg，意味着氢气的售价需降到 58.4 元 /kg 以下才可与汽油 等同 ， 说明 氢气成本需降到 29.2 元 /kg。由于氢气接近理想气体，根据理想气体方程 PV=nRT 可估算出 1Kg 氢气约为 11.19Nm3。因此 氢气的理想成本大约是 2.6 元 / Nm3。 2.电解水制氢 ：降成本主要依靠电价，低成本电力来自光伏和风电 电解水制氢气是通过电能给水提供能量，破坏水分子的氢氧键来制取氢气的方法。其工艺过程简单、无污染，制取效率一般在 75%-85%，每 立方米氢气电耗为 4-5 kWh。由于电费占整个水电解制氢生产费用的 80%左右，导致其竞争力并不高。因此水电解制氢成本的关键在于耗能问题。由此引出 两条降成本的途径：一是降低电解过程中的能耗，二是 采用低成本电力 为制氢原料。 氢气生产运输可变成本 , 3%氢气生产固定成本 , 17%氢气原材料成本 , 50%加氢站维护 , 10%加氢站可变成本 , 2%储压器 , 4%压缩机 , 6%其他固定资产 , 8%氢气成本 , 70%敬请参阅最后一页重要声明 证券研究报告 第 8 页 共 24 页 新三板高端装备 专题 报告 图表 7 电解水制氢过程 资料来源：氢气生产及热化学利用、广证恒生 2.1 降成本路径之一：降低过程能耗，提高电解效率 碱性水解技术最为成熟但效率低，高效率的 PEM 与 SOEC 技术待推广。 目前主流的电解水制氢技术有三种类型：包括碱性电解水制氢、质子交换膜电解水 (PEM)制氢和固态氧化物电解水 (SOEC)制氢，其中碱性电解水制氢是最为成熟、产业化程度最广的制氢技术，但其电解效率仅为 60-75%，国外研发的 PEM技术与 SOEC 技术均能有效提高电解效率，尤其是 PEM技术已引入国内市场。 图表 8 三种电解池性能对比 电解池类型 碱水电解池 固体氧化物电解池 (SOEC) 质子交换膜电解池 (PEM) 电解质 20-30%KOH Y2O3/ZrO2 PEM（常用 Nafion） 工作温度 70-90 700-1000 70-80 电流密度 A/cm2 12 110 0.20.4 电解效率 60-75% 85-100% 70-90% 能耗 Kwh/Nm3 4.5-5.5 2.6-3.6 3.8-5.0 操作特征 启停较快 启停不便 启停快 动态响应能力 较强 强 电能质量需求 稳定电源 稳定电源 稳定或波动 系统运维 有腐蚀液体，后期运维 复杂，成本高 目前已技术研究为主， 尚无运维需求 无腐蚀性液体，运维简 单，成本低 电堆寿命 可达到 120000h - 已达到 100000h 技术成熟度 商业化 实验室研发 国外 已 商业化 ，国内处于研发走向工业化前期阶段 有无污染 碱液污染，石棉致癌 无污染 清洁无污染 电解槽成本 美元 /kW 400-600 1000-1500 约 2000 特点 最为成熟，商业化程度 最高，成本低 部分电能被热能取代，转化效率高，高温限制 可再生能源适应性，无污染，成本高（质子交敬请参阅最后一页重要声明 证券研究报告 第 9 页 共 24 页 新三板高端装备 专题 报告 材料选择，尚未实现产业化 换膜和铂电极催化），产业化程度低 国外代表企业 法国 Mcphy 公司、美国 Teledyne 公司、挪威 Nel 公司 - Proton 公司、Hydrogenics 公司 国内代表企业 苏州竞立制氢、天津大陆制氢、中船重工 718所 - 中船重工 718 所、中电丰业、中科院大连化物所、安思卓、山东赛克赛斯氢能 、中国航天科技集团公司 507 所 资料来源：氢气生产及热化学利用、高工锂电、广证恒生 2.2 降成本路径之二：以低成本电价为制氢原料 2.2.1 我国大工业电价 低于世界平均水平，国内西北地区电价最低 与其他国家相比，我国工业电价位于中低水平。 根据 2016 年统计数据，我国工业电价平均为 0.107 美元 /千瓦时，居世界第八，仅为第一名的三分之一。相对较低的电价为我国发展电解水制氢提供了有利条件。 图表 9 我国工业电价据世界第八 资料来源：网络资料、广证恒生 西北地区大工业电价偏低。 分省份来看，波谷、波峰电价在全国排名第一的分别是河北省和安徽省，青海省无论是波峰还是波谷电价均为最低，全国波谷电价平均为 0.33 元 /千瓦时，波峰电价平均为 0.90 元/千瓦时。西南地区、西北地区的大工业用电价格普遍在全国平均线以下，对于发展电解水制氢节约能耗更为有利。 0.3280.188 0.1790.1570.131 0.126 0.1220.107 0.1010.0700.050.10.150.20.250.30.35意大利 日本 德国 英国 土耳其 法国 墨西哥 中国 韩国 美国电价（美元 /千瓦时）敬请参阅最后一页重要声明 证券研究报告 第 10 页 共 24 页 新三板高端装备 专题 报告 图表 10 西北地区省份大工业电价偏低 资料来源： wind、广证恒生 2.2.2 西北地区弃风弃电可用于电解水制氢 我国弃风弃电问题突出，利好电解水制氢。 近年来，新能源的持续快速发展已经远远超过电网承载能力，新能源消耗矛盾十分突出。弃风、弃水电量呈逐年增加趋势。我国目前正大力推进可再生能源，由大量弃风、弃水产生的弃电是发展电解水制氢的有利条件。 西北地区弃风弃电量居首位。 随着我国可再生能源装机量逐年增长，每年可再生能源弃电量惊人。 2018年我国全国弃风弃电量 277 亿千瓦时，其中西北地区为 166.9 亿千瓦时，占全国的 60.25%，其次是华北地区（占全国 33.68%），东北地区占少量份额（全国 5.45%）。如果按照每立方氢气耗电 5 千瓦时来计算，全国弃风电量可生产 55.4亿立方高纯度氢气。 图表 11 西北、华北地区 弃风电量 超过全国的 83% 资料来源： wind、广证恒生 2018 年弃风弃电率排名前三的省份分别为新疆、内蒙古和甘肃，全国平均弃风弃电率为 7%，这三个省份均超过了 10%。由于可再生资源丰富， 西北省份也是电价最低的地区 。 0.000.200.400.600.801.001.20河北 安徽 湖南 浙江 天津 北京 广西 海南 河南 江苏 广东 宁夏 山西 湖北 四川 上海 甘肃 云南 陕西 新疆 青海波谷电价 (元 /kWh) 波峰电价 (元 /kWh)华北地区东北地区西北地区华南地区