氢能源产业链全面分析（氢能源行业深度研究）

（报告出品方/作者：中信证券，张若海、祖国鹏、伍家豪）

1.碳中和下的氢能定位与产业全景

1.1发展与定位：氢能发展历程与近期政策

氢能应用发展从火箭发动机转向机车与汽车，碳中和背景下氢能相关的重点政策数量上升明显，部分相关文件包括： 2020年11月2日：《国务院办公厅关于印发新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）的通知》（氢燃料供给体系建设稳步推进）； 2021年2月22日：《国务院关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》（因地制宜发展氢能、加强新能源汽车充换电和加氢等配套基础设施建设）； 2021年10月24日：《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》（统筹推进氢能的制储输用全链条发展、推动加氢站建设）； 2021年10月26日：《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》（氢冶金、运输工具装备低碳转型、加氢站、建立健全氢制、储、输、用标准）； 2021年11月7日：《中共中央国务院关于深入打好污染防治攻坚战的意见》（推动氢燃料电池汽车示范应用）。

从氢能相关政策统计看氢能发展

氢能顶层规划在途，碳中和背景下对于氢能的定位布局再度提升至新高度。 2021年7月16日，工信部公布《对十三届全国人大四次会议第5736号建议的答复》,公开表示将积极配合相关部门制定氢能发展战略； 2021年10月12日，国家发改委网站发布《高技术司组织召开氢能产业发展系列座谈会》，有关方面一致表示，氢能产业健康有序发展对我国能源绿色低碳转型、实现碳达峰碳中和目标具有重要意义，需要进一步强化顶层设计、加快技术创新、完善政策体系，努力实现高质量发展。

年度视角看，2020年成为氢能政策力度全面提升的临界点。由于2019年及之前的相关政策数量和对氢能产业的提及相对较少，2020、2021年政策量化力度同比提升分别为241.2%、61.1%。

氢能政策发文较多的部门为国务院、环境部、交通部，关注氢能顶层规划对各部委的工作定位。近两年氢能相关政策来源于国务院、发改委、交通部、环境部较多。从提及氢能产业的政策文件来源统计看发文来源分布出现小幅变化，整体保持稳定。

地方政策布局超前，产业链带动效应更强

地方政府对氢能超前布局明显。 通过政策视角，我们将碳中和领域的几个能源赛道进行横向对比，从2021全年绝对政策力度看氢能略低于风电与储能，行业仍处于相对初期的阶段。地方政府超前布局氢能明显：作为一个仍处于发展初期的赛道，氢能的相关地方政策与中央政策的力度比值为2.42，超过风电（2.28）仅次于光伏（3.26），反映了地方省市政策对氢能的超前布局明显。从政策来源分布可以看到，氢能政策力度约70%来自省级和市级部门，25%来自中央/国务院。

氢能产业链对地方经济带动效应相对更强，且受限于储运成本，各地方政府倾向于打通制氢到用氢的各个环节。 氢能产业链包含了上游制氢、中游储运氢和下游用氢等众多环节，尤其下游用氢又涉及了交通、冶金、化工、储能、供热等多个领域，对于各个地方的产业链带动效应和减污降碳的效果明显。

2.氢能应用领域的现状分析

2.1制氢

碳中和战略拉动氢能需求侧扩容，带动供给侧空间提升与结构变革

碳中和战略拉动绿氢需求提升的趋势确定性高。 氢能作为零排放的二次能源，在碳中和的背景下具有不可或缺的地位，下游主要的增量需求来源主要来自工业、化工、交通、供电供热等领域，尤其是其中脱碳困难的领域。

当前氢气主要来自化石能源与工业副产。 当前我国氢气主要应用于化工领域的原料端，几乎都来自化石能源制氢和工业副产氢，大多属于碳基能源制取的灰氢。

水电解制氢是中期趋势，确定性高。 随着风电光伏成本的不断降低，带动绿电成本的降低，水电制绿氢的经济性也会随之改善并有望达到平价。从政策端、专利研发端看，都有大幅转向电解制氢的布局和研发，整体确定性较高。

产能超过4000万吨但结构亟需调整，电解制绿氢产量CAGR达25%

从中国氢气的供需结构看：减污降碳的增量需求与绿氢供给同步对接，电解制绿氢CAGR达25%。

从供给看：截至2020年，我国氢气供给量约2500万吨，其中化石能源制氢占比约67%，工业副产氢占比约30%，两项共计占比97%。中期看2020对比2030年预测结果看，工业副产氢相对依赖相关工业产量，提升弹性不高（750提升至805万吨）；、化石能源制氢依赖我国以煤为主的国情，存在25%的提升空间（1675提升至 2100万吨），但碳捕集与封存会一定程度拉高成本；电解水制氢预计从75万吨提升至525万吨，CAGR约25%增速最高；长期看电解水制氢会逐渐成为主流。（报告来源：未来智库）

如果中国氢气供给需求达到3500万吨，其中15%由绿氢替代，大约需要超过4万台1000标方的电解水制氢设备。从需求看：当前我国合成氨和甲醇用氢占比超过一半达到56%，大部分氢气作为原料应用于必要的化工生产中，但仍没有大规模应用于减污降碳场景。

2.2储运氢

气态储氢最成熟，中期关注氨储氢落地与液氢的技术进步

压缩气态储氢：将氢气加压存储于高压容器中，储氢密度与存储压力、容器类型相关，气压为35至70兆帕。

低温液态储氢：低温条件下对氢气进行液化存储，温度约为20K（约零下253摄氏度）。

储氢材料吸附储氢：利用金属合金、有机液体等材料与氢气的可以反应，实现对氢气的吸附存储和释放。

有机物储氢：利用液氨、甲醇等液体材料在特定条件下与氢气发生反应生成稳定化合物，并通过改变条件实现氢气释放。

安全、效率、成本制约或成共存局势，研发端液氢更热

安全、效率、成本三方制衡，不同场景可能形成互补局势。 技术成熟度看：气态储氢技术最为成熟且应用规模最大，液态储氢在国外同样有较长时间的应用，材料储氢和有机物储氢相对初期且应用规模极小。优势看：高压气态、储氢材料、有机物储氢相对更安全；低温液态、有机物储氢相对更高效；高压气态、有机物储氢成本相对更低。

液氢专利积累最多，储氢专利授权未出现研发结构变化。 从储氢相关专利授权数量看，液化储氢的专利总量接近120项，相比其他技术路径具有明显的技术积累优势。同时部分国外的场景已经进行了较长时间的液化储氢技术验证，成本虽高但在长距离大规模储氢运氢场景具有密度高纯度高的优势。从近三年专利授权数量占总数量的比值看，

2.3用氢：减排空间看电力与工业占比8成，交通涉及“能源饭碗”自主化

氢能细分领域应用应把握碳中和与能源自主可控两条主线，电热生产、工业、交通排碳占比约90%。

从碳中和视角看，工业深度脱碳对氢能的需求确定性高：氢能被定位为碳中和战略的必要一环，可以从各个领域的减碳空间看氢能应用的发展趋势。根据IEA的测算统计，我国电力热力生产排碳占比超过一半，电热生产、工业、交通排碳占比约90%，其中减污降碳难度较高的领域必然成为氢能发展的重点。

从能源自主可控视角看，商用车可能成为氢能在交通领域的根据地：我国2019年石油对外依赖度已经高达72%。中汽中心《面向碳达峰、碳中和目标的汽车产业实施路线图》研究成果显示，乘用车碳排放一年是4亿吨，商用车碳排放一年约6亿吨，氢能在交通领域很可能与电车形成长期的互补。

从转型路径视角看，绿氨的储运成熟且同样具有广阔减排空间：要立足以煤为主的基本国情，抓好煤炭清洁高效利用，增加新能源消纳能力，推动煤炭和新能源优化组合”，清晰的点出了“先立后破、稳扎稳打”的能源转型节奏。风电光伏等清洁能源具有高波动性的特征，导致了电力系统短期内大量依赖新能源存在一定困难，所以立足以煤为主的国情抓好煤炭情节利用同样是转型过程中的必要一环，近期包括燃煤锅炉混绿氨燃烧等绿色技术同样会为绿氢在电力热力生产打开需求空间。

综合来看，电力电热生产在过渡到风电光伏等清洁能源的过程中，绿氢或绿氨对煤电的改造会成为必经之路；钢铁、水泥等工业领域一直是减污降碳的难点，氢无论作为工业原料还是供能来源均能辅助工业领域完成深度脱碳；交通运输领域，乘用车方面电气化改造大势已成，而商用车碳排放占比超过6成可能成为氢能源的根据地。

3.绿氢前沿

3.1制氢

电解水制氢是绿色环保、纯度极高、未来重点发展的的制氢技术

定义：电解水制氢是指在直流电的作用下将水分解以制取氢气和氧气的技术。

优势：绿色环保，耦合可再生能源发电可实现高效制绿氢，氢气产品纯度高，一般可达到99.9%以上，生产的是“绿氢”。绿氢是可再生能源（如风电、水电、太阳能）等制氢，制氢过程完全没有碳排放，而灰氢和蓝氢由于是利用化石燃料制得，都有不同程度的碳排放。

目前国内氢能主要来源于煤制氢，约占氢产能64%，工业副产氢制氢占21%，天然气制氢占14%，电解水制氢占比不到2%。中国氢能联盟预测2030年电解水制氢占比将逐渐提升到15%，未来十年提升空间超4倍，2060年电解水制氢占比将提升到 70%。

碱性水电解技术最为成熟，质子交换膜技术制绿氢发展潜力较大

目前存在四种主要的电解槽技术，其效率在60%到90%之间：碱性水电解槽(ALK)、质子交换膜水电解槽(PEM) 、阴离子交换膜水电解槽(AEM)和固体氧化物水电解槽(SOEC)。其中，AEM和SOEC技术仍处于起步、实验室研发阶段。 ALK水电解制氢是我国目前最成熟的电解水制氢技术，生产成本较低，但存在碱液流失、腐蚀、能耗高等问题，适应波动性较差，与风光结合时需要配备储能。PEM水电解制氢技术的运行电流密度高、能耗低、产氢压力高，适应可再生能源发电的波动性特征，易于与可再生能源消纳相结合，在绿氢制备领域发展潜力较大。

3.2储运氢

储运氢是氢能产业布局的关键环节之一

氢气为易燃、易爆气体，当氢气浓度为4.1%～74.2%时，遇火即爆。因此氢气储存运输难度大，储运氢技术成为氢能应用的安全、成本控制的关键。储氢技术的关键点在于如何提高氢气的能量密度。常以氢气的质量密度，即释放出的氢气质量与总质量之比，来衡量储氢技术的优劣。美国能源局DOE要求2020年国内车载氢能电池的氢气质量密度须达到4.5%，2025年达到5.5%，最终目标是6.5%。

目前技术成熟，运用比较广泛的是高压气体储氢和低温液态储氢方式，同时还有金属储氢、有机液体储氢、碳质储氢等技术正处于发展阶段。金属氢化物储氢技术则表现出巨大潜力，但目前还处在研究阶段; 低温液态储氢技术具有单位质量和单位体积储氢密度大的绝对优势，但目前储存成本过高，主要体现在液化过程耗能大，以及对储氢容器的绝热性能要求极高两个方面，目前低温液氢技术多用于航天，但也越来越有向民用发展的趋势。

压缩气体储氢与低温液态储氢作为常规储氢手段技术已相当成熟

由于氢气的密度低，标准状态下（气压约0.1兆帕）的密度仅约90克/立方米。因此，以高压贮存氢气是高效利用氢气的重要途径。液态氢气的密度超过70千克/立方米，是标准状态下氢气密度的近千倍。若单看体积密度，冷却氢气至液态储存的效率远高于压缩储存，是一种相对高质量的储氢技术。

因其低密度的特性，必须要使用复合材料包覆的压力容器。经过发展迭代，该技术已经相对成熟。常压下氢气的沸点低达约零下 250摄氏度，因此，液态储氢的容器绝热要求很高，且液化过程耗能极大，可达储存氢气本身能量的30%左右；低温液态储罐只有在大量远距离（200千米以上）的氢气储运场景下才具备应用优势。目前低温液态储氢的主要应用场景是航天燃料。美国AP和PRAX两大集团垄断了全球逾三分之二的液氢市场，中国航天科技集团六院101所研制的我国首套自主知识产权的基于氦膨胀制冷循环的氢液化系统在2021年10月调试成功。

3.3用氢

氢供动能，重卡、轨道、航运、航空逐个击破

氢供动能包括通过电化学反应提供动力的装置（燃料电池）和通过氢的燃烧提供动力的装置。氢燃料电池具有燃料能量转化率高、噪音低以及零排放等优点，可广泛应用于汽车、飞机、列车等交通工具以及固定电站等方面。其中，氢燃料电池汽车已经展现了其巨大的技术可行性和能源战略意义。

氢燃料电池可以达到45%~50%的燃料效率，以及与动力电池组合的混动模式的动力总成，使得氢能源车与常规燃料汽车相比，有比较明显的能效优势。通过氢气燃烧提供动力的装置，主要包括以氢为燃料的喷气发动机和以氢为燃料的往复式内燃机。它们具有无污染、热效率高、噪音小等优点，但均处于研究试验阶段。氢能汽车的能耗水平低于纯燃油车，并还有进一步降低的空间，在假定的4RMB/Nm³的氢气价格下，实际的燃料费用，氢能汽车低于燃油车，高于柴油天然气车和纯电动车，未来绿氢的价格还会进一步下降。氢能在替代公路货运方面的减排效果是最显著的。氢能替代10%以燃油为燃料的公路运输周转量，碳排放减少量可望超过7000万吨。（报告来源：未来智库）

氢气炼钢，是实现钢铁生产零排放目标的最成熟技术之一

传统的高炉炼铁通过焦炭燃烧提供还原反应所需要的热量并产生还原剂一氧化碳，将铁矿石还原得到铁，并产生大量的二氧化碳气体。氢能炼钢则利用氢气替代一氧化碳做还原剂，其还原产物为水，没有二氧化碳排放，炼铁过程绿色无污染，是实现钢铁生产过程节能减排的最佳方案之一。

全球工业部门45%的碳排放来自钢铁、合成氨、乙烯、水泥等生产过程，氢能兼有工业原料和能源产品的双重属性，被认为是解决工业深度脱碳的重要可行方案。但目前存在的问题在于：现阶段氢气成本过高，据国际能源署测算，中国目前氢能市场价格约为每吨6万元人民币或7800欧元，采用氢能炼铁工艺成本比传统高炉冶炼工艺至少高五倍以上。

报告节选：

氢能源产业链全面分析（氢能源行业深度研究）(1)