氫能的春天已經(jīng)到了，除了政策方面的支持，也是因?yàn)闅淠艿膽?yīng)用場(chǎng)景不斷擴(kuò)展，并且在一些領(lǐng)域開(kāi)始具備經(jīng)濟(jì)效益。正是在此基礎(chǔ)上，也吸引了大量企業(yè)進(jìn)入氫能，中證指數(shù)有限公司于3月12日宣布將在近期推出氫能指數(shù)，已經(jīng)透露了充足的市場(chǎng)信心。近期東吳證券發(fā)布一份報(bào)告《氫能深度：綠氫，第四次能源革命的載體》，對(duì)這一充滿(mǎn)新鮮感的新興賽道進(jìn)行了成本核算。我們擇其精要，以饗讀者：
四大領(lǐng)域?qū)G氫需求合計(jì)超億噸
氫能的應(yīng)用場(chǎng)景集中在交通、工業(yè)、發(fā)電及建筑四大領(lǐng)域。其中，交通、工業(yè)為主要應(yīng)用領(lǐng)域，建筑、發(fā)電和供熱等仍然處于探索階段。根據(jù)IEA，2021年全球氫能需求超9400萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)5%，其中大部分新增需求來(lái)自于工業(yè)領(lǐng)域中的化學(xué)工業(yè)（300萬(wàn)噸）和煉油工業(yè)（近200萬(wàn)噸）；在交通、建筑、發(fā)電等領(lǐng)域的新應(yīng)用需求增長(zhǎng)至4萬(wàn)噸，大部分由公路領(lǐng)域氫燃料貢獻(xiàn)，其同比增速高達(dá)60%，反應(yīng)氫燃料電池電動(dòng)車(chē)需求的加速釋放，尤其是國(guó)內(nèi)重卡領(lǐng)域。整體來(lái)看，2021年全球氫能主要應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，煉油/合成氨/甲醇/鋼鐵用氫占比分別為42.2%、35.8%、15.5%和5.5%，其他領(lǐng)域用氫占比僅為1%。2020年我國(guó)應(yīng)用在合成氨、甲醇、煉油及其他工業(yè)領(lǐng)域的氫能占比分別為37%、19%、10%和19%。
綠氫空間：短期用于合成氨、甲醇制備，長(zhǎng)期增量空間來(lái)自交通領(lǐng)域、天然氣加氫、煉鋼用氫。當(dāng)氫作為原料時(shí)，1）短期工業(yè)領(lǐng)域的氫脫碳可通過(guò)提升綠氫滲透率減少生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放，即以更低碳或零碳的途徑獲取現(xiàn)有用于原料的氫，將煤、天然氣制灰氫升級(jí)為電解水制綠氫生成綠色甲醇和綠氨，該領(lǐng)域一年需求超5000萬(wàn)噸，未來(lái)超50%可被替代，且進(jìn)程最快；2）長(zhǎng)期氫有望直接取代部分化石原料，如在煉鐵/煉鋼過(guò)程中以綠氫取代焦炭作為還原劑實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)的“零排放”、在交通領(lǐng)域替代石油、在天然中摻氫減少天然氣用量，長(zhǎng)期這些領(lǐng)域空間較大，以煉鋼為例，若完全替代焦炭，綠氫需求超1億噸。
1）合成氨：預(yù)期未來(lái)平穩(wěn)增長(zhǎng)，綠氫可滲透空間超3000萬(wàn)噸：2021年全球合成氨產(chǎn)量1.5億噸，其中國(guó)內(nèi)0.52億噸，按照一噸合成氨需0.18噸氫氣，分別對(duì)應(yīng)氫氣需求2700萬(wàn)噸及1000萬(wàn)噸。合成氨70-80%用于化肥領(lǐng)域；10-20%應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，用于生產(chǎn)硝酸和尿素；約1%用于民用炸藥，我們預(yù)計(jì)預(yù)期合成氨未來(lái)每年增長(zhǎng)1%-3%。目前，國(guó)內(nèi)合成氨行業(yè)的能耗構(gòu)成中，煤占比76%（無(wú)煙塊煤65%），天然氣占比22%，其他2%。目前綠氫在合成氨領(lǐng)域已應(yīng)用率先放量，在該領(lǐng)域，未來(lái)綠氫可替代空間3000萬(wàn)噸以上。
2）甲醇：甲醇航運(yùn)燃料催生綠氫新需求。2022年我國(guó)甲醇產(chǎn)量約7900萬(wàn)噸+，同比微增2%，預(yù)估全球需求1.4億噸。甲醇生產(chǎn)端看，約65%的甲醇生產(chǎn)來(lái)源于天然氣重整，35%來(lái)源于煤氣化，若按照一噸甲醇需0.13噸氫氣，對(duì)應(yīng)氫氣需求分別為1020萬(wàn)噸和1850萬(wàn)噸。甲醇下游需求為烯烴、甲醛、甲醇汽油、醋酸、二甲醚、MTBE等，其中烯烴占55%，甲醛與甲醇汽油次之，均約占10%左右，生產(chǎn)醋酸、二甲醚、MTBE均約占6%左右。
我們預(yù)計(jì)甲醇傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域平穩(wěn)增長(zhǎng)，而甲醇航運(yùn)燃料將為新增市場(chǎng)。22年歐盟正式將航運(yùn)業(yè)納入碳市場(chǎng)，24年開(kāi)始考核，對(duì)于5000GT以上船只，按照2024年排放量的40%、2025年排放量的70%、2026年后排放量的100%逐步納入配額管理，且除了二氧化碳，26年也將正式考核甲烷、一氧化二氮（影響液化天然氣船只）。因此自22年開(kāi)始，全球甲醇雙燃料船訂單明顯增加，且將應(yīng)用由綠氫制成的綠色甲醇。22年前三季度，甲醇船舶占新增訂單比重預(yù)期為3%，占替代燃料船舶比重為6%，預(yù)計(jì)隨著歐洲船舶碳考核時(shí)間節(jié)點(diǎn)趨近，后續(xù)訂單將明顯增長(zhǎng)。按照1艘5萬(wàn)噸載重量雙燃料船舶每年耗甲醇5萬(wàn)噸測(cè)算，預(yù)計(jì)到2030年新增甲醇船舶滲透率9%，當(dāng)年對(duì)應(yīng)耗費(fèi)氫量超500萬(wàn)噸。
3）氫燃料汽車(chē)：重卡領(lǐng)域有望實(shí)現(xiàn)突破。2022年全球氫燃料電池乘用車(chē)銷(xiāo)1.5萬(wàn)輛，同比持平，其中韓國(guó)銷(xiāo)售1萬(wàn)量，主要為現(xiàn)代nexo。國(guó)內(nèi)氫燃料車(chē)型主要為商用車(chē)，22年銷(xiāo)售為4782輛，同比增長(zhǎng)155%，其中重卡為2465輛。氫燃料電池的特性決定其適用于固定路線、中長(zhǎng)途干線和高載重的場(chǎng)景，有望在重卡領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，且隨著試點(diǎn)項(xiàng)目推廣，有望明顯增長(zhǎng)。按照氫燃料乘用車(chē)年5%增長(zhǎng)，到2030年銷(xiāo)量3萬(wàn)輛；氫燃料商用車(chē)快速增長(zhǎng)，到2030年氫燃料商用車(chē)銷(xiāo)量28萬(wàn)輛，滲透率1%，累計(jì)銷(xiāo)量超60萬(wàn)輛，按照每輛商用車(chē)百公里耗氫量10kg，年行程10萬(wàn)公里，則對(duì)應(yīng)2030年氫氣需求超700萬(wàn)噸。
4）鋼鐵行業(yè)：遠(yuǎn)期綠氫滲透空間較大，但過(guò)程緩慢。全球年產(chǎn)鋼鐵18億噸，碳排放占全球碳排放8%，碳排放密集程度最高、最難脫碳的行業(yè)之一。傳統(tǒng)煉鋼工藝使用焦炭作為還原劑，冶煉工藝分為長(zhǎng)流程和短流程兩種，長(zhǎng)流程鋼材生產(chǎn)大體可以分為兩個(gè)環(huán)節(jié)：煉鐵環(huán)節(jié)（高溫下焦炭與O2反應(yīng)生成CO，CO將鐵礦石還原成鐵水）和煉鋼環(huán)節(jié)（高溫下鐵水中部分碳被氧化）。短流程通過(guò)電爐將廢鋼冶成粗鋼。用綠氫替代焦炭作為還原劑，最具前景的鋼鐵行業(yè)脫碳解決方案之一?？紤]到長(zhǎng)流程高爐煉鐵是我國(guó)主流生產(chǎn)路線，我國(guó)的氫能煉鋼技術(shù)發(fā)展會(huì)首先使用部分氫氣代替化石燃料，通過(guò)高爐噴氫氣代替部分化石能源的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)初步富氫減排效果，該方法設(shè)備改造難度小，但減排不徹底。未來(lái)若綠氫制備成本降低，且工藝成熟，可實(shí)現(xiàn)純氫煉鋼，氫氣完全替代焦炭。
假設(shè)按照綠氫15元/kg的較低水平測(cè)算，高爐噴氫成本較傳統(tǒng)焦炭還原法高5%；而純氫法較傳統(tǒng)焦炭法能源成本雖僅略高，但設(shè)備需完全改造、工藝難度大且不成熟，因此量產(chǎn)應(yīng)用仍需長(zhǎng)時(shí)間，目前廠商替換意愿較弱。但瑞典鋼鐵集團(tuán)也提出2045年實(shí)現(xiàn)無(wú)化石煉鋼，我們測(cè)算若2030年鋼鐵領(lǐng)域綠氫還原滲透率近1%，則對(duì)應(yīng)綠氫需求100萬(wàn)噸，2050年滲透率提升至20%+，對(duì)應(yīng)綠氫需求3000萬(wàn)噸以上。
5）建筑領(lǐng)域：天然氣摻氫想象空間廣闊，多國(guó)已開(kāi)始推進(jìn)。摻氫是天然氣領(lǐng)域降碳的一種有效方式，全球天然氣需求4萬(wàn)億立方，摻氫理論比例可為10-20%，若按照10%的比例，對(duì)應(yīng)氫氣需求3600萬(wàn)噸。但目前主要面臨技術(shù)端及成本端難點(diǎn)，技術(shù)方面并非所有天然氣管道均適用于摻氫運(yùn)輸，不同國(guó)家的管道對(duì)摻氫比例要求不同，其次在終端應(yīng)用的安全性、設(shè)備適配性等標(biāo)準(zhǔn)需完善；成本端看，氫氣的熱值為天然氣的1/3，而當(dāng)前綠氫按照15元/kg成本的3倍測(cè)算（1.3元/立方*3），遠(yuǎn)高于天然氣的2-3元/立方成本，因此目前該技術(shù)尚不成熟。但歐洲多國(guó)已啟動(dòng)摻氫項(xiàng)目，若均落地則年摻氫量將超200萬(wàn)噸。我們預(yù)測(cè)2030年天然氣摻氫或?qū)?dòng)近100萬(wàn)噸綠氫需求。
綠氫成本將低于煤制氫
電費(fèi)為水電解制氫降本核心：電價(jià)及電耗，遠(yuǎn)期有望低至8元/kg。目前國(guó)內(nèi)最成熟的電解水制氫技術(shù)為堿性電解，整個(gè)制氫成本主要在于電費(fèi)和設(shè)備折舊，其中電費(fèi)占比70%-90%，折舊占比10%-30%。按照年生產(chǎn)時(shí)間2000小時(shí)，電耗5kwh/標(biāo)方，電價(jià)0.3元/kwh，1000標(biāo)方的電解槽制氫成本為25元/kg；理想情況下，按照電耗4kwh/標(biāo)方，電價(jià)0.15元/kwh，對(duì)應(yīng)成本為15元/kg，則基本可與天然氣制氫平價(jià)；若綠氫與風(fēng)光、風(fēng)電耦合，年利用小時(shí)提高至4000小時(shí)以上，則成本有望進(jìn)一步下降至11元/kg以?xún)?nèi)，則基本可以實(shí)現(xiàn)與煤制氫平價(jià)。遠(yuǎn)期看，若電價(jià)達(dá)到0.1元/kwh，電耗下降至3.5kwh/標(biāo)方，則綠氫成本可降至8元/kg，低于煤制氫。
相較于傳統(tǒng)制氫方式，水電解制氫平價(jià)尚需時(shí)日。傳統(tǒng)的煤炭制氫，主要有三種方式，一是煤氣化制氫、二是煤焦化制氫、三是煤轉(zhuǎn)為甲醇再制氫。國(guó)內(nèi)主要以成本低的煤氣化制氫技術(shù)路線為主。煤的氣化制氫工藝包括氣化劑反應(yīng)、煤氣凈化、CO轉(zhuǎn)換、變壓吸附提純。一般大型煉化廠有配套煤制氫設(shè)備，自產(chǎn)自用，避免氫氣運(yùn)輸。我們按照9萬(wàn)標(biāo)方/h的裝置，投資17億，年工作時(shí)間近8000小時(shí)，1噸氫氣耗3.8噸無(wú)煙煤，無(wú)煙煤價(jià)格按照近1800元/噸，測(cè)算煤制氫成本9.6元/kg，若無(wú)煙煤價(jià)格下降至1500元/噸，則成本將降至8.6元/kg。天然氣制氫是以天然氣為原料，用水蒸氣作為氧化劑，來(lái)制取富氫混合氣，我們按照3000萬(wàn)標(biāo)方/h的裝置，投資0.4億，年工作時(shí)間近8000小時(shí)，1標(biāo)方氫氣耗0.45標(biāo)方天然氣，天然氣價(jià)格按照近2.5元/標(biāo)方，測(cè)算天然氣制氫成本15元/kg。
綠氫實(shí)現(xiàn)零排放，考慮碳價(jià)加持，有望加速平價(jià)。煤制氨，單噸合成氨需排放近6噸二氧化碳；天然氣制氨，單噸合成氨需排放3噸二氧化碳，按照當(dāng)前50元/噸的碳價(jià)，分別增加約300元/噸和155元/噸成本；若碳價(jià)達(dá)到200元/噸，則成本分別增加約1200元/噸和600元/噸，該情境下，綠氫價(jià)格只要降至16元/kg，即可與煤制氨實(shí)現(xiàn)平價(jià)；綠氫價(jià)格只要跌至18元/噸，即可與天然氣制氨實(shí)現(xiàn)平價(jià)。煤制甲醇，單噸甲醇需排放近4噸二氧化碳；天然氣制甲醇，單噸甲醇需排放1.6噸二氧化碳，按照當(dāng)前50元/噸的碳價(jià)，分別增加約200元/噸和80元/噸成本；若碳價(jià)達(dá)到200元/噸，則成本分別增加約800元/噸和300+元/噸，該情景下，綠氫價(jià)格只要降至18元/kg以?xún)?nèi)，即可與天然氣制甲醇實(shí)現(xiàn)平價(jià)；而與煤制甲醇實(shí)現(xiàn)平價(jià)，而綠氫價(jià)格只要跌至16/kg以?xún)?nèi)。因此在當(dāng)前碳價(jià)50元/噸時(shí)，綠氫零碳排放優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)不明顯，若未來(lái)碳價(jià)漲至200元/噸，則綠氫成本降至16-18元/kg，即可實(shí)現(xiàn)制合成氨和甲醇平價(jià)。
此外，綠氫純度更高，在特定領(lǐng)域可更好應(yīng)用。煤和天然氣制得氫氣中普遍含有硫、磷等雜質(zhì)，對(duì)提純有較高的要求，在特定領(lǐng)域難以應(yīng)用，如電子工業(yè)領(lǐng)域。而電解水制氫純度等級(jí)則更高，更適用對(duì)于純度要求高的行業(yè)。
因此，我們測(cè)算綠氫替代灰氫大勢(shì)所趨，23年國(guó)內(nèi)開(kāi)始爆發(fā)，25-27年平價(jià)后有望加速。綠氫目前占比極低，國(guó)內(nèi)近兩年風(fēng)光氫一體化示范項(xiàng)目密集開(kāi)建，預(yù)計(jì)2025年后隨著碳排放考核進(jìn)一步趨嚴(yán)及電價(jià)下降，綠氫有望與天然氣制氫實(shí)現(xiàn)平價(jià)，2030年左右有望接近煤制氫，綠氫份額有望達(dá)到30%+。因此我們預(yù)期氫氣未來(lái)十年產(chǎn)量復(fù)合增長(zhǎng)4-5%，2030年氫氣需求超1億噸，預(yù)計(jì)2025年綠氫滲透率2%，產(chǎn)量超150萬(wàn)噸，2030年綠氫滲透率超30%，對(duì)應(yīng)產(chǎn)量3000萬(wàn)噸。
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