燃料電池技術落地空間大鋼鐵減碳目標已基本明確

2021-05-26 09:03:20

來源：金融界

在我國2060年達到“碳中和”目標的背景下，我們認為氫能作為二次能源不可或缺。我們對于各行業對于氫氣的需求以及氫能平價時間進行了測算，試圖框算氫能行業各細分領域的市場空間。

摘要

各地政策相繼出臺，燃料電池技術落地空間大，鋼鐵減碳目標已基本明確。燃料電池方面，各地政策明確了國家對于燃料電池產業發展的支持態度，包括以獎代補、地方主導、分區推廣與全產業鏈支持。鋼鐵方面，正在編制的《鋼鐵行業碳達峰及降碳行動方案》已形成修改完善稿，行業目標初步定為2025年前，鋼鐵行業實現碳排放達峰。

儲能、交通、鋼鐵行業均有較大落地空間。儲能：氫能作為電力儲能的一種形式，可以作為電力供應中的中間載體。交通：商用車天然對載重、長途運輸、低溫啟動有著較高的要求，我們認為氫能是商用車脫碳的必由之路。航天領域減排選擇有限，氫燃料或成遠期關鍵路徑。鋼鐵：我們認為富氫高爐有望用氫氣完全替代噴吹煤并替代約10%焦炭用量。我們測算2060年氫氣需求量有望達到4000萬噸以上。

目前氫能終端使用價格較高，我們預計電解水制氫成本將在2040年前實現與煤炭制氫平價。隨著電解水制氫技術進步，我們預期電解水制氫成本將在2030年下降至約10元/kWh，并在2040年前實現與煤炭制氫平價;儲運加環節共同降本，終端氫價或在2030年降至35元/kg以下，燃料車能源使用端實現柴油平價。

終端硬件市場需求確定性強。汽車行業氫燃料電池有較明確落地場景，罐泵閥市場規模有望乘勢攀升，據我們測算，對應車用儲氫瓶、閥體市場規模有望在2060年達到148億元/210億元。制氫方面，我們預計2060年電解裝置超2萬億元市場;儲運設備方面，我們預計高壓儲氫瓶將迎來快速發展的十年，中國儲氫瓶市場有望迎來高速增長期，并成長為全球最大市場。

風險

技術發展節奏較慢，氫能產業鏈支持政策推行不及預期。

正文

政策：燃料電池落地空間大，鋼鐵減碳目標已基本明確

各地政策相繼出臺，燃料電池技術落地空間大

各地政策相繼出臺，燃料電池技術落地空間大。2020年《關于開展燃料電池示范應用的通知》、《新能源汽車產業發展規劃(2021-2035年)》等全國性燃料電池支持政策相繼出臺，明確了國家對于燃料電池產業發展的支持態度，支持政策的特點包括以獎代補、地方主導、分區推廣與全產業鏈支持。主要目標包括提高氫燃料制儲運經濟型、加快推進產業化進程。隨著全國性政策的落地，地方性政策也相繼開始出臺，包括：山東省計劃2025年生產燃料電池發動機50000臺，燃料電池汽車20000輛;上海市計劃2025年建成并運行70座加氫站，應用推廣超10000輛燃料電池汽車;河南省計劃2025建成80個加氫站，推廣燃料電池汽車5000輛等。我們認為，各地政策目標主要聚焦于建設加氫站以及推廣燃料電池車，為燃料電池技術的落地提供較大空間。

鋼鐵作為第一大碳排放工業行業，減碳目標已基本明確

鋼鐵作為第一大碳排放工業行業，減碳目標已基本明確。我國鋼鐵行業2019年碳排放量達15.4億噸，在工業行業占比47%，位列第一，占全國碳排放總量約18%，是碳減排的重要領域。正在編制的《鋼鐵行業碳達峰及降碳行動方案》已形成修改完善稿，行業碳達峰目標初步定為：2025年前，鋼鐵行業實現碳排放達峰;到2030年，鋼鐵行業碳排放量較峰值降低30%，預計將實現碳減排量4.2億噸。

地方政府與鋼企積極響應國家政策，推動鋼鐵行業盡早實現碳中和。我們觀察到目前各地政府已著手制定鋼鐵相關的碳達峰及碳中和行動方案，推動地區優先實現碳中和。例如國內鋼鐵生產重點地區河北省唐山市與邯鄲市通過推行嚴格的限產減排政策，壓降地區粗鋼產量，控制地區碳排放。另一方面，上市鋼鐵企業積極響應政府號召，開始制定自身碳達峰及碳中和目標，探索碳減排實踐技術路徑。國內鋼企龍頭寶武集團作為第一大鋼鐵集團率先發布碳中和的目標，力爭2023年實現碳達峰，2025年具備減碳30%的工藝技術能力，2035年力爭減碳30%，2050年力爭實現碳中和。我們認為地方政府與鋼企積極的響應與落地國家政策將推動鋼鐵行業率先實現碳達峰及碳中和。

發展氫冶金技術是實現鋼鐵行業碳中和的重要一環，鋼鐵氫冶金進入新的發展階段。我們認為發展氫冶金技術是實現碳中和的重要一環，主要原因為：1)氫可替代主要碳排放來源的CO與鐵礦進行還原反應。鋼鐵冶煉中大量的C02排放來自于高爐冶煉環節用CO作為還原劑還原鐵礦石，而氫作為清潔能源可一定程度上替代CO起到還原作用，根據不同的氫冶金工藝，最多可減少80%以上的碳排放。2)廢鋼資源緊缺，制約電爐發展。廢鋼回收量一年僅為2.7億噸，無法供應10億噸以上的鋼鐵需求，電爐受到目前原料短缺與成本較高的制約，難以快速取代高爐。3)電爐冶煉目前仍主要用火電，間接產生大規模碳排放。我們觀察到，目前我國多家鋼鐵企業已開始研發氫能冶金項目，碳中和背景下，我國鋼鐵氫冶金技術已進入新的發展階段。

圖表：高爐電爐煉鋼成本差距制約電爐發展

資料來源：Wind，中金公司研究部

需求端分析：2060年氫氣總需求有望達到4439萬噸

儲能領域：2060年電力儲能對于氫能的年需求量有望達到613萬噸

儲能需求的測算

碳中和需要電力清潔化，帶來電力靈活性資源需求的增長。碳達峰、碳中和背景下，電網若要接納可再生能源成為主力電源，不僅僅是發電側的變革，更需應對電力系統平衡和安全挑戰。可再生能源在可調度性和可預測性上遜于傳統能源，因而滲透率的提升將帶來電力系統平衡和安全的新挑戰。我們看到近幾年在風光可再生電力滲透率高的市場如澳大利亞、英國、美國加州，都出現過極端氣候下電力系統平衡安全的風險事件。我們認為電力清潔化轉型背景下，對于電力靈活性調峰資源的需求也將增長，電網需要挖掘靈活性資源潛力，包括火電改造、抽水蓄能、儲能、用戶側響應等等。

我們對于2060年以風光為主力的零碳電力結構對儲能的需求進行量級匡算，基于2060年發電量18,500TWh(較2020年增速CAGR2.2%)、發電量結構中火/水/核/風/光分別0%/10%/16%/23%/51%、單日最高用電負荷26億千瓦的假設，我們預計若要實現新能源的高比例消納、盡可能減少棄電量，到2060年電力系統對于儲能裝機的需求量或達1000TWh以上(調頻裝機0.1TWh級別，日度調峰裝機10TWh級別，季度調峰裝機1000TWh級別)。季度調峰裝機需求最大，主要由于季度調峰需要電力的長時間、跨季節存儲、而調度頻次相對較低;調頻以及日度調峰的裝機容量要求相對較小、但調用頻率更高。

圖表: 電力系統調峰調頻需求測算(2060年)

資料來源：IRENA，中金公司研究部

為什么儲能領域要用氫氣

氫能可以為電力儲能的一種形式，可以作為電力供應中的中間載體，當電力生產過剩時，不能上網的冗余電量可以用來制氫，從而將電能轉化為氫能;在用電負荷增加時，可以用儲存的氫能進行發電，從而達到平衡供需的目的。

氫能滿足儲能基本要求，并且在季度調峰上具備一定的比較優勢。氫能燃料電池的響應速度可以達到秒級，滿足電網對于儲能設施的基本要求，目前來看在日間調峰和調頻領域，由于電-氫-電的兩次能量轉化和能量損失，其在經濟性上較難超越抽水蓄能和電化學儲能。但相比于這兩種技術路線，氫能具備自衰減率低、能量密度高、成本具備規模效應的特征，我們認為隨著成本的下降，以及火電機組(當前提供了類似季節性儲能的電網調節功能)的退役，氫能有望在季度調峰場景發揮比較優勢：

?自衰減率低，氫能經存儲后基本沒有衰減(氣體逃逸)，而鋰電池電量的存儲周期一般至多一個月，因此氫能可以用于對電能更長時間、跨季節進行存儲。

?能量密度高，氫氣能量密度為140MJ/kg，是鋰電池的近200倍，因此其占地面積更小，長時間存放的存儲成本相對更低。

? 成本具備規模效應，根據權威論文估算，在80%的可再生能源滲透率下，儲能設施需要具備在極端情況下持續放電120小時的能力，因此季節性儲能需要具備更大的單體規模。而電化學的功率和容量互為關聯，需要增加放電時間就需要增加裝機容量和功率，成本基本是線性增加，更大的單體規模對于項目投資沒有明顯的規模效應;而一些物理、機械儲能技術與電化學不同，系統輸出功率由電堆設定/反應條件決定，而系統容量由存儲介質用量決定，可以分別設定，且功率器件成本占比較高，因此隨著續航時間變長，系統容量變大，單位功率的投資成本得到攤薄。

圖表: 電力系統各類儲能方式的對比

資料來源：GGII，IRENA，中金公司研究部

儲能領域氫能需求測算

我們匡算若由氫能滿足一部分的季節性儲能調峰需求(氫能與抽水蓄能、壓縮空氣儲能、熱儲能、電力跨區互聯等技術路線競爭)，則到2060年電力系統儲能對于氫能的年需求量或達到613萬噸，較為可觀。目前來看，氫氣的易燃性對大規模氫氣儲存的安全性提出高要求，我們認為這也成為氫儲能單位投資成本較高的原因之一，未來提效和降本將成為氫能發展的關鍵點。

此外，氫能應用范圍廣，除電力系統外，還可用于供熱。氫能的終端應用可以以燃料電池發電的形式，也可以以燃燒供熱的形式，實現在供熱領域的應用。當前我國正在持續推進北方地區冬季清潔取暖規劃，氫能作為清潔能源，具有良好的適用性。截至2019年底，全國城市集中供熱總量39.25億GJ，若全部由氫能滿足則對應潛在2800萬噸的年需求。

交通領域：2060年交通領域對氫氣總需求有望達到3031萬噸

汽車行業

雖然鋰電已經能滿足乘用車基本的續航需求，但我們仍然認為氫燃料電池在續航上有較大優勢。并且，乘用車對載重、額定功率的要求不如商用車那么高，目前國內已經可以批量生產應用于輕型車輛的燃料電池生產系統，我們認為乘用車將會成為氫燃料電池車試運營的先驅。

商用車天然對載重、長途運輸、低溫啟動有著較高的要求，而鋰電路線難以解決這三個難題。即便固態里電池技術成熟，載重與充電時長仍會掣肘鋰電在商用車的應用，因此氫能是商用車脫碳的必選方案。中短期來看，各地政府相繼出臺政策推廣氫燃料電池車及加氫站建設，《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》規劃到2025年全國范圍內推廣氫燃料電池車10萬輛，2030-2035年推廣達到百萬輛;商用車中，我們認為政府對客車行業采購干預能力強，且整車廠相對集中，客車或將最先推廣氫能;重卡則因其載重、續航、低溫的高要求對氫燃料電池推廣最為急迫。遠期來看，隨著上游制氫、儲氫、運氫規模化，中游氫燃料動力系統逐步國產化，我們預計氫燃料電池車有望實現與柴油車平價，并減少能源消耗成本。據我們測算，到2030/2060年，氫燃料電池車(商用車及乘用車)年銷量將分別達到29萬輛/200萬輛，燃料電池車保有量134萬輛/1546萬輛，對應總氫氣需求將達到129萬噸/3031萬噸。

圖表: 2021E-2060E 氫燃料電池車銷量拆分

資料來源：中汽協，中金公司研究部

圖表: 2021E-2060E 氫燃料電池車保有量測

資料來源：中汽協，中金公司研究部

圖表: 2021E-2060E 汽車行業氫氣總需求量預測

資料來源：中汽協，中金公司研究部

航空航天

航天減排選擇有限，氫燃料或成遠期關鍵路徑。航空領域的減排的可能手段主要有三種：提高能源利用效率、碳捕捉技術和使用替代能源。根據國際民航組織預測，單純提高能源利用效率無法達到碳中和的目標，尋找替代能源是遠期的必然選擇。由于飛機飛行對能量供給要求高，且中途無法充電，現階段的電池無法解決該難題，而氫燃料熱值高、加氫速度快、質量功率密度高，或成為解決該難題的密鑰。目前，世界各國對氫能在航空領域的應用還處在嘗試階段，美國、歐洲、俄羅斯等國已開展相關研究并進行試飛，但商業化應用仍將是遠期目標。

鋼鐵：2060年鋼鐵行業氫氣需求量有望達796萬噸

鋼鐵行業主要氫冶金技術：富氫還原高爐和氣基直接還原豎爐工藝

富氫還原高爐工藝是通過噴吹氫氣和天然氣、焦爐煤氣等含氫介質參與煉鐵的過程，可減少大約10-20%的碳排放。高爐富氫還原煉鐵是通過噴吹焦爐煤氣或改質焦爐煤氣替代部分焦炭，用于還原鐵礦石，焦爐煤氣通過催化裂解成為改質焦爐煤氣，其中的氫氣含量可達到60%以上。由于采用富氫煤氣作為還原劑，焦炭占比會相應降低，但焦炭仍需承擔料柱骨架、保障爐內煤氣順暢流動的作用，因此該工藝下的碳排放減量有限，碳減排幅度約為10-20%。

我們測算，富氫還原高爐工藝噸鋼氫氣消耗量為10.2千克。因該工藝僅能替代小部分的焦炭，我們假設氫氣將替代100%的噴吹煤和10%的焦炭進行還原。普通高爐冶煉需要加入噸鋼約145千克噴吹煤和385千克焦炭，根據噴吹煤、焦炭與氫氣的熱值以及考慮到約20%的轉換效率損失，我們測算大約需要噸鋼10.2千克的氫氣消耗以產生與普通高爐同等的溫度。

圖表：富氫還原高爐工藝流程圖

資料來源：《我國開展氫冶金的適宜工藝路線》，中金公司研究部

圖表：2020年富氫還原高爐工藝消耗氫氣量測算

資料來源：中國鋼鐵工業協會，中金公司研究部

氣基直接還原豎爐為通過使用氫氣或氫氣與一氧化碳混合氣體作為還原劑，將鐵礦石轉化為直接還原鐵后再將其投入電爐進行進一步冶煉，可減少約50~80%的碳排放量。根據加入的還原性氣體中氫氣的占比，氣基直接還原豎爐工藝可分為富氫氣基豎爐和全氫氣基豎爐。由于氫氣作為主要還原劑，二氧化碳排放量減少幅度更大，可達50%以上。

我們測算，氣基直接還原豎爐工藝噸鋼氫氣消耗量約為40.5千克。因中國天然氣資源相對短缺，我們認為目前國際上較為成熟的天然氣氣基直接還原豎爐工藝較難在中國實現大規模商業化應用，預計中國將發展焦爐煤氣及煤制氣氣基直接還原豎爐。根據遼寧現有煤制氣氣基豎爐項目，噸鋼需要加入1800標準立方米的還原性氣體，其中外購氫氣約為450標準立方米，其余還原性氣體由煤或焦爐煤氣制備而來。根據外購氫氣體積及密度，我們測算氣基直接還原豎爐公司大約需要消耗噸鋼40.5千克的氫氣。

圖表：氣基直接還原豎爐工藝流程圖

資料來源：《我國開展氫冶金的適宜工藝路線》，中金公司研究部

圖表：2020年氣基直接還原豎爐工藝消耗氫氣量測算

資料來源：中國鋼鐵工業協會，中金公司研究部

我們認為，富氫氣基直接還原豎爐工藝較有發展前景，且我們預計將于2050年左右形成較大規模的商業化應用。相較于氣基直接還原豎爐工藝，富氫還原高爐工藝制氫成本及煤氣循環成本較高且碳減排潛力有限，因而我國更適宜發展氣基豎爐工藝。同時，因為全氫豎爐環境下的強吸熱反應及氫氣儲存難度高導致的高成本，富氫氣基豎爐將在中國碳中和碳達峰進程中發揮更有效的作用。根據全球目前正在進行探索的高爐富氫還原項目，我們判斷，中國的高爐富氫氫冶金技術預計于2050年前后才可進行較大規模的商業化應用。

圖表：我們認為，富氫氣基直接還原豎爐工藝較有發展前景

資料來源：《我國開展氫冶金的適宜工藝路線》，中金公司研究部

圖表：全氫環境下的氫還原具有強吸熱效應

資料來源：《我國開展氫冶金的適宜工藝路線》，中金公司研究部

圖表：富氫豎爐中放熱反應與吸熱反應同時進行

資料來源：《我國開展氫冶金的適宜工藝路線》，中金公司研究部

2060年鋼鐵行業氫氣需求量有望達795.7萬噸

2060年國內主要鋼爐將分為富氫高爐、普通電爐、和氣基豎爐三種。2020年國內主要鋼爐為普通高爐和普通電爐兩種，兩者粗鋼產量占比分別約90%和10%。目前由于氫能技術暫不成熟且成本較高，我們預計富氫高爐和氣基豎爐兩種技術將在2025年開始逐步應用，而受益于碳中和政策，我們預計普通電爐也將迎來較快速度發展。考慮到在碳中和情況下，我們測算的普通電爐成本最優，富氫高爐次之，其次是氣基豎爐，我們預計2060年普通電爐/富氫高爐/氣基豎爐粗鋼產量占比為50%/35%/33%。

圖表：各類型鋼爐粗鋼產量占比測算