圖片來源 @視覺中國
文 | 奇偶派
按能源的基本形态分類，可分爲一次能源與二次能源。前者爲天然能源，指在自然界中現成存在的能源，如煤炭、石油、天然氣、風能、水能等。而後者則指由一次能源加工轉換而成的能源産品，如電力、煤氣、蒸汽及各種石油制品等。
其中，一次能源面臨的問題主要集中于再生性方面。現階段，人類應用的能源主要以化石能源爲主，而這些不可再生的能源在未來将面臨資源枯竭的問題。因此，開發光伏、風電等項目是保證能源來源穩定的關鍵。
而二次能源的革新則是旨在解決碳排放的問題。二次能源作爲連接一次能源與用戶的紐帶，包括煤氣、焦炭、汽油等，但該類能源在燃燒放熱的過程中，會産生大量的二氧化碳與污染物質。此時，想要解決能源應用中的碳排放問題，就需要開發更加優質、清潔的含能體物質。
其中，氫能作爲與锂電類似的零碳高效能源儲用方式，逐漸受到了人們的關注，而整個行業也在需求之下迎來産業化起步的元年。
那麽，氫能源有哪些優點，能讓其成爲重要性與锂電 " 并肩 " 的二次能源？行業的發展經曆了哪些過程，又将邁向哪個階段？未來又将以什麽樣的形态完成氫能源的制備？在産業化元年中，又有哪些企業将脫穎而出？
" 碳中和 " 目标指引下，氫能源地位不輕
在 " 碳達峰、碳中和 " 目标的指引下，繼太陽能、風能等新能源迎來快速發展後，氫能作爲公認的低碳、零碳能源脫穎而出。而其熱度持高不下、各省紛紛爲其出台相關政策推動發展，與以下三大核心因素的驅動不無關系：
首先，當前地球環境碳排放問題嚴峻，全球能源向減碳加氫的方向發展。随着工業化進程的加速，能源需求日益增長，由化石燃料爲主體的能源結構帶來 CO2 排放總量的快速上升。" 清潔、低碳、安全、高效 " 的能源變革成爲大勢所趨。而氫能作爲無碳的能源載體，可以很好地實現能源的 " 去碳化 "，而未來真正完成綠氫生産的轉變後，将在全生命周期中真正實現能源的脫碳。
次之，氫兼具能源和原料的雙重屬性，有着锂電難以比拟的時移優勢。氫具備能源和原料的雙重屬性，因此電解水制氫既可以平抑風光等可再生能源的波動，解決一部分 " 棄風棄光 " 問題，還可替代化石燃料爲化工、工業、交通等領域提供綠色燃料。
而與锂電等其他的儲能方式相比，氫儲能具有跨季節、跨區域和大規模存儲的優勢，其放電時間可橫跨小時至季度，容量規模則大至百 GW 級别；從能量轉換上看，氫能不僅可轉換爲電能，還可以轉換爲熱能、化學能多種形式的能源，應用場景更加廣闊。
最後，對于我國來說，增加氫能使用占比可有效保障能源安全，提升能源自給率。我國整體的資源禀賦爲 " 富煤貧油少氣 "，根據《中國海洋能源發展報告 2022》預測，2022 年我國原油、天然氣的對外依存度分别爲 70.9%、42.5%。而氫能可以通過天然氣摻氫的方式改變天然氣燃燒特性，增加燃燒值并減少對天然氣的需求，還可通過水電解生成氫幫助我國擺脫資源束縛，減少能源的對外依存度。
不過，即使氫能源具有衆多優勢，但從目前來看，氫作爲能源應用的普及程度不高，現階段主要作爲工業原料使用。從全球視角來看，2021 年，全球氫氣需求超過 9400 萬噸，但主要用于化工（合成氨 / 合成甲醇）和煉油，全球交通運輸氫氣需求僅爲 3 萬噸左右。而用于化工領域的氫氣，也遠未做到零碳。2021 年，全球工業用氫和煉油用氫絕大部分源于化石燃料制氫，産生的直接二氧化碳淨排放量分别爲 6.3 億噸和 2.0 億噸。
普及程度不高，也意味着在氫能源在邁入産業化元年後，将迎來快速發展的過程。而在未來，氫能也将廣泛用于交通、電力、新能源消納領域。
交通方面，各國積極推廣的氫燃料電池汽車，在商用車領域逐漸滲透，已初具規模，未來航空、船舶領域也有望進行替代。電力方面，氫可以作爲電能儲存的介質，未來有望用于長時儲能，或參與全球運輸和貿易，實現電能在時間和空間上的調節。新能源消納方面，運用新能源發電離網制氫後就地消納或通過其他方式運輸可有效實現對當地風光資源的充分利用，解決部分地區棄風棄光嚴重的情況。
IEA 預計，在 2050 年全球 " 淨零排放 " 目标與産業級别的催化下，2030 年，全球氫能應用規模需達到 2 億噸，2050 年更将達到 5 億噸。
資料來源：IEA，中國氫能聯盟 CNKI，平安證券研究所
三大制氫路線并行，綠氫成爲終極形态？
目前，氫的産業化制取主要有以下三種相對較爲成熟的技術路線：一是以煤炭、天然氣爲代表的化石燃料制氫（灰氫）；二是以焦爐煤氣、氯堿尾氣等爲代表的工業副産氣制氫（藍氫）；三是利用水的電解反應制備氫氣的電解水制氫（綠氫）。
三類氫氣制取方法的原材料、制備過程、工藝複雜度、技術成熟度、經濟效應和碳排放等方面均有所不同，但總的來說，制氫路線短期内由經濟性優勢主導，而零碳屬性是長期發展的決定因素。
其中，全球目前氫氣的主要制取方式，仍以傳統化石燃料制氫爲主。化石燃料制氫指的是以煤或天然氣爲原料還原制氫的傳統方案，主要包括煤氣化制氫與天然氣蒸汽重整制氫。
煤氣化制氫是煤在氣化爐中與水蒸氣發生分步反應制備的氫氣，其原理爲：煤在氣化爐中與水蒸氣反應生成一氧化碳和氫氣，一氧化碳進一步與水反應生成二氧化碳和氫氣。天然氣制氫則主要爲天然氣中的甲烷與水蒸氣發生分步反應生成的氫氣，反應前通常需對天然氣進行脫硫處理，防止催化劑中毒。
在我國，化石燃料制氫則主要以煤制氫爲主，一方面，我國的化石能源儲量呈現 " 富煤少氣 " 特點，煤儲量更爲豐富；另一方面，我國天然氣含硫量高，預處理工藝複雜，導緻在我國天然氣制氫經濟性低于煤制氫。
但整體看來，無論是對于中國還是世界，化石燃料制氫作爲起步最早，發展時間最久的制氫方式，毋庸置疑是技術最爲成熟、應用最爲廣泛的制氫方式，但同時，灰氫也是系統能耗、污染物排放量、溫室氣體釋放量最大的制氫途經，并且該方法制氫産品雜質多、純度低，不可直接用于下遊的燃料電池，是目前最大但未來氫能源制取終極階段将要被淘汰的制氫方式。
在灰氫外，化工副産氫是灰氫制氫的補充性來源，也是三大路線中經濟效益最突出的中短期過渡路線。化工副産氫是指焦爐煤氣、氯堿化工、輕烴利用、合成氨合成甲醇等化工工藝獲得副産氫的方案。
在我國，藍氫的主要産能來自于焦爐煤氣副産氫，即使焦炭的工業産能規模穩步下降，但因其體量較大，棄氫存在提純利用空間；而輕烴利用處于成長期，産能不斷爬升，且副産氫純度高，存在增量投資需求 ; 合成氯合成甲醇工業較爲成熟，随着氫能推廣氨和甲醇有望作爲燃料或儲氫介質加以應用，未來存在極大的增長空間。
資料來源：《2023 中國氫能源産業氫制備環節深度研究報告》，雲道資本
整體來看，化工副産氫作爲化工業的副産品，具有成本較低的優點，且其中合成甲醇、合成氨制氫的未來前景較爲廣闊，相關設備環節後期投資潛力十分巨大，但因其隻是化工業的副産品，氫氣制備規模取決于主産品的制備規模，也決定了藍氫擴張空間有限，隻可作爲補充性的氫能源。
而在灰氫與藍氫之外，電解水制氫作爲代表未來的制氫技術，在雙碳政策的影響指導下，也逐漸進入了人們的視野。電解水制氫是利用水的電解反應制備氫氣的技術，而其中利用可再生電力制氫稱爲 " 綠氫 "，是零碳排、可持續的 " 終極路線 "。
與灰氫、藍氫相比，綠氫在碳排放、儲能、制氫純度和生态循環方面具有顯著優勢。
首先，綠氫具備 " 零碳排 " 的制備優勢，減碳空間極大。煤制氫路線下每生産 1 噸氫氣平均需要消耗煤炭約 6-8 噸，排放 15-20 噸左右的二氧化碳，此外還會産生大量高鹽廢水及工業廢渣。而綠氫如果與光伏、風電進行并網，在制備過程中幾乎不排放溫室氣體，每生産 1 噸氫氣碳排量僅 0.03 噸，在雙碳目标要求下灰氫勢必被更清潔的綠氫所取代。
次之，綠氫儲能具有規模大、時間長、儲存與轉化形式多樣等優勢，可解決新能源消納問題。近年來新能源的迅速發展使得電力輸送和綜合消納等困難凸顯，而可再生能源發電的随機性、季節性、反調峰特性及不可預測性導緻部分電能品質較差，疊加儲能技術有限，" 棄風棄光 " 問題快速增長。而用新能源發電制氫，有利于提高可再生能源利用效率，助力消納新能源 " 棄風棄光 " 問題。
此外，相較于其他儲能方式來說，綠氫儲能規模大且時間長，相較于容量爲兆瓦級、儲能時間 1 天的電化學儲能與容量爲吉瓦級、儲能 1 周到 1 約的抽水蓄能而言，氫能儲能的容量與時間跨度可達到太瓦級和 1 年以上，同時具備遠距離跨區域運輸的特點。而從能量轉換上看，氫能較其他儲運方式來說更加靈活，不僅可轉換爲電能，還可以轉換爲熱能、化學能多種形式的能源。
最後，綠氫制氫的純度極高。采用電解水綠氫方式制氫，氫氣純度最高，其中 PEM 水電解制氫初産物氫含量便高達 99%，提純後純度進一步提升至 99.999%，具有明顯優異性，适用于對氫氣純度、雜質含量要求苛刻的冶金、陶瓷、電子、航天航空等行業。
也正是因爲三大優點，讓綠氫逐步取代灰氫成爲必然。根據主要國際能源組織的預測，到 2050 年全球的綠氫産量将遠遠高于藍氫。至 2060 年，幾乎全部的氫氣需求都将由低排放技術滿足，其中近 80% 是電解水制氫，屆時電解水制氫将成爲具有成本競争力的制氫工藝。
但站在當前時點看來，綠氫作爲剛剛起步的制氫方法，在推廣過程中還存在着成本較高的問題。
成本方面，以目前國内最成熟的堿性電解水制氫爲例，整個制氫成本主要在于電費和設備折舊，其中電費占比 70%-90%，折舊占比 10%-30%。理想情況下，按照電耗 4kwh/ 标方，電價 0.15 元 /kwh，對應成本爲 15 元 /kg，基本可與天然氣制氫平價，但若想大面積制造，仍處于下遊使用方難以接受的階段。
資料來源：平安證券
而未來綠氫與風光、風電耦合，年利用小時提高至 4000 小時以上，則成本有望進一步下降至 11 元 /kg 以内，基本可以實現與煤制氫平價。遠期看，若電價達到 0.1 元 /kwh，電耗下降至 3.5kwh/ 标方，則綠氫成本可降至 8 元 /kg，低于煤制氫，但無論是電價的下降，或是與風光、風電耦合的推進過程中，均需要多年時間，故短期内成本較高成爲了綠氫推廣的最大阻力。
但是，目前綠氫産業仍處于從 0 到 1 快速發展的階段，在未來度電成本、電解槽單位電耗和設備投資的下降的驅動下，水電解制氫在能源化工等領域将最終完成與灰氫平價并超越。
綠電制綠氫，堿性電解槽成當下最優解
作爲從 0 到 1 快速發展的産業，電解水制氫系統的核心部分——電解槽，也有着堿性水電解（ALK）、質子交換膜電解（PEM）、高溫固體氧化物電解（SOEC）、固體聚合物陰離子交換膜電解（AEM）四種技術路線，四大路線的産品能耗、安全、技術成熟度各有差異，但又有其各自的優點。
資料來源：華安證券
立足當下，技術最成熟、單槽成本最低的技術路線，莫過于 ALK 路線。堿性電解水制氫指堿性電解質環境下進行電解水制氫的過程，電解質一般爲 30% 質量濃度的 KOH 溶液或 26% 質量濃度的 NaOH 溶液。反應過程中，水分子在陰極得到電子，析出氫氣 : 氫氧根離子在氫氧側濃度差的作用下到達陽極，生成氧氣和水。又因其堿槽成本低、整體工藝成熟度高，目前已有多個到達 MW 級别的項目，在綠氫生産中廣泛落地。
但在整體成本低、工藝成熟的同時，ALK 也由于其本身設計結構選型的問題，存在點解效率低、體積效率低下、啓動慢、維護成本高、制氫純度低的缺點。正在朝向大标方和低能耗兩個方向改進。
除 ALK 路線之外，質子交換膜技術則使用了固體電解質代替了 ALK 路線中的隔膜與液态電解液，在解決了潛在的污染與腐蝕問題外，有了更高的效率和靈活度。
由于使用了固體電解質替代了隔膜，PEM 路線的電阻相較于 ALK 更低，電解效率更高，降低了整個設備的體積；同時，因其反應活性遠遠高于 ALK，也讓其擁有了靈活的更高的啓停機制，完全可以适應大幅度的風光變化，以更高的耦合度捕捉到更多的棄風棄光；此外，PEM 使用純水作爲原料，産物不包含其他雜質，隻需要去除水蒸氣方可使用，純度可達 99.99% 以上。
但 PEM 路線使用固态電解質的另一面，則是成本的攀升：PEM 依賴鉑、銥等貴金屬作爲催化劑，大大提高了成本，哪怕是在未來，降價彈性也十分有限。目前，正在朝向研發低貴金屬催化劑與提升催化劑壽命方向發展，若能攻克，将成爲最佳電解水制氫方法。
而在主流的 ALK 和 PEM 路線外，高溫固體氧化物電解（SOEC）、固體聚合物陰離子交換膜電解（AEM）也在快速發展中。SOEC 中部分電能可以使用電能替代，轉化效率較高，但在高溫下材料選擇較少，目前尚未實現産業化；而 AEM 路線雖然材料成本低，但陰離子交換膜量産難度較大，仍在研發階段。都屬于後續潛力優良的制氫路線，但短期内難以看到産業化落地。
商業模式初起步，風光儲與設備龍頭快速搶占市場
雖然電解槽的技術路線多樣，但目前國内的主要的電解水技術均來源于中船 718 所，并在近三十年中 " 開枝散葉 "，傳播至以派瑞氫能爲代表的老牌電解水設備龍頭、以隆基氫能爲代表的風光儲龍頭和以華電重工爲代表的傳統設備廠商中。
資料來源：國際氫能網，德邦研究所
三大類廠商各有優勢，以中船 718 所（派瑞氫能）、蘇州競立和天津大陸爲代表的老牌龍頭具備技術和産品積累，先發優勢明顯，但面臨人才流失嚴重的問題；以隆基氫能、陽光電源爲代表的風光儲龍頭依托現有客戶基礎，布局可再生能源制氫系統，與原業務有很強的協同效應；而華電重工、華光環能等爲代表的傳統設備廠商，則具有多年裝備制造經驗，再設備生産上擁有先進的技術與工藝基礎。
資料來源：2022 中國氫能與燃料電池産業年度藍皮書，德邦研究所
三大類廠商中，業務協同的光儲龍頭與 " 國家隊 " 背景的相關企業，或将迎來估值的快速攀升。
風光儲龍頭企業可有效依托現有客戶基礎，延伸布局電解水制氫系統，可爲客戶提供光氫、風氫一體化系統解決方案，與原有光伏、風電業務發揮協同，是業務向最爲契合的企業，擁有極大的空間。
其中，光伏龍頭隆基綠能成爲風光儲龍頭企業入局氫能源的标杆之一。
自 2018 年起，隆基就開始對氫能産業鏈進行戰略研究，與國内外科研機構研究合作研發電解水制氫裝備技術，并于 2021 年 3 月 31 日正式成立隆基氫能科技有限公司，積極布局綠氫裝備業務。2022 年 5 月，隆基氫能入圍中石化首個萬噸級綠氫示範項目。2022 年 10 月，隆基氫能已按期完成 16 台套電解水制氫設備發貨。
資料來源：隆基綠能公告，華安證券研究所整理
而在新産品方面，隆基氫能性能優異，貫徹了堿性電解槽大标方的理念，降本效果凸顯。2021 年，公司下線首台 1000Nm ³ /h 堿性水電解槽，2023 年 2 月 14 日，隆基氫能發布 ALK Hi1 系列新産品，而其叠代後的 ALK Hi1 plus 産品，直流電耗滿載狀況下低至 4.1kWh/Nm ³，在 2500A/㎡電流密度下，更可低至 4.0kWh/Nm ³，更可連續運行 72 小時。
此外，由于業務的适配性，公司市占率也遙遙領先。2022 年國内電解水制氫設備出貨量達到 722MW，同比大幅增長 106%。其中，隆基氫能電解水制氫設備産能達 1.5GW，據隆基綠能創始人李振國介紹，2022 年隆基氫能電解水制氫設備産能位居全球第一、出貨量跻身國内前三。
隆基綠能氫能産業全球化布局 資料來源：公司官網，東方财富證券研究所
在風光儲龍頭外，具有國資背景的企業依托其背後的集團，具備極強的渠道優勢。
其中，華電重工背靠國企最大獨資發電集團之一的華能集團，具備高産業協同效應，渠道優勢強大。
華電重工作爲華電集團專門承包和制造各種能源裝備的子公司，十分重視 ALK 和 PEM 兩大制氫路線與儲運領域的相關技術。
在堿性電解槽設備領域，華電于 2020 年 7 月成立氫能技術研究中心，并于兩年後下線 1200Nm ³ /h 堿性電解槽，單機産氫量、電解效率、電流密度等主要技術指标達到國際先進水平。而在 PEM 及燃料電池設備領域，已開工建設 " 華電德令哈 3MW 光伏制氫項目 "，PEM 制氫規模達 600Nm ³ /h。産品性能已達到國際水平，爲多家國内外頭部企業供貨。
此外，在更加下遊的綠氫儲運領域中，華電重工早在 2012 年成立煤化工事業部，開展高壓氫氣管道輸送業務；同時自主研發的固态儲氫、液态儲氫技術已成功應用于泸定水電解制氫項目中。
同時，在華電集團資源傾斜下，公司先後中标了内蒙華電達茂旗（12000Nm ³ /h）、山東華電濰坊（5000 Nm ³ /h）等項目，未來前景廣闊。
寫在最後
氫能源，作爲優質的二次能源，兼具清潔、零碳、可再生的優勢，在雙碳目标下，可在多種場景替代汽油、柴油、天然氣等能源，促進工業、交通等領域深度脫碳，有望成爲新能源時代中锂電的完美補充。
而其中，作爲未來清潔能源代表的綠電制氫，在中國及全球氫能源的占比均不到 1%，正迎來從 1 到 N 的産業爆發階段。随着綠電度電成本、電解槽單位電耗和設備投資的下降，驅動水電解制氫在能源化工等領域與灰氫平價。而電解槽作爲綠氫的核心設備，将迎來千億級市場需求。
在電解槽企業出貨量的快速增長下，電解槽環節具備技術實力的隆基綠能、陽光電源、華電重工；布局電解槽的彈性标的華光環能、昇輝科技；材料環節具備潛力的貴研鉑業等企業将站在風口之上，而其資本市場上的相關估值或許也将再次迎來攀升。
參考資料：
《商業模式起步，綠氫初試鋒芒》，平安證券；
《電解槽專題報告》，新業證券電新組；
《氫制備深度研究報告》，雲道資本；
《氫能深度，綠氫，第四次能源革命的載體》，東吳證券
《乘風而起，電解槽技術掀起氫能浪潮》，華安證券；
《氫能行業系列報告之一：氫能産業周期開啓》，中銀證券；
《堿性電解槽：從 1 到 N，誰主沉浮？》，東方财富證券；
《綠氫星辰大海，電解槽放量可期》，德邦證券；
《制氫行業深度報告：綠氫電解槽，方興未艾》，國海證券；
《綠電制綠氫是趨勢，氫能産業鏈發展加速》，西部證券；
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