2023.01.11

氢能：绿色能源的终极答案

氢能系列专题报告

翟堃(分析师)

薛阳(分析师)

邓铖琦(研究助理)

021-38675862

010-83939812

M zhaikun @ gtjas.com

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xueyang023985 @ gtjas.com

证书编号S0880517100004

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S0880121050056

本报告导读：

氢能是最易推广的终极能源，需求源自二次能源的替代,空间超万亿,制氢是国内最具优势的产业链环节，中国的能源化工企业有望依托氢能转型走向世界。

摘要：

氢能是最易推广的终极能源，已是全球多数经济体的重要国家战略。相较化石能源，高能量密度及零碳排奠定氢能是化石能源发展的未来。相较于核能，氢能更易推广，全球已进入氢能的竞争中：1）中国：氢能发展旨在构建清洁低碳安全高效的能源体系、实现碳达峰碳中和目标，回溯过去17\~21年氢气产量年复合增速达14.6%；2）日本：氢能发展为立足产业优势，拓宽应用场景，增厚壁垒。日本以丰田、本田为代表的车企已完成了氢燃料汽车的研发销售，并拥有全球排名第一的氢能技术的专利数；3）美国：自冷战时期开始布局氢能，石油危机期间加速推广，但页岩油革命完成后，美国放缓对氢能产业的推动。直至2022年的《国家清洁氢能战略和路线图（草案)》，把降本作为氢能发展的三大战略方向之一；4）德国：以解决能源安全出发来布局氢能，2020年成立欧洲清洁氢联盟，2021年发布《德国氢行动计划 2021一2025》，旨在解决氢经济的技术障碍，特别是在降低大量生产和运输氢成本的方向。

氢能的需求空间源自二次能源的替代，市场超万亿。氢能较难从自然界中直接获取，通常是通过其它能源转发而来的，属于典型的二次能源，替代需求方面：1)对比电能，需求源自电气化程度较低的领域以及储能，燃料电池汽车与锂电池比较优势在于更宽的温度使用条件，高纬度地区的氢燃料汽车市场空间可达0.6万亿元；2)对比化工品：氢气具有与焦炭类似的化学性质，全球首例百万吨级氢冶金示范项目已在国内完成投产，测算钢铁行业需求市场超千亿元；3)对比其它燃料：氢气可掺烧发电，从源头端减碳，测算掺氢燃烧市场空间超千亿元。

制氢是国内最具优势的产业链环节。1)中国具有领先全球的氢源储备，是目前全球最大的氢气生产国，此外煤制氢、工业富产氢、电解水，对应的煤炭、焦炭、合成氨产量以及风光发电装机量均为全球第一，具备充足氢源；2）焦化工艺产生副产氢，相较于石油化工及煤化工，可实现物料平衡后的氢气外溢，类似于“氢矿”，且焦炉煤气制氢具备明显成本优势；3）电解水制氢技术可以作为电-氢系统的桥梁，中国氢能规划表示 2025 年绿氢的量达10\~20 万吨每年，“十四五”时期将迎高速发展。

投资建议：氢能作为终极能源,2022年美日德等国均以开启氢能的新规划，中国也发布氢能产业中长期规划，相较而言，中国不仅是全球氢能产量之最，亦是全球氢源储备之最。在氢能的推广中，中国的能源化工企业有望完成蜕变走向世界，推荐：1）拥有大量“氢矿”资源的：中国旭阳集团。2）布局绿电业务：宝丰能源。3）PDH工业副产氢：金能科技。4）长期规划涉及制氢业务：充矿能源。受益标的：美锦能源。

风险提示。1)全球经济下行带来的替代需求下降；2)氢能推广不及预期。

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1．氢能：更容易推广的终极能源.
1.1．氢能是化学能的终极答案. 3
1.2．发展氢能已是全球多数经济体的重要国家战略 4
2．氢能的需求空间源自二次能源的替代，
2.1．氢能为二次能源. 7
2.2．氢能 VS 电能，需求源自电气化程度较低的领域以及储能....7
2.3．氢能VS 化工品，还原属性均有替代的可能.. .10
2.4．氢能VS其它燃料，减碳及高放热量是主要优势. 12
3．制氢是国内最具优势的产业链环节 12
3.1．中国具有领先全球的氢源储备. 12
3.2．氢矿—能源化工产线的质变. 14
3.3．电解水制氢，绿色能源的最后一环. 16
4．投资建议.. 18
5．风险提示 18

1．氢能：更容易推广的终极能源

1.1．氢能是化学能的终极答案

人类用能是源自太阳馈赠的化学能。化石能源和生物质能(木材)使用的本质是，可类比为人类对“太阳向地球充能时形成不同电池的使用”。从时间维度来看，生物质能主要为充电千年以内的“电池”、化石能源为充电亿年以上的“电池”，而光伏和风能则可理解为即时充电的太阳能“电池”。从纯化维度来看，经过地表以上高温高压环境深加工出来的是天然气，相当于同一型号电池形成的，石油相当于以一类电池为主配套其它电池形成的电池组“电池组”,煤炭相当于不同类型电池搭配的“电池组”。

获取和储运的难易是制约能源更迭的因素，更多的使用场景、更高效、更清洁是刺激能源推广的因素。纵观能源消费历史，1)在19世纪中叶人类的社会生产力还相对较低，木材几乎是人类所利用的唯一能源，而木材使用的普及是因为其容易获取且易于储藏;2)第一次工业革命期间,煤炭逐渐走进主流能源，其一人类对能源动力有了更高的需求，同样重量的煤炭所产生的的热量远高于木材，其二蒸汽机的发明打破了马驮煤炭的窘境，其三人类对钢铁消费量的增加也加大了对煤炭的需求；3）20世纪以来，石油和天然气逐渐被推广，且在二战以后成为主流的能源，其一石油化工能产出比煤化工更多样更廉价的化学品，其二石油相较于煤炭具有更高的能量密度，在小型运输工具中完全占据主导地位，其三液体比固体更难储运的问题在生产力提升后也迎刃而解，而天然气作为石油生产的伴生产品,在发现之初因为储运问题难以解决通常直接排放，而在管道运输以及液化运输普及后，消费占比不断提升。

图1：18世纪以来人类能源消费不断发生更替变化

数据来源：EIA、Annual Energy Review 2011,published September 2012

化学能中氢能是终极能源答案。从木材到煤炭到石油再到天然气，实质上也是从固态、液态、气态的过程，或者说从复杂混合物到相对纯净物的过程，而以上两个过程分别对应着储运的由易到难以及能量密度、清洁程度的由低到高。其中化石能源的能量密度主要取决于氢元素含量占比，主因从微观化学键氧化断裂重组放能的过程中，H-H>C-H>C-C键。除了高能量密度外，氢气氧化放能后的产物为水分子，是不存在任何污染的。相比主流化石能源最高的能量密度，以及无污染、无碳排放的放能过程，氢能是化石能源发展的未来。

图2：常见化学键键能对比

化学键	键长/(100-12m)	键能/(kJ/mo1)
C C	154	332
C	109	414
H一H	75	436
0=0	120	498
C=0	120	728
0 H	98	464

数据来源：CNKI

图3：氢元素位于元素周期表的左上角

数据来源：CNKI、Encyclopaedia Britannica

氢能是更容易推广的终极能源。氢能与传统化石能源及生物质能相比，已经是化学能使用的极致，且地球上贮存的多数化学能实质由太阳能转化而来，即在太阳放能-地球获能-人类用能这个链条中最为极致的能源。虽然科研工作者跳出这个链条，追寻太阳的能量来源，并对核能有了一定的技术突破，而核聚变形式的核能，可获得突破化学能数个数量级能量密度的能源。但核聚变形式的核能因为使用条件的苛刻目前仍处于研发阶段，而核裂变虽全球多有使用，但原料的放射线，以及安全事故的隐患也在一定程度上限制了其推广。

表1：核能相较于化学能在能量密度方面有数量级级别的优势

反应方式	释放能量
1个铀 235原子发生裂变	~ 200MeV
2个氘原子聚合成氮3原子	3.25MeV
2个气原子聚合成氙原子	4.0MeV
1个氘原子与1个氙原子聚合成氨4原子	17.6MeV
1个碳原子燃烧生成二氧化碳	4.1eV

数据来源：CNKI、国泰君安证券研究

1.2．发展氢能已是全球多数经济体的重要国家战略

氢能对于中国构建清洁低碳安全高效的能源体系、实现碳达峰碳中和目标，具有重要意义。中国政府给予氢能较多的政策支持，在《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》文件中提出要求，统筹推进氢能“制储输用”全链条发展，推动加氢站建设，推进可再生能源制氢等低碳前沿技术攻关，加强氢能生产、储存、应用关键技术研发、示范和规模化应用。且在《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年)》中，明确了氢的能源属性，是未来国家能源体系的组成部分，并制定了阶段目标：到2025年，基本掌握核心技术和制造工艺，燃料电池车辆保有量约5万辆，部署建设一批加氢站，可再生能源制氢量达到10-20 万吨/年，实现二氧化碳减排100-200 万吨/年。展望十四五，氢能将在中国政府下的鼓励下继续发展，回溯十三五，中国自身的庞大的化工煤炭生产体系具备提供大量氢源的基础，2017至2021年中国氢气产量也从1915万吨提升至3300万吨，年复合增长率达14.6%。

图4：17年至今国内氢气产量持续提升

数据来源：中国煤炭工业协会、国泰君安证券研究

图5：中国氢气未来需求量将保持高速增长(万吨)

数据来源：中商情报网、国泰君安证券研究

日本氢能发展为立足产业优势,拓宽应用场景,增厚壁垒。日本布局规划氢能源较早，得益于先进的高端装备制造业，日本已打通了氢能源全产业链，并拥有全球排名第一的氢能技术的专利数，以丰田、本田为代表的车企也完成了氢燃料汽车的研发，有效拓宽了应用场景。日本政府也在2014年明确了建设“氢能社会”的目标，同年丰田推出第一代Mirai氢燃料汽车，此外日本政府于2017 年底发布的《氢能源基本战略》将氢能目标进行了具体的细化。

图6：2011\~2020年日本申请的氢能相关专利数全球领先

数据来源：日经中文网、国泰君安证券研究

图7：丰田第二代Mirai氢燃料汽车图

数据来源：丰田官方网站

美国氢能发展以储备技术为主，兼顾减排。美国自冷战时期就开始在军用领域研究氢能的应用以及高能燃料衍生品的研发，70\~90年代全球笼罩在石油危机的阴云下，美国政府也加紧了氢能相关技术的研发，并于2002 年发布《国家氢能路线图》，使美国成为全球第一个完成氢能顶层设计的国家，把氢能作为多能源并行发展的支点，来应对自身的能源安全。而21世纪前十年的页岩油革命，让美国完成了能源领域的进化，由净进口国转为净出口国，能源安全问题的解决也就搁置了国家对氢能产业发展的推动。虽然氢能产业发展有所停滞，但美国能源部依然每年为氢能和燃料电池提供数亿美元的资金使其保持技术的领先。2022年9月美国发布了《国家清洁氢能战略和路线图（草案)》，把降本作为氢能发展的三大战略方向之一，并支出到2030、2040和2050年美国清洁氢需求将分别达到1000、2000和 5000 万吨/年。

表2：美国氢能发展计划

时期	总体目标
2020年 ~ 2022年	1）在更多的州和地区建立可靠的和技术中立的脱碳目标; 2）将新的氢解决方案引入市场，重点关注早期采用州最具吸引力的部分； 3)扩展成孰的应用。通过这些行动实现成本降低和性能改进，总氢需求达1200 万吨，并在 2022年售出3万辆燃料电池汽车。
2023年 ~ 2025年	氢需求达到1300 万吨，15 万辆轻型和重型燃料电池汽车售出计划，12.5万辆正在运行的材料处理燃料电池汽车，以及1000 个加氢站，其中近10%的加氢站专门用于在美国运行的中型和重型汽车。
2026年 ~ 2030年	氢需求达到1700万吨，售出120万辆燃料电池汽车，30万辆现场材料处理燃料电池汽车，以及4300个在美国运营的加氢站。每年吸引近80亿美元的投资。
2030年后	2030年后，美国的氢应用将在更大范围内展开，超越了传统的早期采用州和地区。氢气的利用率迅速提高，吸引了更多的投资，并打开了出口机会。
	2050 年后2050年，氢需求达到1300万吨。

数据来源：美国能源部、国泰君安证券研究

德国氢能发展旨在加速能源减碳及转型。德国氢能与美国发展较为类似，以解决能源安全出发，2004年以来德国政府就制定和实施了相关政策和项目，有针对性地支持氢能技术研发和示范。而与美国不同的是，美国在 21 世纪的前十年完成了页岩油革命，德国在同期虽然推动了国内绿色能源的发展，但因为以光伏、风电为主的能源的稳定性相对化石能源较差，德国仍然面临着能源安全的挑战。为此，德国联合欧洲其他经济体于2020 年成立欧洲清洁氢联盟共同解决氢能发展可能遇到的问题，同年德国联邦政府发布《国家氢能战略》，且于2021年发布《德国氢行动计划 2021一2025》。旨在解决氢经济的技术障碍，特别是降低大量生产和运输氢的成本。预计到2030年，德国工业应用中的氢气需求量将从2019年的55TWh增加至约110TWh，氢能发电形成5GW机组，且于2035年有望再增加5GW装机。

图8：2021\~2023年德国政府对氢能战略的基金分配情况

数据来源：

图9：德国工业应用中氢能的需求量及2030年展望(Twh)

数据来源：BMWI

2．氢能的需求空间源自二次能源的替代

2.1．氢能为二次能源

氢能为二次能源。氢原子虽然占地球中所有原子量的17%，是地球中含量最多的元素之一，但地球和地球大气层中的游离氢很少，氢原子在地球中主要储存在水分子中，而氢能的主要储存形式为游离态的氢气。氢能较难从自然界中直接获取，通常是通过其它能源转发而来的，属于典型的二次能源。

图10：一次能源和二次能源的关系

数据来源：E2G energy together、国泰君安证券研究

氢能的需求空间源于对其他二次能源的替代。氢能由一次能源转化而来，而能源的转化有效率的损耗，因此通常而言氢能为传统化石能源及其他一次能源的下游，而不是互为替代关系。而与氢能同属于二次能源的电能、热能、化工品及合成燃料，是氢能未来发展主要的需求空间。

2.2．氢能VS电能，需求源自电气化程度较低的领域以及储能

电能为普及度最高的二次能源。第二次工业革命后开启了电气化时代，电能因其便于输送、高效、无污染，迅速普及，历经百余年的发展，人类社会已经完成了电气化所需的基础设施建设，所有的一次能源都可以通过发电装置转化为电能，电能是适用范围最广的二次能源，而且全球电气化率仍在持续提升。

电能即发即用的特点以及在长距离无线传输领域技术不成熟，导致交通领域电气化程度较低。且电气化首先也在有固定运输场景的火车、有轨电车领域完成，而无固定运输场景的乘用车商用车领域，则是在依托储能领域一定技术突破后才进行了初步的电气化，但是航运、船运、航空以及军用领域的运输是电气化较难以触及的盲区。

图 11:2000\~2021年全球电能消耗占一次能源的比重持续提升(艾焦尔)

数据来源：bp、国泰君安证券研究

图12：中国新能源汽车占汽车产量比重持续提升

数据来源：wind、国泰君安证券研究

储能电池的推广给予了氢能在交通领域的需求空间。为了应对在非固定场景电能的使用及推广，由化学能转化为电能的小型发电装置电池开始了研发制造，伴随锂电池这类能量密度较高的电池的有效推广，电能从小功率移动电器的应用拓展到较大功率乘用车领域。而锂电池是储能装置而不是能源本身。锂电池可以拓宽电能的应用场景，但不能改变电能的来源，对减碳没有实质性的帮助，且锂电池对锂矿资源需求的提升，也致使锂电池的成本有所提升。氢能作为二次能源，可在燃料电池的放电装置中，对锂电池体系有效补充，且氢能虽为二次能源但主要来源于工业副产氢而不是电解水制氢，能够有效减碳。

表3：锂电池与氢燃料电池的对比

锂电池		氢燃料电池
能量密度	100~300Wh/Kg	约1000Wh/Kg
循环次数	1000~5000 次	通过加氢可实现持续放电
安全性	能量密度与安全性较难同时兼	高压氢罐系统的泄露风险
安全性	容
使用温度	冬季低温性能差	冬季低温无影响催化剂铂资源稀缺性强，且
关键原料	锂矿石资源具备稀缺性	非常昂贵
电池成本	500~1000元 (kw/h)	约5000元 (kw)
使用成本	百公里(乘用车)16度电，8~32	百公里(乘用车)消耗氢气
基础设施	元	1Kg，20~50元
基础设施	充电桩及配套费用百万元级别	加氢站及配套千万元级别
环保减碳	碳排放转移至上游	有效减碳
推广程度	完全商业化	商业推广初期
政策	持续补贴，推动商业化	长期规划已定，放权地方政府，摸索发展道路

数据来源：CNKI、国泰君安证券研究

燃料电池汽车与锂电池比较优势在于更宽的温度使用条件,高纬度地区的氢燃料汽车空间可达0.6万亿元。较多研究表明，低温下特别是当温度下降到-20度甚至更低时，锂离子电池的能量和功率会明显降低,这限制了电动汽车在高寒、高纬度地区的应用。而氢燃料电池使用温度甚至可以在零下30度，甚至拥有比燃油车更宽泛的使用温度，因此对于高纬度地区来说，氢燃料汽车是未来个人交通领域减碳的主方向。且全球有超千万人口生活在北纬60N以上的高纬度地区,而以上地区主要有冰岛、加拿大、俄罗斯等国家，上述国家人均汽车拥有量约0.5，若按50%替换为氢燃料汽车以及普及后每辆25万元人民币计算，则空间为0.6万亿元人民币。

北京冬奥会期间首次实现奥运赛场氢燃料汽车规模化应用。2022年北京冬奥会期间，为全面践行绿色办奥理念，张家口核心赛区全部使用氢能车辆共710辆，首次实现奥运史上氢燃料电池汽车规模化示范应用，助力北京冬奥会成为首个实现“碳中和”的奥运赛事。

图 13：锂电池在低温下有明显衰减

数据来源：Scientific Research

图14：60N纬度以上的高纬度地区也有超千万人生活

数据来源：Weforum

氢燃料电池汽车高昂的成本,使其过去三年的普及率低于锂电池汽车。对于同款车型，氢电版价格远超纯电版，例如：长安深蓝 SL032022款中的705纯电版的指导价为22.19万元,而730氢电版的指导价为69.99万元。且对于有较多专利储备的日本车厂丰田来说，氢电系列的Mirai车报价74.8万起，也远高于同属中型车的凯美瑞和亚洲龙。而在锂电池汽车商业化推广的过程中，其规模效应和政策补贴也带来了成本的下降，因此在2019年时氢燃料电池汽车还能占据新能源车的0.24%，而 2022年已降至0.05%。

燃料电池汽车尚处导入期,降本空间足。尽管燃料电池汽车在新能源汽车的占比有所下降，但燃料电池汽车产销量的仍然高速增长，2022 年1\~11月燃料电池汽车产量达2973辆，同比+159.1%。此外，燃料电池汽车的高成本主要源自动力系统的成本以及后期使用，而动力系统是可以通过规模化实现快速降本的，而配套设施的建设在特定路线的场景下能成本最优化，例如公共交通系统、园区重卡系统，均能使配套建设成本最低。

图15：氢燃料汽车占新能源汽车销量比重仍然较低

数据来源：wind、中国汽车工业协会、国泰君安证券研究

图16：2022年1\~11月燃料电池汽车产量为达2973（辆）

数据来源：中国汽车工业协会、国泰君安证券研究

相较电能，氢能具备的可储存的性质也能优化电源结构。可再生能源尤其是光伏和风能的利用，是推进低碳化的必经之路，但风光资源的供电功率稳定性较低。因此提升风电光伏使用占比的过程中，需要配套相应的储能系统，而通过电解水制氢，此后再利用氢能发电系统，就能实现由不稳定的风光发电，向稳定的以氢为燃料的无污染火电转化。

氢气作为燃料发电的燃气轮机的正在被开发中。日本三菱重工拥有丰富的氢能发电技术储备，以100%氢气作为原料的40MW级燃气轮机将于2023 年验证，且立志于到2025年实现商业化。此外，更大型的 400MW级燃气轮机的燃烧测试也已成功进行，原料类型为氢气和天然气各占一半，目标是2030 年实现100%氢气燃烧的商业化。

图17：三菱重工交付的燃气轮机

数据来源：JAPANGOV

2.3．氢能VS化工品，还原属性均有替代的可能

二次能源合成化工品中，焦炭是最广泛使用的产品之一。焦炭做为煤焦钢行业的中游，是目前钢铁行业不可或缺的原材料，其在高炉炼铁的工艺中主要起到提供热值、还原剂、支撑骨架等作用。而作为高耗能产业之一，钢铁生产占全球温室其它排放量的 8%，长流程炼钢工艺是难以实现电气化的，因此在减碳过程中找寻焦炭的低碳替代品是唯一可行的减碳方案。

氢气具有与焦炭类似的化学性质，亦可在钢铁领域实现应用。氢气是常见的还原性气体，此外氢气在被氧化的过程中同样可以释放能量，虽然氢气无法作为骨架支撑铁水，但氢气可以作为喷吹煤的替代物来实现减碳，这为氢能在钢铁领域的应用提供了理论基础。

全球首例百万吨级氢冶金示范项目已在国内完成投产。河钢集团120万吨氢冶金示范工程一期于2022年12月全线贯通，据集团测算，与同等生产规模的传统“高炉+转炉”长流程工艺相比，集团氢冶金示范工程一期每年可减少CO2排放 80 万吨，减排比例达到 70%以上，同时 SOz、NOx、烟粉尘排放分别减少30%、70%和80%以上，且生产每吨直接还原铁可捕集二氧化碳约125千克。

图18：河钢集团张宣科技120万吨氢冶金示范工程现场

数据来源：河钢集团网站

氢气在炼钢领域的应用空间超过千亿元规模。假设喷吹煤在钢铁生产过程中全部被氢气取代，则吨钢需要约20千克氢气，而全球2021年粗钢产量为19.5亿吨，即使按15元/千克氢气的单价计算，则市场规模有5850亿元人民币。若技术进步后，氢能还能部分取代焦炭，那么市场规模将突破万亿元人民币。

图 19：钢铁行业中，吨钢喷吹煤使用量在约147(kg)

数据来源：Mysteel、国泰君安证券研究

图 20：2021年全球粗钢产量达19.5亿吨

数据来源：全球钢铁协会、国泰君安证券研究

2.4．氢能VS其它燃料，减碳及高放热量是主要优势

氢气掺烧发电，源头端减碳。氢气与天然气同为气体，而天然气经过多年的应用，已经具备完善的管道运输系统和充裕的发电机组，因此天然气掺氢技术将能使氢气共用天然气的基础设施。美国通用技术、德国西门子和日本三菱电力等行业巨头，均致力于在燃气轮机中氢燃烧的研究，其中通用技术公司已将5%氢气混合物作为燃料用于485MW联合循环机组发电。且三菱重工的高砂氢园区内，已为大型燃气轮机提供30%的掺氢燃烧，并预计于2025年实现100%的氢燃烧。

天然气掺氢燃烧市场空间超千亿元人民币。2021年全球天然气发电量达6519太瓦时，假设伴随技术突破全球平均天然气掺氢燃烧达20%，若按照氢气2元/标方计算，市场规模达3.5千亿元人民币。

图21：2021年全球天然气发电量达6518.5Twh

数据来源：bp、国泰君安证券研究

3．制氢是国内最具优势的产业链环节

3.1．中国具有领先全球的氢源储备

氢能的产业链主要涉及制储运加四大环节。1)制氢：由于氢能是二次能源，需经转化而来，常规制氢方法包括化石能源转化制氢、工业副产制氢、电解水制氢等，在获得氢气后再根据不同的下游需求进行提纯；2）储氢：主要有高压气态储氢、低温液态储氢、固态储氢和有机液体储氢等四大类，其中燃料电池汽车的储氢方式主要为高压气态储氢;3)运氢：主要以钢瓶、运氢车等形式运输，已用规模提升后主要发展管道运输;4）加氢：主要为加氢站。

中国是目前全球最大的氢气生产国。据《氢能产业发展中长期规划(2021-2035 年)》，我国是世界上最大的制氢国，年制氢产量约3300万吨，达到工业氢气质量标准约1200 万吨，此外可再生能源装机量全球第一，在清洁低碳的氢能供给上具有巨大潜力。

图 22：2021年中国氢气产量占全球29%，全球领先

数据来源：EIA、国泰君安证券研究

图23：中国氢气主要通过煤制氢获取

数据来源：中国煤炭工业协会、国泰君安证券研究

中国氢气制备主要以煤制氢为主，各类氢源潜力巨大。氢气可通过多种工艺路线制备，主要包括：

令化石能源制氢，主要为煤气化制氢以及石油天然气重组制氢。中国具有全球最大的煤炭产量，煤制氢潜力巨大。

图24：2021年中国煤炭产量占全球近一半

数据来源：bp、国泰君安证券研究

电解水制氢：电力来源主要包括火电、水电、风电、光电以及核电等，其中可再生能源是理想的电力来源，鉴于中国部分地区新能源装机与电网仍存在不匹配的情况，仍有弃风弃光的现象，利用弃电来作为电解水制氢的原料，有望降低氢成本。中国拥有全球最大的风电、光伏产能,具备充足的绿氢制备所需可再生能源的发电机组。

图 25：2021年中国风电装机量全球第一，占比40%

数据来源：bp、国泰君安证券研究

图 26：2021年中国光伏装机量全球第一，占比36%

数据来源：bp、国泰君安证券研究

工业副产氢：主要为焦化工艺、合成氨、PDH、氯碱化工等，其中中国焦炭合成氨产量全球第一，且中国自 2016 年以来化工行业资本开支不断提升，规模巨大的化工行业将提供充裕的工业副产氢。

图 27：2021年中国焦炭、氨、氯碱产能均为全球第一

数据来源：CNKI、国泰君安证券研究

图28：2021年化工行业资本开支为近10年新高(亿元)

数据来源：bp、国泰君安证券研究

3.2．氢矿一一能源化工产线的质变

涉及工业副产氢的化工产线,理论上可作为“氢矿”。矿是指可从中提取有用组分或其本身具有某种可被利用的性能的矿物集合体,而诸如焦炭、石油催化裂化等能够产生氢气的产线，理论上均可称为氢矿。

石油工业的副产氢,主要用于后续产业链,较少外溢。石油工业是将原油经过分离获得燃料及初级石油化工品，然后通过裂化、裂解获得碳3、碳4化合物，而由于剔除燃料油之外，石油以氢碳比较低的不饱和芳烃为主，而该类初级原料是需要通过加氢催化等实现向低碳烯烃、烷烃等转化。因此，石油化工业即使有环节产生了工业副产氢，但后续的环节也会消耗氢气，而且整体来看石油化工业是需要额外补充氢气的。虽然整个石化产业链环节难有氢气外溢，但作为产业链某一节点是会有多余副产氢的，例如金能科技的PDH项目为公司带来了额外的氢源。

图 29：石油化工产线中常见的加氢催化反应

数据来源：Encyclopaedia Britannica

煤化工中的煤制氢类似于石油化工业氢气较难外溢。氢气多为煤气化的产物，后续主要参与合成氨线路以及合成气制甲醇线路，且煤炭的氢碳比小于甲醇，理论上氢气较难外溢。不过双碳趋势下，未来煤炭消费量的将趋于平缓或下降，华东煤炭龙头充矿能源在《关于讨论审议公司发展战略纲要的议案》中表示，力争5-10年氢气供应能力超过10万吨/年，亦开启了布局氢能之路。

焦化工艺产生副产氢，而后续炼钢工艺不消耗副产氢,理论上氢气可外溢。焦化工艺是用焦煤高温干馏制备焦炭，而焦炭的碳氢比是高于焦煤的，且干馏环境下隔绝氧气，因此焦化反应后氢均以氢气的形式离散在焦炉煤气中。而传统焦炭炼钢的工艺中也不涉及到氢气的应用，在焦化反应中氢气多用于燃料以及制甲醇的原料等，对于整个产业链的物料平衡来说氢气是富裕的。

焦化产业链具有制氢的天然成本优势，每立方氢气的成本仅为0.7\~1.0元。焦化产业链是用焦煤炼焦的产业链，在焦煤高温干馏后主要有气液固三相产物，固态是常见的焦炭、液态是煤焦油、气态成分则是焦炉煤气，其中焦炉煤气通常作为动力源重新回到焦炉提供热源，作为工业副产物焦炉煤气的成产成本较低。而焦炉煤气一般为富氢尾气（氢气含量约 60%），焦炉煤气只需经过简单的物理分离就可制得氢气，焦炉煤气制氢的平均成本在0.7\~1.0元/立方米，是常见制氢法包含化石能源制氢、电解水制氢中最具成本优势的方法。

图 30：焦炉煤气制氢成本在主流工艺中最低

数据来源：国泰君安证券研究

拥有焦化产能的公司，可看做为拥有氢矿的公司。

中国最大的独立焦化企业中国旭阳集团，已规划在建氢气产能合计8.54亿立方米，预计2024年能完全投产。河北旭阳1000kg/天氢能项目预计2021年投产，该项目位于定州，毗邻雄安新区及张家口冬奥会区域，需求端有保障。旭阳中燃 8.5亿方/年项目预计 2023 年底投产，届时集团氢气年产能为7.6万吨。

表4:公司在建氢能项目一览

项目	定州园区氢能项目一期氢气纯化及充清水河县360万吨/年焦化及制
项目	装系统	氢综合利用项目
区位	定州市	呼和浩特市
建设单位	河北旭阳	旭阳中燃
规模与内容	一套焦炉尾气氢气纯化系统	氢综合利用项目
产品	高纯氢	高纯氢
产能	1000kg/天	8.5亿立方/年
项目投资	0.3亿	48亿

投产时间	2020 年~2021年 2023年12月

数据来源：公司公告，国泰君安证券研究

美锦能源作为国内独立焦化龙头之一，已完成包括制氢、整车生产等氢能源领域的全面布局。据公司副总裁，焦炉煤气制氢是目前大规模、低成本获得氢气最可行的途径之一，公司在制氢方面拥有得天独厚的优势，根据公司现有上千万吨/年焦炭产能粗略计算，可从焦炉煤气中提取氢气9.6万吨/年，可供约9100 辆氢燃料电池重卡使用，预计减碳109.5万吨。

3.3．电解水制氢，绿色能源的最后一环

电解水制氢技术可以作为电-氢系统的桥梁,在电力供应过剩且传输通道不畅时，使用多余可再生能源制氢，进而起到储能调峰的作用、配合可再生能源的高比例发展。

以绿电为能源电解水制氢,可获得绿氢，从而完成零碳用能。推广氢气的主要原因为通过氢气替代化石能源，完成降碳，减缓全球变暖的情况。而由于氢气为二次能源，因此通过化石能源以及工业副产制氢被称为灰氢及蓝氢，并不能做到零碳。

图31：绿氢是零碳氢气

数据来源：Encyclopaedia Britannica

中国氢能规划表示2025年绿氢的量达10\~20万吨每年，十四五将迎高速发展。据《中国氢能产业发展中长期规划（2021-2035年)》，到 2025年可再生能源制氢量达到10-20万吨/年，成为新增氢能消费的重要组成部分，实现二氧化碳减排100-200万吨/年。而当前电解水制氢的产量仅占总产量约1%，即3.3万吨，则2023至2025的三年时间里，电解水制氢的产能需要提升3\~6倍。

高耗能的煤化工企业，已开始布局绿氢业务。对于煤化工企业来说,限制其未来发展的除了新项目的资本金外，还需要得到能耗指标以及环评的批复，而布局绿氢业务可以有效降低产线的碳排放，新建化工项目的能耗指标相对更容易获得。

宝丰能源作为煤化工龙头之一，致力于扩大煤制烯烃的产能以及精细化工产线的纵向一体化，而能耗指标是公司需要面临的挑战之一。得益于其产业园所在的宁夏和内蒙地区也拥有充裕的风光资源，宝丰能源内蒙古一期项目通过风光制氢一体化配套项目补入绿氢、绿氧，即用“绿氢”替代原料煤，补入甲醇合成项目装置，可减少工艺系统二氧化碳的排放量，同时，将副产的氧气作为气化用氧替代燃料煤，补充到气化装置中降低空分装置能耗。其2021年4月投产的电解水制氢示范项目，单位制氢成本仅14.9元/千克，相当于每立方1.33元，通过低成本的绿电以及EPC总包及优质成本管控能力，低于常规电解水制氢项目。

表5：投产制氢项目单位成本一览

序号	项目名称	投产时间	单位制氢成本	项目规模
1	宁夏宝丰能源光伏发电电解水制氢示范项目	2021年	14.91元/kg	光伏发电装机容量200兆瓦，制氢能力2万标准立方米/小时
2	新疆库车光伏发电绿氢	2022年	12.95元/kg	光伏发电装机容量300兆瓦，制氢能力2.8万标准立方米/小时
3	河北建投风电制氢项目	2022年	30元/kg	风力发电装机容量56.2兆瓦，每年产量313吨氢气（预设目标）

数据来源：中国知网《我国新能源风光发电制氢动态成本测算》，国泰君安证券研究

电解水制氢降本潜力大，度电成本及装置成本均有下降空间。电解水的成本主要由变动成本与固定成本构成,变动成本主要为制氢的用电成本，固定成本主要为电解装置成本。以风电电源质子交换膜(PEM)装置为例，每立方氢气需要约4.5度电、度电电解水装置约0.7元占固定成本50%，则若风电度电成本按0.185元测算，则每立方氢气成本为2.23元。如果按照 2025年风电成本降至0.1元，电解水装置成本降为0.5元，其他固定成本降为0.4元，那么彼时度电成本1.35元，已相较石脑油制氢、天然气制氢等具备一定优势，但仍不及煤制氢及化工复产氢。

图32：12\~20年绿电平准化度电成本持续下降(度/美元)

数据来源：wind、国泰君安证券研究

图33：电解水装置总系统成本预计不断下降(元/kw)

数据来源：中国知网《我国新能源风光发电制氢动态成本测算》、国泰君安证券研究

4．投资建议

氢能作为终极能源，2022年美国、日本、德国等均以开启氢能的未来发展计划，中国也于同年发布了《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》。与其他国家相比，中国不仅具有全球氢能产量最大的国家，亦具有领先全球的氢源储备，在氢能的发展中中国的能源化工企业，有望依托氢能业务走向世界，推荐。1)拥有大量“氢矿”资源的：中国旭阳集团。2)布局绿电业务：宝丰能源。3）PDH工业副产氢：金能科技。4）长期规划涉及制氢业务：充矿能源。受益标的：美锦能源。

表6：主要推荐上市公司估值表

公司简称	代码	EPS(元)			PE			投资评级
公司简称	代码	2021A	2022E	2023E	2021A	2022E	2023E	投资评级
中国旭阳集团	1907.HK	0.61	0.85	1.16	5.6	40	2.9	增持
宝丰能源	600989.SH	0.97	0.96	1.32	13.1	13.3	9.6	增持
充矿能源	600188.SH	3.34	7.55	7.91	10.7	4.7	4.5	增持
金能科技	603113.SH	1.11	1.28	1.51	8.5	7.4	6.3	增持
美锦能源*	000723.SZ	0.6	0.61	0.67	15.5	15.2	13.9	无

数据来源：wind、国泰君安证券研究
注：1）收盘价截至 2023年1月11日；2）美锦能源 22\~23年EPS数据源自wind一致预期。

5．风险提示

全球经济下行带来的替代需求下降。为对抗通胀,2022年美联储正式开启货币紧缩周期，如果加息过快导致经济衰退，则将在需求端对全球能源价格带来负面影响，而氢能的成本劣势将被暴露，从而影响氢能的替代需求。

氢能推广不及预期。全球主要经济体均在2022年开启了氢能的未来规划，预计均将大力推广氢能的应用，倘若不可抗力出现，氢能推广不及预期,则包括上游制氢领域的公司在内全产业链公司可能均会受到影响。

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评级说明

1.投资建议的比较标准

投资评级分为股票评级和行业评级。

以报告发布后的12个月内的市场表现为比较标准，报告发布日后的12个月内的公司股价（或行业指数）的涨跌幅相对同期的沪深300 指数涨跌幅为基准。

2.投资建议的评级标准

报告发布日后的12个月内的公司股价(或行业指数)的涨跌幅相对同期的沪深300 指数的涨跌幅。

评级		说明
股票投资评级	增持	相对沪深 300 指数涨幅15%以上
	谨慎增持	相对沪深 300 指数涨幅介于 5%～15%之间
	中性	相对沪深 300指数涨幅介于-5%～5%
	减持	相对沪深 300 指数下跌 5%以上
行业投资评级	增持	明显强于沪深 300 指数
	中性	基本与沪深300 指数持平
	减持	明显弱于沪深300 指数

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能源行业氢能系列专题报告：绿色能源的终极答案-20230111-国泰君安-19页