報告出品方：國泰君安

以下為報告原文節(jié)選

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1. 氫能：零碳綠色能源，脫碳目標驅(qū)動需求

1.1. 氫能：零碳綠色能源，新老能源的連接媒介

氫能作為一種來源廣泛、清潔無碳、靈活高效、應(yīng)用場景豐富的高熱值二次能源，在當前傳統(tǒng)化石能源面排碳排壓力增加，全球面臨能源轉(zhuǎn)型的背景下重要性持續(xù)提升。隨著可再生能源的發(fā)展，LCOE 度電成本的逐低，通過可再生能源進行低成本綠氫制備替代灰氫已經(jīng)成為大勢所趨。

氫能發(fā)展符合能源發(fā)展的必然規(guī)律。復(fù)盤人類能源利用史，即是碳和氫元素的綜合利用歷史，是從高碳比例能源向低碳比例能源轉(zhuǎn)變的過程。人類用能形態(tài)從最初的薪柴到化石燃料，能源形態(tài)發(fā)生改變，產(chǎn)生第一次能源革命，隨后熱力向電力的轉(zhuǎn)變帶來產(chǎn)品形態(tài)的改變產(chǎn)生二次能源革命。而今天第三次能源革命則帶來風光等可再生能源向電力-氫能-儲能-化學品的變化帶來能源形態(tài)和產(chǎn)品形態(tài)的變化。氫能則是實現(xiàn)能源真正零碳排放的最終路徑，被譽為“終極能源”。
氫能兼具能源和化工熟悉，氫能是連接傳統(tǒng)能源和新能源，擺脫地域資源約束的理想媒介。氫兼具能源屬性和原料屬性。當前第三次能源革命，碳、氫、電是 3 個重要的基本單元。碳元素、碳氫化合物可作為化工原料，電力、氫能作為能源提供社會需求的動力。通過大規(guī)?？稍偕茉粗茪湟环矫婵梢宰鳛榛どa(chǎn)的原料生產(chǎn)合成氨、合成甲醇，氫也在煤化工、鋼鐵等行業(yè)應(yīng)用廣泛。另一方面也可以通過儲存的方式作為能源存儲的方式。氫實現(xiàn)了原料和能源的跨界，構(gòu)建起傳統(tǒng)能源和新能源之間耦合的通道，成為推動傳統(tǒng)化石能源清潔高效利用和支撐可再生能源大規(guī)模發(fā)展的理想媒介。

1.2. 驅(qū)動力：多重要素驅(qū)動氫能行業(yè)發(fā)展

1.2.1. 驅(qū)動力 1：“碳中和”目標、碳稅法案陸續(xù)落地加速脫碳

碳中和的目標推動氫能加速發(fā)展。為達到 2016 年《巴黎協(xié)定》提出的在本世紀中葉前努力將全球溫度控制較前工業(yè)化時期溫度上升幅度限制在1.5℃的目標，碳中和已經(jīng)成為全球的共同愿景和一致行動。目前全球已有包括歐盟、英國、加拿大、日本等多個國家和地區(qū)超過 130 個國家和地區(qū)提出了“碳中和”或“零碳”目標且大部分計劃在 2050 年實現(xiàn)。中國也提出自己的“碳中和”目標，即氧化碳排放力爭 2030 年前達到峰值，2060 年前實現(xiàn)碳中和。通過氫能實現(xiàn)深度脫碳是實現(xiàn)碳中和的必然選擇。

歐盟 CBAM征稅或大幅推進國內(nèi)各行業(yè)碳減排進程。歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機制（CBAM）協(xié)議（也稱碳關(guān)稅）通過加速推進中國“碳中和”進程。
2023 年 2 月 9 日，歐洲議會環(huán)境、公共衛(wèi)生和食品安全委員會（ENVI）正式通過了歐洲碳邊界調(diào)整機制（CBAM）協(xié)議，CBAM 協(xié)議預(yù)計于 2023年 10 月 1 日生效。CBAM 當前還需要跟歐洲理事會進行談判和批準和等待 4 月份歐洲議會最終通過。
CBAM 將按照委員會的提議涵蓋鋼鐵、水泥、鋁、化肥和電力，并擴展到氫氣、特定條件下的間接排放、某些前體以及一些下游產(chǎn)品，例如螺釘和螺栓以及類似的物品鐵或鋼。新的協(xié)議擴大加入氫氣（歐盟很多國家把綠氫納入脫碳主要燃料，而非歐盟國家主要是用煤炭生產(chǎn)灰氫）、若干化學前驅(qū)物、一些鋼鐵下游產(chǎn)品（例如螺絲、螺栓等），以及在特定條件下的范疇二間接排放。
我國是歐盟第一大貿(mào)易伙伴和最大商品進口來源國，受歐盟隱含碳稅影響大。我國出口歐盟的中間產(chǎn)品中 80%的碳排放來自金屬、化學品和非金屬礦物，屬于歐盟碳市場高泄露風險部門，一旦納入碳邊境調(diào)節(jié)會對出口產(chǎn)生巨大影響?；?2015-2019 年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國出口受影響的貿(mào)易額將占出口歐盟總額 12%，約 427.5 億美元。其中石油化工和鋼鐵兩者合計貿(mào)易出口分別占受影響貿(mào)易額的 27%，受影響較大。化工和鋼鐵行業(yè)減碳勢在必行。

我國碳減排壓力大任務(wù)重。從總量來看，中國是全球碳排放第一大國，根據(jù)（BP）發(fā)布的《世界能源統(tǒng)計年鑒（第 70 版）》統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2020年，亞太地區(qū)碳排放量占全球總排放量的一半以上，合計占比達 52%。
2020 年，我國能源消費總量為 49.8 億噸標準煤，能源相關(guān)的 CO2 排放量約 99 億噸，占全球比例為 30.7%，是北美地區(qū)的一倍。

1.2.2. 驅(qū)動力 2：氫能是傳統(tǒng)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的抓手

以鋼鐵、水泥、工業(yè)制造業(yè)是碳排放大戶面臨壓力。2020年我國單位GDP能耗為 3.4 噸標準煤/萬美元，單位 GDP 碳排放量為 6.7 噸 CO2/萬美元，均遠高于世界平均水平及美國、日本、德國、法國、英國等國家。其中石化化工、煤化工、鋼鐵、有色冶煉、水泥等工業(yè)制造業(yè)合計碳排放占比 29%。

氫作為能源，更是重要的載體，實現(xiàn)傳統(tǒng)化石能源與可再生能源的連接，實現(xiàn)兩者平穩(wěn)過渡。在雙碳目標和 ESG 背景下以傳統(tǒng)企業(yè)為主的電力、交通、建筑、工業(yè)企業(yè)陸續(xù)通過布局氫能加速綠色低碳轉(zhuǎn)型。工業(yè)領(lǐng)域的氫冶金，化工行業(yè)的綠氫耦合，電力領(lǐng)域的天然氣官網(wǎng)摻氫，園區(qū)領(lǐng)域熱電聯(lián)供成為各傳統(tǒng)企業(yè)布局方向。綠氫，作為能源載體和物料起始的小分子，已經(jīng)開始在能源和石油化工兩條路線進行滲透，將來將成為替代煤炭石油天然氣等化石能源，作為未來無碳循環(huán)物料和能源體系的基石。

1.2.3. 驅(qū)動力 3：發(fā)展氫能符合我國保障能源安全的發(fā)展方向

2020 年 12 月國務(wù)院新聞辦公室 21 日發(fā)布《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書提出走新時代能源高質(zhì)量發(fā)展之路，并提出新時代的中國能源發(fā)展要貫徹“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略，，圍繞推動能源消費革命、能源供給革命、能源技術(shù)革命、能源體制革命，全方位加強國際合作，實現(xiàn)開放條件下能源安全。同時，黨的二十大報告指出，要“以新安全格局保障新發(fā)展格局”。能源是保障社會發(fā)展和國家安全的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，保障能源安全是發(fā)展的底線。
地緣沖突背景下能源波動性加劇，能源安全重要性凸顯。2022年的俄烏地緣沖突，全球公共衛(wèi)生事件等綜合因素導(dǎo)致全球能源市場出現(xiàn)供需錯配，全球能源市場波動加劇。能源安全重要性凸顯。當前我國主要能源石油和天然氣大量依賴進口，2022 年石油和天然氣對外依賴度 71.2%和40.2%，高依賴度始終是國內(nèi)能源供應(yīng)格局所面臨的挑戰(zhàn)。
可再生能源的發(fā)展符合能源安全大方向?！笆奈濉逼陂g，可再生能源發(fā)電量取得新突破，根據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)，2022 年國內(nèi)風電光伏發(fā)電量首次突破 1 萬億千瓦時，達到 1.19 萬億千瓦時，同比增長 21%，占全社會用電量的 13.8%，同比提高 2 個百分點，可再生能源整體發(fā)電量達到 2.7萬億千瓦時，占全社會總用電量 31.6%，較 2021 年提升 1.7%。

構(gòu)建可再生能源——氫能產(chǎn)業(yè)鏈助力實現(xiàn)能源自主可控：風電、光伏等可再生能源不可避免的存在間歇性大，季節(jié)性強，波動性高的特點，這些特點給電網(wǎng)調(diào)峰填谷造成挑戰(zhàn)。通過可再生能源電解水制氫的方式可以促進大規(guī)?？稍偕茉凑习l(fā)電，能源消納，并在跨地區(qū)能源分發(fā)，新增能源彈性緩沖，工業(yè)能源脫碳化等 7 個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。2023 年3 月國家發(fā)改委發(fā)布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035 年）》首次明確氫能是未來國家能源體系的重要組成部分，同時確立工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生制氫就近利用的氫能利用體系。確立 2025年可再生能源制氫量達到 10-20 萬噸/年，實現(xiàn) CO2 減排 100-200 萬噸/年的，2023 年形成多元化氫能應(yīng)用生態(tài)的目標。

2. 需求側(cè)：氫為工業(yè)領(lǐng)域重要原料，2021年需求超過3300 萬噸

根據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，在 2017-2021 年中國氫氣產(chǎn)量逐漸增長，2021 年氫氣產(chǎn)量約 3342 萬噸，較 2020 年增長 33.68%。其中煉化和煤化工需求約 820 萬噸，合成氨需求 1080 萬噸，甲醇需要 910 萬噸，三者合計占比 85%以上。將綠氫替代當前作為原料用于煤化工、煉化、甲醇、合成氨的灰氫是節(jié)能減碳的重要路徑。綜合中國氫能聯(lián)盟的數(shù)據(jù)，參考結(jié)合各行業(yè)的脫碳減排目標，2025年中國氫氣需求量約 3500萬噸，其中可再生氫約 200萬噸，2030年碳達峰情境下氫氣年達到需求 3715萬噸，其中可再生綠氫量達 550 萬噸。

全球工業(yè)用氫量近億噸，體量近億噸。放眼全球，合成氨、鋼鐵、甲醇、煉廠精煉都是氫氣消納大戶，根據(jù)國際氫能署的數(shù)據(jù)，2021 年全球合成氨/鋼鐵/甲醇/精煉的需求量分別為 33.8/5.2/14.6/39.8 百萬噸，合計 9340 萬噸。

2.1. 煤化工：氫為合成氨以及合成甲醇關(guān)鍵原料

2.1.1. 煤制甲醇：碳氫配比是關(guān)鍵，空分補氫是核心

空分單元和水煤氣變換單元，是整個煤制甲醇過程中是最主要的CO2排放單元。煤制甲醇主要包括煤氣化、變換和甲醇合成三個單元。煤氣化制合成氣，合成氣含有 CO、H2 及 CO2。合成甲醇反應(yīng) H2 和 CO 的比例是 2:1。水煤氣變換，煤氣中的 CO 通過水蒸氣轉(zhuǎn)化成 H2 和 CO2 來調(diào)整氫碳比。在水煤氣交換過程中水煤氣變換產(chǎn)生一分子的 H2，就會產(chǎn)生一分子的 CO2，這就是整個煤化工過程中產(chǎn)生高濃度 CO2 的地方，占整個煤化工過程 CO2 排放 70%，并且 CO2 的濃度非常高，可以達到95%。此外 30%的 CO2 來源是煤炭燃燒產(chǎn)生的用于空分消耗和煤化工廠加熱所需的蒸汽。
氫耦合降低煤化工生產(chǎn)單耗和碳排。在合成甲醇的過程中補充H2，一方面可以通過直接加氫到變換單元達到氫碳比 2:1 的合成甲醇理想比例。
通過電解水制氫分解出的 O2 可滿足空分中氧的需求。電解水制氫將煤化工過程中兩個最耗能的單元、排放最大的單元替代掉，增加自產(chǎn)甲醇量，實現(xiàn)減碳?！熬G氫”也作為氣化原料降控分負荷，減少蒸汽消耗量，進而減少燃料煤消耗實現(xiàn)碳減排。參考《綠氫耦合煤化工系統(tǒng)的性能分析及發(fā)展建議》，60萬噸煤制烯烴總需要 24萬噸氫氣，按照綠氫完全滿足變換需求大約需要 16-17萬噸綠氫，可將原先 660萬噸 CO2排放降至 200 萬噸，煤炭消耗量減半至 200 萬噸原料煤和 50 萬噸燃料煤。

根據(jù)《綠氫耦合煤化工系統(tǒng)的性能分析及發(fā)展建議》，2022年國內(nèi)甲醇產(chǎn)量超過 8000萬噸，其中 80%采用煤制甲醇工藝，該部分體量氫氣需求 750 萬噸。此外根據(jù)鋼聯(lián)數(shù)據(jù)，當前國內(nèi)煤制烯烴產(chǎn)能 1538萬噸，按照原煤替代量 50%極限假設(shè)，所需額外補氫 400 萬噸。

2.1.2. 合成氨：補氫量高于甲醇，遠期前景廣闊

煤制合成氨通過煤氣化、變換、氨的合成三個單元。因為氨最終的反應(yīng)物是 H2O 和 N2，因此煤制合成氨中所有的碳都需要通過變換反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氫氣。生產(chǎn)一噸氨的二氧化碳排放量更大，也減排壓力更大。但因為氨從構(gòu)成來看最終不需要碳，因此流程上相對獨立，電解水制出來的氫，跟空氣分離過程出來的氮，直接合成就可以得到氨，也使得流程上的完全的綠氨更具備可行性。根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2022 年合成氨產(chǎn)量在5300 多萬噸，其中四分之三即 4500 多萬噸是通過煤制氨來生產(chǎn)的。若該部分完全由綠氨生產(chǎn)，則需要 800 萬噸綠氫。此外，氨也適合作為儲氫媒介發(fā)展。通過構(gòu)建氫-氨-氫產(chǎn)業(yè)鏈將大幅利于碳減排。按照 2022 年5364 萬噸合成氨，其中煤制合成氨約 4500 萬噸，該部分所需氫氣 800萬噸。因合成氨的運輸成本遠低于氫，未來若采用氫-氨的能源路徑，則氨的成長空間將大幅拓展氨的成長空間。

2.2. 石油化工：油品升級、減油增化增加用氫需求

石腦油是生產(chǎn)煉廠化工品的關(guān)鍵原料，但通常要通過對原油加氫處理推動優(yōu)質(zhì)燃料升級。石油化工最主要是常減壓過程，把硫分離出來后，后續(xù)包括生產(chǎn)汽柴油、生產(chǎn)其他高端化工品，都是加氫精制的過程。
氫氣主要作用包括加氫精制和加氫裂化。加氫精制主要將高純氫與油品中硫、氮、氧以及金屬雜質(zhì)結(jié)合成為各類化合物從而使油品中留存為碳氫化合物，同時保護催化劑防止其中毒失去活性的過程。加氫裂化則是利用高純氫在長鏈碳烴化合物裂解成短鏈碳烴化合物過程中將不飽和的烴轉(zhuǎn)化為飽和烴從而提高輕質(zhì)油的收率和產(chǎn)品飽和度并且降低雜質(zhì)。
在“減油增化”趨勢下，化工品的比例提升帶來更大的加氫量。重整氫氣、富氫氣體提純、制氫裝置氫氣生產(chǎn)。其中重整制氫可以滿足煉廠原油精制過程 60%-70%的氫氣需求，但額外 30%-40% 的氫氣則通過其他方式補充，當前一般通過煤制氫或天然氣制氫等方式獲取。該部分氫為未來綠氫替代的主要空間?！半p碳”目標下，未來煉廠制氫環(huán)節(jié)將是控碳的焦點之一，而可再生能源制氫與煉廠集成，實現(xiàn)綠氫煉化有望成為傳統(tǒng)煉廠減碳的方向。

氫氣管理能力是影響煉廠效益的核心。目前國內(nèi)幾家民營煉化均具備較強的加氫能力，浙石化一期加氫規(guī)模 2350 萬噸，二期具備加氫規(guī)模 2435萬噸，恒力石化加氫規(guī)模 2400 萬噸，盛虹煉化加氫規(guī)模 1920 萬噸。民營煉化大規(guī)模加氫能力提升了其化工品收率水平。根據(jù)中國石化聯(lián)合會數(shù)據(jù)，2022 年國內(nèi)煉油產(chǎn)能 9.2 億噸/年，按照 1%的原油加氫比例測算，氫氣需求在 920 萬噸，其中約 300 萬噸氫氣需要額外提供。
3. 供給端：化石能源制氫為主導(dǎo)，綠氫發(fā)展從 0到 1

3.1. 化石能源制氫為主流，多種制氫方式并存

目前根據(jù)不同的制氫方式分為灰氫（化石燃料制氫）、藍氫（化石燃料重整制氫）、綠氫（再生能源制氫），根據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會 2020 年的數(shù)據(jù)，國內(nèi)工業(yè)制氫產(chǎn)能為 2500 萬噸/年，主要來源于化石能源制氫（煤制氫、天然氣制氫）；其中，煤制氫占我國氫能產(chǎn)量的 62%，天然氣制氫占比 19%，電解水制氫占比僅為 1%。從全球 2020 年的制氫結(jié)構(gòu)來看，化石能源是最主要的制氫方式，其中天然氣制氫占比 59%，煤制氫占比19%。工業(yè)副產(chǎn)氫占比 21%，此外化石燃料制氫+CCUS 的制氫方式占比有望提升。

氫氣來源從灰氫往綠氫過渡。由于碳減排等要求的長期約束，綠氫成為未來替代當前灰氫的主要方向。

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