核心觀點
? 水電解制氫設備作為綠電-綠氫轉化的核心工藝裝備,在2022年備受關注,諸多央企和上市公司積極布局水電解制氫設備制造,發布水電解制氫設備產品。目前,水電解制氫國內尚未實現大功率規模化應用,國內綠氫示范應用項目及主流企業核心產品仍基本以堿性電解槽為主。
? 截止2022年底,全國已有超過100個已建、在建和規劃中的可再生能源電解水制氫項目,其中堿性電解水制氫規模合計超過17GW。我們初步預計,到2025年我國新增可再生能源制取綠氫的供應量將達到約50萬噸。
? 2018年以前,718、競立及大陸的主要需求均來自于硅料行業和電廠。即使隨著這些年可再生能源制氫的發展,硅料行業仍是堿性水電解設備的重要客戶。而根據硅業分會的公開數據,我國多晶硅行業在2023年將繼續擴產,年度將新增120萬噸產能,對應水電制氫設備需求約250-350MW (50-70臺1000Nm3/h)。
? 風險提示:技術革新不及預期,項目發展情況不及預期,成本下降不及預期,商業模式形成不達預期。
1、市場總覽
電解水制氫其基本原理是在直流電的作用下,通過電化學過程將水分子解離為氫氣與氧氣,分別在陰、陽兩極析出。根據技術及結構原理差異,可分為堿水電解(ALK)、質子交換膜純水電解(PEM)、陰離子交換膜水電解(AEM)、固體氧化物水電解(SOEC)等方案,前三種反應溫度約在70~90攝氏度,SOEC需要在700-800攝氏度的高溫下進行反應。其中堿水電解(ALK)、質子交換膜(PEM)電解制氫均已實現商業化應用,AEM和SOEC尚處在實驗室開發階段。
經過幾十年發展,目前國內堿性水電解技術成熟度較高,同時沒有貴金屬作為設備生產原料,因此單價相對較低。相對于堿性水電解,PEM水電解擁有效率高、無堿液、體積小、安全可靠、動態響應好等優點,但由于質子交換膜等核心零部件仍依賴進口,其成本仍是ALK的約5至6倍,國內尚未實現大功率規模化應用。當前國內可再生能源制氫示范應用項目及主流企業核心產品仍基本以堿性電解槽為主。
根據行業調研以及氫促會月刊、高工氫電微信公眾號等發布的行業數據,2021年中國電解水制氫設備市場規模超過9億元人民幣,出貨量超過350MW,2022年估計全年中國堿性電解水制氫設備的出貨量約780MW,電解槽總出貨量在800MW左右,在2021年基礎上實現翻番。我國頭部電解水制氫裝備制造企業的市場占有率仍然較高,市場相對集中,全年頭部企業設備交付金額超過10億元人民幣,合同簽定量超15億元,Top3企業電解槽總市場占有率接近80%。
根據我們自建氫能項目數據庫,截止2022年底,全國已有超過100個已建、在建和規劃中的可再生能源電解水制氫項目,其中超半數項目公布了電解水制氫的類型和制氫規模,其中堿性電解水制氫規模合計超過17GW,這些項目主要分布在西北地區、華北地區和華南地區,三區制氫規模占比超95%。由于前述項目規劃期從2025到2035年不等,綜合考慮土地等因素,我們初步預計,到2025年我國新增可再生能源制取綠氫的供應量將達到約50萬噸。
2022年我國已建和正在建設中最大的可再生能源制氫示范應用項目是中國石化新疆庫車綠氫示范項目,也是全球在建的最大光伏綠氫生產項目。項目共采購1000Nm3/h的堿性電解槽52套,折合制氫用電負荷260MW,占今年我國水電解制氫交付量的接近1/3,投產后年產綠氫可達2萬噸,對推動綠氫產業鏈發展、推進能源產業轉型升級、促進新疆地區經濟社會發展、保障國家能源安全具有重要意義。根據公開信息,該項目于2021年11月30日正式啟動建設,2022年5月6日進行了制氫設備評標結果公示,由中國船舶重工集團公司第七一八研究所、考克利爾競立(蘇州)氫能科技有限公司等三家企業共同提供52臺堿性電解水制氫設備。2022年11月20日,隨著最后一臺電解槽(50t)吊裝就位,標志著新疆庫車綠氫示范項目制氫廠大型設備吊裝完畢,完成所有電解制氫設備交付,下一步將進入主要設備安裝階段。
隨著市場的高速增長,市場的規模化需求也促使水電解制氫設備不斷往大型化發展。7月12日,中國華電首套1200Nm3/h堿性電解槽產品下線。8月18日,希倍優氫能1400標方制氫系統新品下線。12月16日,中國船舶集團第七一八研究所舉辦全球首臺套單體產氫量2000Nm3/h水電解制氫裝備發布儀式。據七一八研究所介紹,該設備實現了高電流密度、寬可調范圍、低運行能耗、高穩定性等多項關鍵技術突破。
2、企業盤點
截止到2022年11月,中國已有百余家企業布局電解制氫設備生產,這些企業主要分布在華東地區和華北地區,兩區總占比近75%。
1)頭部企業
2022年,國內電解制氫設備市場仍以堿性電解制氫設備為主,出貨量頭部企業除了過往三足鼎立的派瑞氫能(718所)、考克利爾競立和天津大陸,光伏企業也借助新疆庫車項目強勢擠入前三強。
中船(邯鄲)派瑞氫能科技有限公司是中國船舶集團第七一八研究所全資子公司,中國船舶第七一八研究所隸屬于中國船舶集團有限公司創立于1966年,注冊于河北省邯鄲市。是集科研開發、設計生產、技術服務于一體的國家級軍工科研院所。公司以七一八研究所六十余年在氫能領域的技術實力和工程經驗為依托,是目前國內氫能裝備產業鏈較為完備的科研生產企業,現有各類專業技術人員360人,擁總建筑面積達21500平方米,可年產堿性制氫裝備350臺(套)、PEM純水制氫裝備120臺(套),以及進行各型加氫站建設。其中水電解制氫裝備在全國市場的占有率保持領先地位。公司從1984年開始利用軍工技術開發出加壓水電解制氫裝置,現已形成四大系列,20多種規格、產氣量0.5Nm3/h~2000Nm3/h的系列水電解制氫裝置,并先后為制氫裝置配套開發了系列氫氣純化裝置,及系列氧氣純化裝置,到目前為止,公司水電解制氫裝置已生產銷售一千多臺套,氫氣干燥、純化裝置、變壓吸附裝置、甲醇制氫裝置等400多臺套,累計產值超30億元,用戶遍及全國各地,并出口三十幾個國家和地區。
考克利爾競立(蘇州)氫能科技有限公司是比利時John Cockerill集團在承接了蘇州競立制氫設備有限公司全部的人員和知識產權的基礎上,增大研發力量、更新設備、擴大產能建立的,專注于堿性電解水制氫設備的研發、生產、銷售,定位為John Cockerill集團氫能業務在中國區的總部。2021年公司生產了超50臺產氫量1000Nm3/h電解水制氫設備,參與了1200Nm3/h和1300Nm3/h電解水制氫設備的研發和生產。2022年產能達1GW,具備生產超大型電解水制氫設備的技術和能力,預計下半年將交付1500Nm3/h電解水制氫設備,公司擁有近50項專利技術。全球市場占有率超35%(彭博財經2021年度數據)。
天津市大陸制氫設備有限公司成立于1994年,公司注冊資本為3000萬元。主要生產堿性水電解制氫設備和氣體純化設備,堿性水電解制氫裝置已形成系列化,產氣量最大可達1000Nm3/h,有70名員工,超過400套設備在全球30多個國家使用,參加了氫能方面9個國家標準的編制工作。
2)新進企業
除了已經入局的國電投氫能公司、華電、中能建等巨頭外,2022年又有數十家央企和上市公司布局電解制氫設備制造。據不完全統計,包括中國華能、寶武集團等央企國企,十余家光伏、風電、電力設備、重型機械等領域的上市公司,以及國富氫能、奧揚科技、華易氫元等科技企業在內的數十家企業發布了堿性電解制氫設備產品。
3、硅與氫
2018年以前,718、競立及大陸的主要需求均來自于硅料行業和電廠。即使隨著這些年可再生能源制氫的發展,硅料行業仍是堿性水電解設備的重要客戶。近幾年來,隨著我國光伏行業的快速發展,特別是“雙碳”目標確立后,硅料價格隨著我國及全球的光伏裝機需求一路高歌猛進至300元每公斤,大批資本也被豐厚的利潤所吸引,一大批高純多晶硅項目陸續上馬,為水電解制氫設備提供了大量需求。
目前多晶硅環節存在兩種技術路線:改良西門子法(產物為棒狀硅)和硅烷流化床法(產物為顆粒硅)。其中改良西門子法在1100°C左右的高純硅芯上用高純氫還原高純三氯氫硅,生成多晶硅沉積在硅芯上。而硅烷流化床法一般是以硅烷或氯硅烷作為硅源氣、以氫氣作為載氣,在添加四氯化硅的基礎上,將工業硅在硅烷流化床內轉化為顆粒多晶硅。由于改良西門子法生產工藝相對成熟,目前仍為主流多晶硅生產路線。2020年改良西門子法生產的棒狀硅約占全國硅料總產量的97.2%,預計到2030年硅烷流化床法生產的顆粒硅市場份額可超10%。
以某年產4萬噸的高純多晶硅項目為例,其配套建設了3套1000Nm3/h的堿性水電解裝置,2用1備。查看其他多晶硅項目建設規模,其堿性電解水裝置也大概按1000Nm3/h對應2萬噸多晶硅產能配置。
根據中國有色金屬硅業分會的公開數據,2022年我國多晶硅產能新增了68.4萬噸。考慮到多晶硅項目建設周期一般在12-18個月,2022年投產項目的制氫設備采購絕大部分應在2021年完成采購下單,陸續在2021至2022年中完成設備交付。按照前述比例估算,在此期間至少采購交付了30至40臺的堿性制氫設備(按單臺1000Nm3/h估計),折合150-200MW。根據行業數據,2021年我國水電解制氫合同額約在350-400MW左右,2022年合同額約在780-800MW左右,考慮到制氫設備采購、交付時間和多晶硅項目投產時間的差異,估計2021-2022年期間,多晶硅行業訂單約占整個堿性水電解制氫市場30-40%。
而根據硅業分會的公開數據,我國多晶硅行業在2023年將繼續擴產,年度將新增120萬噸產能,對應水電制氫設備需求約250-350MW(50-70臺1000Nm3/h電解制氫設備)。
4、新年展望
根據我司整理的國內各省氫能規劃和項目數據,預計我國至2025年將形成50萬噸綠氫產能,按照年制氫3000小時估算,對制氫設備需求約10000MW。參考2018-2022年水電解制氫設備的增長率,預計2023年可再生能源制氫對電解槽需求約950-1050MW,加上前述多晶硅行業250-350MW的需求,我們預計2023年國內水電解制氫設備需求將繼續增長至1200-1400MW水平。
從設備角度,未來規模化降本一定是制氫設備的發展方向,而2021年至2022年單臺制氫能力1000Nm3/h的堿性制氫設備才逐步獲得大規模商業化應用,前述1000Nm3/h以上的大型設備可能會在2023年逐步獲得落地應用的機會,但一定只有少數廠家和設備型號能從這場日漸激烈的競爭中勝出,成為新的主流規格。同時,氣液分離系統和純化系統規格也會同步大型化。此外,可再生能源制氫項目多在三北地區,其氣候條件和可再生能源的波動性也會對設備保溫、冷啟動時間、電氣設備、軟件控制、調節能力等配置和參數提出更高要求。
隨著未來更多電解制氫設備需求的釋放,龍頭企業也均在規劃擴產,2022年9月,派瑞氫能邯鄲新工廠投入運行,2022年10月,考克利爾競立常州工廠正式投入運行,幾大光伏龍頭企業的制氫設備制造工廠也在規劃建設中。而2023年也將會有更多企業布局堿性和PEM水電解制氫設備生產制造和上下游產業鏈。可以預見的是,隨著新玩家的不斷加入和產能的持續擴張,整個行業的競爭將更趨激烈,也許在不遠的未來,水電解制氫設備產業將會迎來新的變革。
5、風險提示
風險因素:技術革新不及預期,項目發展情況不及預期,成本下降不及預期,商業模 式形成不達預期。
來源:長城證券,分析師:于夕朦