氢能的春天已经到了，除了政策方面的支持，也是因为氢能的应用场景不断扩展，并且在一些领域开始具备经济效益。正是在此基础上，也吸引了大量企业进入氢能，中证指数有限公司于3月12日宣布将在近期推出氢能指数，已经透露了充足的市场信心。近期东吴证券发布一份报告《氢能深度：绿氢，第四次能源革命的载体》，对这一充满新鲜感的新兴赛道进行了成本核算。我们择其精要，以飨读者：
四大领域对绿氢需求合计超亿吨
氢能的应用场景集中在交通、工业、发电及建筑四大领域。其中，交通、工业为主要应用领域，建筑、发电和供热等仍然处于探索阶段。根据IEA，2021年全球氢能需求超9400万吨，同比增长5%，其中大部分新增需求来自于工业领域中的化学工业（300万吨）和炼油工业（近200万吨）；在交通、建筑、发电等领域的新应用需求增长至4万吨，大部分由公路领域氢燃料贡献，其同比增速高达60%，反应氢燃料电池电动车需求的加速释放，尤其是国内重卡领域。整体来看，2021年全球氢能主要应用在工业领域，炼油/合成氨/甲醇/钢铁用氢占比分别为42.2%、35.8%、15.5%和5.5%，其他领域用氢占比仅为1%。2020年我国应用在合成氨、甲醇、炼油及其他工业领域的氢能占比分别为37%、19%、10%和19%。
绿氢空间：短期用于合成氨、甲醇制备，长期增量空间来自交通领域、天然气加氢、炼钢用氢。当氢作为原料时，1）短期工业领域的氢脱碳可通过提升绿氢渗透率减少生产过程中的碳排放，即以更低碳或零碳的途径获取现有用于原料的氢，将煤、天然气制灰氢升级为电解水制绿氢生成绿色甲醇和绿氨，该领域一年需求超5000万吨，未来超50%可被替代，且进程最快；2）长期氢有望直接取代部分化石原料，如在炼铁/炼钢过程中以绿氢取代焦炭作为还原剂实现钢铁工业的“零排放”、在交通领域替代石油、在天然中掺氢减少天然气用量，长期这些领域空间较大，以炼钢为例，若完全替代焦炭，绿氢需求超1亿吨。
1）合成氨：预期未来平稳增长，绿氢可渗透空间超3000万吨：2021年全球合成氨产量1.5亿吨，其中国内0.52亿吨，按照一吨合成氨需0.18吨氢气，分别对应氢气需求2700万吨及1000万吨。合成氨70-80%用于化肥领域；10-20%应用于工业领域，用于生产硝酸和尿素；约1%用于民用炸药，我们预计预期合成氨未来每年增长1%-3%。目前，国内合成氨行业的能耗构成中，煤占比76%（无烟块煤65%），天然气占比22%，其他2%。目前绿氢在合成氨领域已应用率先放量，在该领域，未来绿氢可替代空间3000万吨以上。
2）甲醇：甲醇航运燃料催生绿氢新需求。2022年我国甲醇产量约7900万吨+，同比微增2%，预估全球需求1.4亿吨。甲醇生产端看，约65%的甲醇生产来源于天然气重整，35%来源于煤气化，若按照一吨甲醇需0.13吨氢气，对应氢气需求分别为1020万吨和1850万吨。甲醇下游需求为烯烃、甲醛、甲醇汽油、醋酸、二甲醚、MTBE等，其中烯烃占55%，甲醛与甲醇汽油次之，均约占10%左右，生产醋酸、二甲醚、MTBE均约占6%左右。
我们预计甲醇传统应用领域平稳增长，而甲醇航运燃料将为新增市场。22年欧盟正式将航运业纳入碳市场，24年开始考核，对于5000GT以上船只，按照2024年排放量的40%、2025年排放量的70%、2026年后排放量的100%逐步纳入配额管理，且除了二氧化碳，26年也将正式考核甲烷、一氧化二氮（影响液化天然气船只）。因此自22年开始，全球甲醇双燃料船订单明显增加，且将应用由绿氢制成的绿色甲醇。22年前三季度，甲醇船舶占新增订单比重预期为3%，占替代燃料船舶比重为6%，预计随着欧洲船舶碳考核时间节点趋近，后续订单将明显增长。按照1艘5万吨载重量双燃料船舶每年耗甲醇5万吨测算，预计到2030年新增甲醇船舶渗透率9%，当年对应耗费氢量超500万吨。
3）氢燃料汽车：重卡领域有望实现突破。2022年全球氢燃料电池乘用车销1.5万辆，同比持平，其中韩国销售1万量，主要为现代nexo。国内氢燃料车型主要为商用车，22年销售为4782辆，同比增长155%，其中重卡为2465辆。氢燃料电池的特性决定其适用于固定路线、中长途干线和高载重的场景，有望在重卡领域实现突破，且随着试点项目推广，有望明显增长。按照氢燃料乘用车年5%增长，到2030年销量3万辆；氢燃料商用车快速增长，到2030年氢燃料商用车销量28万辆，渗透率1%，累计销量超60万辆，按照每辆商用车百公里耗氢量10kg，年行程10万公里，则对应2030年氢气需求超700万吨。
4）钢铁行业：远期绿氢渗透空间较大，但过程缓慢。全球年产钢铁18亿吨，碳排放占全球碳排放8%，碳排放密集程度最高、最难脱碳的行业之一。传统炼钢工艺使用焦炭作为还原剂，冶炼工艺分为长流程和短流程两种，长流程钢材生产大体可以分为两个环节：炼铁环节（高温下焦炭与O2反应生成CO，CO将铁矿石还原成铁水）和炼钢环节（高温下铁水中部分碳被氧化）。短流程通过电炉将废钢冶成粗钢。用绿氢替代焦炭作为还原剂，最具前景的钢铁行业脱碳解决方案之一。考虑到长流程高炉炼铁是我国主流生产路线，我国的氢能炼钢技术发展会首先使用部分氢气代替化石燃料，通过高炉喷氢气代替部分化石能源的方法来实现初步富氢减排效果，该方法设备改造难度小，但减排不彻底。未来若绿氢制备成本降低，且工艺成熟，可实现纯氢炼钢，氢气完全替代焦炭。
假设按照绿氢15元/kg的较低水平测算，高炉喷氢成本较传统焦炭还原法高5%；而纯氢法较传统焦炭法能源成本虽仅略高，但设备需完全改造、工艺难度大且不成熟，因此量产应用仍需长时间，目前厂商替换意愿较弱。但瑞典钢铁集团也提出2045年实现无化石炼钢，我们测算若2030年钢铁领域绿氢还原渗透率近1%，则对应绿氢需求100万吨，2050年渗透率提升至20%+，对应绿氢需求3000万吨以上。
5）建筑领域：天然气掺氢想象空间广阔，多国已开始推进。掺氢是天然气领域降碳的一种有效方式，全球天然气需求4万亿立方，掺氢理论比例可为10-20%，若按照10%的比例，对应氢气需求3600万吨。但目前主要面临技术端及成本端难点，技术方面并非所有天然气管道均适用于掺氢运输，不同国家的管道对掺氢比例要求不同，其次在终端应用的安全性、设备适配性等标准需完善；成本端看，氢气的热值为天然气的1/3，而当前绿氢按照15元/kg成本的3倍测算（1.3元/立方*3），远高于天然气的2-3元/立方成本，因此目前该技术尚不成熟。但欧洲多国已启动掺氢项目，若均落地则年掺氢量将超200万吨。我们预测2030年天然气掺氢或将带动近100万吨绿氢需求。
绿氢成本将低于煤制氢
电费为水电解制氢降本核心：电价及电耗，远期有望低至8元/kg。目前国内最成熟的电解水制氢技术为碱性电解，整个制氢成本主要在于电费和设备折旧，其中电费占比70%-90%，折旧占比10%-30%。按照年生产时间2000小时，电耗5kwh/标方，电价0.3元/kwh，1000标方的电解槽制氢成本为25元/kg；理想情况下，按照电耗4kwh/标方，电价0.15元/kwh，对应成本为15元/kg，则基本可与天然气制氢平价；若绿氢与风光、风电耦合，年利用小时提高至4000小时以上，则成本有望进一步下降至11元/kg以内，则基本可以实现与煤制氢平价。远期看，若电价达到0.1元/kwh，电耗下降至3.5kwh/标方，则绿氢成本可降至8元/kg，低于煤制氢。
相较于传统制氢方式，水电解制氢平价尚需时日。传统的煤炭制氢，主要有三种方式，一是煤气化制氢、二是煤焦化制氢、三是煤转为甲醇再制氢。国内主要以成本低的煤气化制氢技术路线为主。煤的气化制氢工艺包括气化剂反应、煤气净化、CO转换、变压吸附提纯。一般大型炼化厂有配套煤制氢设备，自产自用，避免氢气运输。我们按照9万标方/h的装置，投资17亿，年工作时间近8000小时，1吨氢气耗3.8吨无烟煤，无烟煤价格按照近1800元/吨，测算煤制氢成本9.6元/kg，若无烟煤价格下降至1500元/吨，则成本将降至8.6元/kg。天然气制氢是以天然气为原料，用水蒸气作为氧化剂，来制取富氢混合气，我们按照3000万标方/h的装置，投资0.4亿，年工作时间近8000小时，1标方氢气耗0.45标方天然气，天然气价格按照近2.5元/标方，测算天然气制氢成本15元/kg。
绿氢实现零排放，考虑碳价加持，有望加速平价。煤制氨，单吨合成氨需排放近6吨二氧化碳；天然气制氨，单吨合成氨需排放3吨二氧化碳，按照当前50元/吨的碳价，分别增加约300元/吨和155元/吨成本；若碳价达到200元/吨，则成本分别增加约1200元/吨和600元/吨，该情境下，绿氢价格只要降至16元/kg，即可与煤制氨实现平价；绿氢价格只要跌至18元/吨，即可与天然气制氨实现平价。煤制甲醇，单吨甲醇需排放近4吨二氧化碳；天然气制甲醇，单吨甲醇需排放1.6吨二氧化碳，按照当前50元/吨的碳价，分别增加约200元/吨和80元/吨成本；若碳价达到200元/吨，则成本分别增加约800元/吨和300+元/吨，该情景下，绿氢价格只要降至18元/kg以内，即可与天然气制甲醇实现平价；而与煤制甲醇实现平价，而绿氢价格只要跌至16/kg以内。因此在当前碳价50元/吨时，绿氢零碳排放优势体现不明显，若未来碳价涨至200元/吨，则绿氢成本降至16-18元/kg，即可实现制合成氨和甲醇平价。
此外，绿氢纯度更高，在特定领域可更好应用。煤和天然气制得氢气中普遍含有硫、磷等杂质，对提纯有较高的要求，在特定领域难以应用，如电子工业领域。而电解水制氢纯度等级则更高，更适用对于纯度要求高的行业。
因此，我们测算绿氢替代灰氢大势所趋，23年国内开始爆发，25-27年平价后有望加速。绿氢目前占比极低，国内近两年风光氢一体化示范项目密集开建，预计2025年后随着碳排放考核进一步趋严及电价下降，绿氢有望与天然气制氢实现平价，2030年左右有望接近煤制氢，绿氢份额有望达到30%+。因此我们预期氢气未来十年产量复合增长4-5%，2030年氢气需求超1亿吨，预计2025年绿氢渗透率2%，产量超150万吨，2030年绿氢渗透率超30%，对应产量3000万吨。
