氢气资源行业分析报告山雨欲来风满楼20190613中信证券23页

2019年6月13日中信证券研究部基础化工团队山雨欲来风满楼氢气资源行业分析报告目录CONTENTS11.氢燃料电池汽车——高功率清洁能源车2.影响续航里程的三要素——氢气储量更为重要3.氢燃料电池需求——扩张期即将到来4.投资策略21.氢燃料电池汽车——高功率清洁能源车1.1氢燃料电池汽车简介1.2行驶性能一般影响因素3氢燃料电池汽车简介动力系统结构简图资料来源：亿华通公开转让说明书，中信证券研究部氢能汽车：是以氢作为能源，将氢反应所产生的化学能转化为机械能的汽车，分为氢内燃机汽车及氢燃料电池车。氢燃料电池车：使储氢系统中氢或含氢物质与空气中的氧在燃料电池中反应产生电力推动电动机，由电动机推动车辆。燃料电池电堆：由多个单体燃料电池组合成的电池组。其中单体燃料电池包括双极板、密封圈和膜电极,而膜电极又包括质子交换膜、以铂为主的催化剂层和气体扩散层。燃料电池汽车动力系统：由燃料电池、辅助系统（BOP）与驱动电机等组成。其中燃料电池部分由电堆与DC/DC转换器组成；BOP包括氢气循环系统、加湿器以及空气压缩机等。4行驶性能一般影响因素电驱动车具有高效率、低污染及低噪声等特点。燃料电池车能量转化效率理论值为85%-90%，目前实际水平为40%-60%。资料来源：《燃料电池汽车动力系统参数匹配及控制策略初步研究》（虞铭），中信证券研究部燃料电池实际效率与理论效率对比关系示意图对于电动车来说，影响汽车性能的技术来源于“三电”，即电池、电机、电控。在进行整车布置以及集成方案设计时，需根据汽车空间布置等要求仿真分析计算燃料电池发动机、动力电池、电机的功率及DC/DC转换器参数等。负载重量、制冷系统运转、汽车所受外部阻力大小等也具有一定影响。5行驶性能一般影响因素电池：其他条件相同，电池容量越高，单次续航里程就越长。但因汽车空间及总重量限制电池数量难以大幅增加，提高电池的能量密度至关重要，这意味着技术难度及制造成本上升。部分氢燃料电池汽车同时搭载锂电池以改善输出功率瞬态特性并降低成本。燃料电池功率密度、输出功率及续航里程电机：功能类似于内燃机中的发动机，是利用电池电量并驱动车辆的重要部件。其他条件一致时，电机功率越大续航里程越短，但从静止加速至同一水平所用时间越短。电控：监控和管理动力电池（特别是温度），提高电池效率及可靠性并延长使用寿命。资料来源：各车企官网，《燃料电池汽车发展路线图报告》（中国汽车技术研究中心），中信证券研究部类型厂商功率密度电池输出功率续航里程备注乘用车丰田Mirai（2014）3.1kW/L114kW502km本田Clarity（2015）3.1kW/L103kW589km现代ix35FCV（2013）1.65kW/L100kW426km现代NEXOBlue（2018）3.1kW/L95kW612km通用Equinox0.7kW/kg92kW320km日产Xtrial2.5kW/L90kW500km巴士宇通客车30kW/60kW600km+64.5kWh锂电美国VanHool150kW483km+17.4kWh锂电62.影响续航里程的三要素——氢气储量更为重要2.1储氢量、电池动力系统效能、汽车总成与续航里程2.2燃料汽车储氢量及性能比较7影响燃料电池车续航里程的三要素：储氢量、燃料电池动力系统效能、燃料电池汽车总成。储氢量：指燃料电池汽车车载供氢系统的储氢量，是决定汽车行驶里程的重要指标。由储氢瓶、组合瓶阀、溢流阀、减压器、压力传感器、管道及管道连接件等组成。若为了满足汽车480公里续航能力的要求，一次需储氢大约4到7千克，耗时3-5分钟。国内外主流储氢瓶为高压气态瓶，国内使用Ⅲ型瓶（金属内胆碳纤维全缠绕气瓶），国外使用Ⅳ型瓶（塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶）。储氢量与续航里程主流储氢瓶类型对比资料来源：中国储能网，中信证券研究部类型图片特点使用情况金属内胆碳纤维全缠绕气瓶（Ⅲ型）以6061铝合金为内胆，外面全缠绕碳纤维。35MPa已被广泛应用于氢燃料电池汽车，特别是功率要求不高、电池占用空间限制小的商用车；我国已开发氢压。70MPa主要应用于乘用车。塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶（Ⅳ型）以塑料为内胆，外面全缠绕碳纤维。国外乘用车以该类型为主，如日本丰田、挪威Hexagon等。8燃料电池动力系统最终输送给汽车驱动系统的电能能力称为输出效能。相同供氢前提下，燃料电池与辅助系统电能输出越多，输出效能越高、续驶里程越长。影响燃料电池动力系统效能的因素包括氢气转化率及电能输出率。氢气转化率：即燃料电池将氢气的化学能转化为电能的工作效率。取决于燃料电池本身的氢气转化能力，转化率高，产生电能越多。电能输出率：生成的电能中一部分用于维持BOP运转，其余输送至汽车驱动系统。车辆总成指由若干零件、部件、组合件或附件组合装配而成，并具有独立功能的汽车组成部分，如电机、前桥、后桥、车身、车架等。其他条件相同时车辆总成技术的不同也会导致续航能力存在明显差异。电池动力系统效能、车辆总成与续航里程国产电池动力系统主要部件图资料来源：中国储能网，中信证券研究部9燃料汽车储氢量及性能比较类型汽车型号储氢量电堆/电池容量续航里程备注锂电池车特斯拉ModelS-90kWh557km-乘用车丰田Mirai（2014）6kg114kW502-650km两个氢气储气瓶共122L；储氢质量密度为5.7wt%；百公里加速9.6s本田Clarity（2017）5kg103kW750km百公里加速8.8s现代ix35FCV（2013）5.6kg100kW594km氢气储气瓶144升；百公里加速12.5s现代NEXOBlue（2019）6.3kg163kW（最大）805km三个氢气总储存量为156.6升；百公里加速9.5s；具备较高等级的自动驾驶能力通用Equinox4.2kg93kW320km百公里加速12s奔驰GLCF-CELL4.4kg147kW（最大）437km混动，搭载了13.8kWh的锂离子电池（该电池可支持整车续航里程约47km）；百公里加速15s奥迪h-tronquattro（2016）5.64kg90kW600km百公里加速7s上汽荣威9504.34kg55kW400km混动；百公里加速15s巴士佛山飞驰25kg88kW400km+50kWh锂电；35MPa*8申沃牌SWB6129FC1型21kg80kW560km+36.96kWh锂电；35MPa美国VanHool40kg150kW483km+17.4kWh锂电；35MPa*8德国戴姆勒奔驰35kg2*60kW250km+26kWh锂电；35MPa*7日本丰田和日野18kg2*114kW-+2*1.6kWh锂电；70MPa*2燃料电池储氢量及性能比较资料来源：各车企官网，中国汽车技术研究中心，中国科学院杭州先进技术研究院，中信证券研究部103.氢燃料电池需求——扩张期即将到来3.1全球燃料电池汽车销量预测3.22030年我国乘用车氢气需求量测算3.3氢气制备主要来源现状3.4全球加氢站建设计划11未来氢燃料电池汽车的需求和销量将大幅增加。预计2030年氢燃料电池汽车在世界汽车销量中的比重有望达到2%-3%，2050年，氢燃料电池汽车在世界汽车销量中的比重将进一步提高到15%左右。随着科技进步、政府重视和资金投入，困扰氢燃料电池汽车发展问题将会逐步得到解决，氢燃料电池汽车的成本将会进一步降低，规模效应带来的产业红利更加明显，更多的消费者将了解并接受氢燃料电池汽车。全球燃料电池汽车销量预测•资料来源：InformationTrends，《节能与新能源汽车技术路线图》，中信证券研究部全球及中国燃料电池汽车销量预测（百万辆）0.0050.070.361.112.765.010.0050.051012345620172020202320252026202920302032全球预测中国计划全球燃料电池汽车销量额预测（十亿美元）0.44.822.565.7152.2255.205010015020025030020172020202320262029203212测算逻辑：乘用车氢气需求量=汽油表观消费量*乘用车汽油消费占比*行业渗透率*百公里耗氢耗油量比测算假设：汽油表观消费量：2018年表观消费量为2.17亿吨，近几年维持低增速，预计消费量于2025-2030年出现峰值，假设从2018年起增速为3%，2025-2030年增速逐年下降至0。乘用车消费占比：汽油消费主体较单一，汽车用油约占汽油消费总量的85-90%。行业渗透率：据国际氢能源委员会预测，2030年行业渗透率将为20%-25%。百公里耗氢量：采取行业平均水平，即百公里耗氢1kg。百公里耗油量：2017年经工信部统计我国乘用车百公里耗油量均值为6.05L；2020年、2025年、2030年计划百公里耗油量分别为5L、4L、3.2L；汽油密度取0.73kg/L。经测算，2030年我国乘用车氢气需求量乐观估计值为1409万吨，保守估计值为902万吨，悲观估计值为601万吨。根据国际可再生能源署统计，2018年全球氢气需求中运输占比仅为10%。2019年我国氢气产能为2000万吨左右，但乘用车需求很少，2018年我国氢燃料电池乘用车产量为0，因此我国乘用车氢气产业未来具有很大增长空间。2030年我国乘用车氢气需求量测算13氢气制备方法主要分为电解水制氢、氯碱厂副产氢、生物制氢、石化资源制氢、化工原料制氢等方法，按成本从高至低排序为水电解、甲醇裂解、天然气制氢、煤炭气化。2017年全球氢气产量约为6000万吨，96%来源于热化学重整。我国产氢法目前以煤气化为主，未来中远期的主要制氢技术路线为电解水制氢与煤制氢。我国氢气产业链趋于完善，制氢企业主要有神华集团、香河华瑞、首钢央企、华能集团、华昌化工等。氢气制备主要来源现状•资料来源：前瞻产业研究院、《中国氢能源及燃料电池产业发展研究报告》（2018中国氢能源及燃料电池产业高峰论坛），中信证券研究部全球不同方法氢气产量比我国不同方法氢气产量比48%30%18%4%天然气醇类煤电解水15%30%50%5%天然气醇类煤电解水14氢燃料电池氢气纯度要求燃料电池对氢气纯度要求高：燃料电池最理想的燃料是纯氢，如将含有其他气体的氢燃料应用于低温燃料电池时，燃料电池铂电极催化剂可能会发生中毒，电池性能急剧下降。不同制氢过程杂质有所不同：通过碳氢化合物或醇类重整反应得到的氢气中一般含有水蒸气及未完全反应的原料，如CO、CO2、N2；以天然气、石油等为原料制备还会含有H2S等硫化物；若通过甲烷重整制氢，在自热重整或部分氧化重整过程中会生成NH3。燃料电池中杂质组分对各类燃料电池性能的影响资料来源：《燃料电池用氢气燃料的制备和存储技术的研究现状》（2011，沈承，宁涛），中信证券研究部气体PEMFCAFCPAFCMCFCSOFCH2燃料燃料燃料燃料燃料CO毒物（10𝑚L/𝑚3）毒物毒物（0.5%）燃料燃料CH4稀释剂稀释剂稀释剂稀释剂稀释剂CO2稀释剂毒物稀释剂稀释剂稀释剂H2S毒物（0.1×1012V/V）-毒物（50𝑚L/𝑚3）毒物（50𝑚L/𝑚3）毒物（1.0𝑚L/𝑚3）国内行业标准：《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》标准将于2019年7月1日起开始实施。该标准规定了质子交换膜燃料电池（PEMFC）汽车用燃料氢气的术语和定义、氢气纯度、氢气中杂质含量要求及其分析试验方法等。适用于聚全氟磺酸类质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气的品质要求。其中对于氢气纯度（摩尔分数）的技术指标规定为99.97%，非氢气体总量不超过300μmol/mol.15氢气制备方法提纯技术对比氢气制备：氢气的来源比较广泛，主要制氢方式包括电解水制氢、氯碱工业副产氢、化工原料制氢（甲醇裂解、乙醇裂解、液氨裂解等）、石化资源制氢（石油裂解、水煤气法等）和新型制氢方法（生物质、光化学等）。氢气提纯成本高，：目前常见的氢气纯化方式包括吸收法、吸附法（吸附干燥