2023-06-24 23:26:37 来源 : 上甲数据
本文转载来源:“未来智库”
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氢能有望开启铂族金属第二成长曲线
碳中和碳达峰的背景下，氢能正越来越受到重视。氢能是一种来源广泛、清洁无碳、 灵活高效、应用场景丰富的二次能源，是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能 源大规模发展的理想互联媒介，是实现交通运输、工业和建筑等领域大规模深度脱碳的最 佳选择。根据国际氢能理事会统计，包括欧盟在内，全球范围内已制定 30 余个氢能战略， 此外还有 6 个尚在起草阶段。
根据中信证券研究部氢能组预测，2025/2030 年全球氢气需求量或达 1.2/1.8 亿吨。 根据国际氢能理事会的数据，2020 年氢气总产量只有约 10 艾焦耳，且几乎全部来源于传 统化石能源，主要被用于化肥与石油精炼等工业中的原料。在 2040 年以前，清洁能源的 应用有望快速增加，带动氢气总产量的急剧提升。铂族金属是电解水制氢与氢燃料电池的 催化剂重要组成部分，未来将在能源转型中扮演重要的角色。
制氢：绿氢替代势在必行，电解水制氢发展提振铂族金属需求
绿氢是脱碳行动中最具有吸引力的生产氢气的方式。绿氢是通过电解水产生的氢气， 过程中的副产物只有氧气。严格而言，只有当电解水所采用的电能来源于可再生能源时， 产生的氢气才被称为“绿氢”。当前市场上有三种主要的可商业化的电解水技术：碱性电 解技术、质子交换膜电解技术和固体氧化物电解技术。基于陶瓷材料的固体氧化物电解水 技术还处于商业化的较早期阶段，且工作温度与另外两种技术不同，因此不作深入分析。目前碱性电解水和PEM电解水制氢成本的经济性与化石能源制氢、工业副产氢相差较远， 未来受益于可再生能源发电成本的降低，以及随着技术迭代和规模增长带来的设备成本降 低，绿氢成本有望进一步降低。
绿氢制备核心，电解槽发展正当时。电解槽是电解反应发生的主要场所，也是制氢工 艺的核心。目前电解槽市场正迎来发展窗口期，2022 年 9 月 21 日，由中国氢能联盟研究 院发起起草的国内首个电解槽评价标准《碱性水电解制氢系统“领跑者”性能评价导则》 正式发布，助力我国可再生能源制氢装备制造行业的稳步发展。目前国内主流碱性电解槽 企业均已具备 1000Nm³/h 以上大功率电解槽的生产能力；PEM 电解槽方面，最大单槽产 氢量为 200Nm³/h，国内厂商产能合计百兆瓦级。目前电解水制氢龙头公司多分布于欧洲， 包括 Nel、ITM Power、HydrogenPro、Enapter、Sunfire、Mcphy 等公司，目前碱性、 PEM 等都有成熟应用，随着 2021-2022 年欧洲大力发展绿氢，2022 年电解槽企业的收 入和订单显著增长，预计 2023 年也将有大幅提升。
绿氢需求有望打开电解槽百亿发展空间。根据中信证券研究部氢能组预测，到 2030 年，全球氢气的年需求量将从 2022 的约 9000 万吨增加到 1.8 亿吨，其中绿氢占 34％， 约合 6120 万吨。而 2022 年全球绿氢占比仅为 0.3%，约合 30 万吨。根据中信证券研究 部氢能组报告《能源化工行业 2023 年投资展望—顺内需复苏之势，乘技术迭代之风》 （2023-1-10）中预测，2045 年我国电解槽市场规模可破万亿，发展空间巨大。
碱性电解槽： 碱性电解槽工艺相对成熟，目前依然是中国电解制氢主流。根据 WPIC 数据，在中国 传统的碱水制氢系统主导着电解制氢市场，占据了近 90％的市场份额。未来，中石化投入 30 亿元人民币的中国绿氢大型项目预计将使用 260 兆瓦的碱性电解槽设备，该项目计划 于 2023 年夏天上线，将成为全球最大的氢能项目。目前现有的电解制氢工艺中，碱性电 解槽在技术上最为成熟，国内碱性电解槽通常使用廉价的镍基催化剂，因此也是资本成本 最低的电解制氢方式。
铂族金属正在被纳入碱性电解槽电极的催化涂层中。碱性系统正在寻求增加铂族金属 负载以提高生产效率。据苏州竞立制氢设备有限公司创始人兼董事长张碧航表示，行业内 有迹象表明，碱性电解槽将进一步扩大对铂族金属的使用。随着中国追求能源效率目标， 能源消耗的要求也越来越严格，越来越需要电解技术对间歇性风能和太阳能的典型波动作 出更迅速的反应。由于现在的生产越来越需要更高的效率和更低的能耗，碱性电解槽将不 得不求助于贵金属。目前已经开始使用贵金属电极进行试验和创新。
质子交换膜： 投资成本逐步下行，质子交换膜电解槽对铂族金属需求或将持续提升。质子交换膜电 解技术相对于碱性电解技术，具有占地面积小、动态响应能力强、低负荷（<20%）运行 高效、氢气不需额外干燥等优势。PEM 电解水技术目前已经初步形成产业化并在部分地 区建设示范应用，随着技术的进步和成本的下降，预计最快将在 2025~2030 年形成规模 化应用。根据国际能源署（IEA）的数据，质子交换膜电解槽中的催化剂每 GW 大约对应 总计 1 吨的铂和铱的需求。预计电解槽将打开铂族金属远期需求空间。
未来碱性电解槽对于贵金属需求提升叠加质子交换膜发展加速，2030 年制氢电解槽 或带来 20 吨铂金需求。 关键假设： 1）电解槽需求量及碱性电解槽占比数据使用上文中信证券研究部氢能组预测数据。 2）国际能源署（International Energy Agency）称，质子交换膜电解槽中的催化剂每 十亿瓦特（GW）加起来大约需要 1 吨的铂和铱，据此假设 2022 年 PEM 电解槽铂载量为 1t/GW。 3）由于生产越来越需要更高的效率和更低的能耗，碱性电解槽将不得不求助于贵金 属。但目前贵金属电极尚且处于试验和创新阶段，未知性较大，行业内有迹象表明，碱性 电解槽将进一步扩大对铂族金属的使用。我们假设到 2030 年碱性电解槽铂载量 0.015g/kw， 假设 22-30 年碱性电解槽领域铂载量为线性变动。根据美国能源部目标，预计 2030 年质 子交换膜铂载量可降至 0.10 克/KW。 4）假设随着技术发展，铂载量线性变动。
用氢：中国燃料电动电池进入发展快车道，带来铂族金属新需求增长点
氢燃料电池汽车在铂金需求中是一个规模较小但成长前景光明的领域。随着韩、美、 日、中、德为代表的主要国家氢能基建不断完善、氢车核心部件持续降本，氢车推广有望 迎来大幅加速。燃料电池汽车的核心为电堆，其中的催化剂需要具备较高要求的催化活性、 稳定性以及耐久性，因此需要使用大量的金属铂。根据 WPIC 的统计，每辆燃料电池汽车 使用大约 30-80 克铂金，未来目标为降低至 10-15 克铂金。目前我国研究方向是铂炭催化 剂，近些年同样开始研发铂钴催化剂。
催化剂在燃料电池中的应用前景光明。催化剂是燃料电池的关键材料之一，其工作原 理是作用于氢气，促使电子离开氢原子。目前，燃料电池中常用的商用催化剂是 Pt/C，由 纳米级的 Pt 颗粒（3～5nm）和支撑这些 Pt 颗粒的大比表面积活性碳构成。选用 Pt 是由 于其为所有金属材料中催化 HOR 和 ORR 性能最高的材料，而且满足作为电极催化材料的 其他要求（高导电率、高稳定性、抗腐蚀等）。然而，Pt 是稀有金属，昂贵的价格（目前 Pt 基催化剂在燃料电池电堆中所占的成本比例约为 50%）和极低的供应量已成为燃料电池 技术走向商业化应用的主要障碍。
国外巨头技术领跑，国内龙头积极布局。目前燃料电池催化剂主要生产商为美国的 3M 公司、Gore 公司和 E-TEK 公司，英国的 Johnson Matthery（庄信万丰）公司，德国的 BASF 公司，日本的 Tanaka（田中贵金属）公司和 TKK 公司，比利时的 Umicore 公司等。 本田 FCVClarity 燃料电池汽车催化剂 Pt 含量已经降至 0.12g/kW，丰田 Mirai 燃料电池汽 车催化剂 Pt 含量为 0.175g/kW。目前，我国催化剂企业还未实现产业化的实质性突破。 贵研铂业股份有限公司、武汉喜玛拉雅光电科技股份有限公司、中科院大连化物所具备小规模生产的能力，中科院长春应用化学所、天津大学和中山大学等研究机构正在进行积极 的产业化攻关。
中 国 燃 料电 动 车 进入 发展 快 车 道， 带 来 铂族 金属 新 需 求增 长 点 。 我们预 计 2025/2030/2050 年全球燃料电动车有望带来 1.60/3.97/25.56 吨铂金需求。 关键假设：
1）根据中信证券研究部氢能组预测，展望“十四五”，国内氢能源车有望完成从产业 导入期到量产的阶段，结合各地方政府的氢能源规划，燃料电池车保有量有望达 8 万辆。 这里根据保有量得出我国各年度新增燃料电池车新增量，并假设销量平稳增长。其中，2023 年我国氢能车销量或超过 9000 辆，其中大型客车及大型卡车销量分别为 1250、2000 辆 左右。根据 wind 数据及中信证券研究部氢能组预测，2020/2030 年，乘用车电堆需求功 率分别为 70/120 KW/辆，客车为 80/150 KW/辆，货车为 70/180 KW/辆，物流车为 30/50 KW/辆，由此得出不同车型电堆需求量。
2）氢智会、氢云链、中国汽车工业协会、韩国国土交通部、次时代自动车振兴中心 等数据显示，2019/2020/2021 年全球氢燃料电池车保有量分别为 24132/33398/49562 辆，由此计算 2020/2021 年全球氢燃料电池车产量分别为 9266/16164 辆。中国汽车工 业协会数据显示，我国 2020/2021 年氢燃料电池车产量分别为 1199/1777 辆，由此计算 我国氢燃料电池车占全球比例分别为 12.9%和 11.0%。鉴于我国积极推进氢能及氢燃料 电池汽车产业发展并且在世界氢燃料电池车产业中占据重要地位，我们乐观推测我国燃料 电池车占全球比例在 2022-2025 年分别为 19%/23%/27%/30%，2025 年占比仅同比提 升 3pcts 是由于预计 2025 年我国新增氢燃料电池车产量将有所放缓。未来随着全球氢 能发展，假设 2030-2050 年我国燃料电池车占全球比例维持在 35%。
3）根据 E4tech 估计，氢燃料电池车铂载量的上限水平为 0.26 克/千瓦，下限为 0.09 克/千瓦。假设 2022 年氢能源电池车铂载量为 0.26 克/千瓦，预计未来燃料电池车铂载量 逐步下降，假设 2023/2024/2025/2050 年分别为
0.26/0.218/0.175/0.133/0.09 g/KW。
