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氢能成日本新一代能源战略主体!一文梳理日本及我国氢能产业链所有上市公司

原标题:氢能成日本新一代能源战略主体!一文梳理日本及我国氢能产业链所有上市公司

项目进展顺利 产业迅速起步

氢能成日本新一代能源战略主体

《经济日报》驻东京记者 苏海河

图为水电解制氢装置。苏海河摄

横滨是日本最早开放的港口城市,也是日本最著名的地方城市之一。近来,在智慧城市、花园城市建设方面,横滨又有新动作。

从横滨中华街东门出口的山下公园,可以眺望对面横滨港瑞穗码头高高矗立的一座风力发电机,这就是横滨氢电实证项目主要基地。2017年,该实证项目正式启动运行。用风力发电机发电,电力驱动水电解装置将自来水分解成氢气和氧气,氢气回收后加注给燃料电池驱动的公交车及工厂仓库用叉车。这一完整产业链,实现了二氧化碳零排放。随着实证过程中技术设备的不断改进,完善后的实证结果,将为日本国家新能源发展战略提供决策依据。

这一项由神奈川县、横滨市、川崎市、岩谷产业株式会社、东芝公司、丰田汽车公司、横滨国立大学等共同参与,堪称日本式产官学联合研发的代表。为争取市民的参与和支持,风力发电站建设资金除政府资助外,有55%的份额由横滨市民购买债券集资而成。

风力发电站由中国、德国、瑞士等各国产品组建,其年发电量210万千瓦时,相当于600户家庭居民用电量。但是,风力发电容易受季节天气影响,发电量不稳定。为此,该项目利用废旧电动汽车、油电混合动力汽车的淘汰电池建设了储电箱,可保证制氢装置两天的用电量。生产的氢气就地高压储存,另有两台氢气加压车负责将氢气送到用户厂区,并加注给燃料电池车辆。目前,横滨市内已拥有燃料电池公交车2台,新年度内还将采购2台。市政府公务用车中已有燃料电池车13台,并规定今后公务用车一律采用燃料电池汽车,工厂仓库的燃料电池叉车已发展到12台,这是日本第一个成型的区域性新能源实证系统。

关于选择叉车实验的理由,横滨市官员斋藤说,工厂及商品市场仓库处于封闭状态,而且需要低温作业。燃料电池车辆实现了无排放,可以保证仓库空气清新。此外,燃料电池车不仅在低温条件下比电力叉车性能优越,而且3分钟充气比电动车辆8小时充电效率更高。斋藤介绍说,该系统自2017年启动以来运转正常,收益不断提高,目前向市民发放的债券已经全部偿还。

日本政府将氢气作为新一代能源战略的主体。目前,在日本市场两款氢燃料电池汽车累计销售3000台,与电动汽车一起成为内燃发动机车辆的换代产品。根据日本政府2017年12月份制定的新能源发展基本战略,到2030年日本将确定氢再生能源支柱地位和制造技术,构筑国际新能源供应链,使氢气产量从目前每年4000吨发展到30万吨,降低制造成本三分之二,在实证测验基础上建立氢发电商业产业体系,将氢加气站从目前的100所扩建至900所,将燃料电池汽车保有量提升至80万台,将公交车及作业铲车增加至1.2万台,将家庭用发电设备提升至530万台以上。长期目标则是氢产量达到年产1000万吨以上,使氢发电成本降低至目前天然气价格水平。其中,重点普及家用燃料电池发电成套设备,实现发电、取暖、热水等配套联产。

目前,日本产业界也在积极推动氢能源的普及。2015年,丰田汽车公司提出将5680件燃料电池汽车技术专利免费开放,其中关于氢气生产技术加氢站建设技术的70件专利,无限期开放。其他专利开放至2020年,目的是要带动世界性氢燃料技术的普及发展,培养市场规模,以期将来在更大的市场中获得利益。据介绍,横滨市政府的新办公大楼将于2020年正式启用。届时,全部电力、热源将产自专门配备的氢能源发电机组。

在日本,氢燃料相关产业正在迅速起步。日本最早生产汽油加油机、计量器的龙野公司,目前仍占有国内市场60%以上份额,产品同时出口东南亚、欧洲、非洲等70多个国家。近年来,该公司研发的高压氢流量计量器,被称为最准确的流量检测仪。公司社长龙野广道认为,氢燃料的普及将带动世界能源产业革命,今后随着家庭氢燃料电池的普及,运输、供应、测量也将成为后加油站时代的主力产品。

尽管前景良好,但日本实现氢能源基本战略也面临一些瓶颈。一是如何提高技术降低氢气生产成本;二是如何提高氢发电效率;三是如何降低燃料电池汽车成本,不再依靠政府补贴来实现普及。

近日,有消息称日本政府决定增加补助金,加快加氢站建设速度,提前实现建设1000座加氢站的计划。在破解了“鸡与蛋”的发展顺序矛盾之后,日本的氢能源发展有可能走上快行道。

日本“氢能社会”发展战略与现状梳理

来源:全球技术地图(ID:drc_iite)

作者:张欢欢

日本政府在《能源基本计划》中将氢能源定位为与电力和热能并列的核心二次能源,并提出建设“氢能社会”的愿景,希望通过氢燃料电池实现氢能在家庭、工业、交通甚至全社会领域的应用,从而实现真正的能源安全以及能源独立。

在氢能专题系列(一)《未来能源主角:氢能发展历程与产业链梳理》中,我们详细探索了氢能源被誉为“终极能源”的原因、性质、发展进程以及产业链情况。

作为专题系列的第二篇,本文将关注世界氢能发展的领头羊——日本,探讨日本建设“氢能社会”的历史进程、发展战略、发展现状以及现实意义。

一、历史进程

1973年10月,第四次中东战争导致第一次石油危机爆发。世界各国强烈感受到能源安全对国家乃至世界经济政治以及社会生活的重要性。同年,日本成立“氢能源协会”,以大学研究人员为中心开展氢能源技术研发。

1981年,日本启动了燃料电池的开发。相比于美国13年前(即1968年)就已经实现了氢能源技术的应用(将强碱性燃料电池应用于阿波罗号宇宙飞船上),日本在氢能源技术利用的起步阶段落后了一大截。

1990年代,丰田、日产和本田汽车制造商启动燃料电池车的开发,同时三洋电机、松下电器和东芝公司也启动了家庭燃料电池的开发。燃料电池车和家用燃料电池发展至今,也成为了日本市场应用最广泛,世界范围内技术最领先的产品。

资料来源:《国际石油经济》

谈到日本的氢能源发展,就不能不提NEDO机构。NEDO,全称The New Energy and Industrial Technology Development Organization,名为日本新能源产业技术综合开发机构,是日本最大的公立研究开发管理机构,承担着日本的一部分经济产业行政业务,主要目标是负责解决能源和环境问题以及促进科技产品的转化。

日本政府对氢和燃料电池的技术开发支持主要以向NEDO投入专项科研经费为主。据悉,2010年至2015年间,NEDO共接受政府投入高达529.8亿日元。

NEDO对燃料电池的研究从1981年开始,主要包括磷酸燃料电池(PAFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体高分子燃料电池(PEFC)。除燃料电池之外,NEDO还进行氢能源利用相关的技术开发,并以东京、名古屋、大阪和福冈为中心,在2015年建成约100座加氢站。此外,NEDO也对氢发电技术以及制氢、储氢、运氢等与氢全产业链相关的新技术进行研究和开发。

二、发展战略

1、国家战略

日本主要的国家战略有《日本再复兴战略》、《能源基本计划》和《氢能/燃料电池战略发展路线图》。

2013年,安倍政府推出的《日本再复兴战略》,把发展氢能源提升为国策,并启动加氢站建设的前期工作。在第4次《能源基本计划》中,日本政府将氢能源定位为与电力和热能并列的核心二次能源,并提出建设“氢能社会”的愿景。

2014年,在日本经济贸易产业省成立的氢能/燃料电池战略协会对外公布的《氢能/燃料电池战略发展路线图》中,详细描述了氢能源研发推广的三大阶段以及每个阶段的战略目标:

第一阶段是从当前到2025年,快速扩大氢能的使用范围;

第二阶段是2020年中期—2030年底,全面引入氢发电和建立大规模氢能供应系统;

第三阶段从2040年开始,确立零二氧化碳的供氢系统。

此外,日本政府为促进燃料电池的普及使用,对燃料电池车购买、家庭用燃料电池系统以及加氢站建设均进行补贴。截至2014年12月,日本政府共计为家庭用燃料电池系统以及燃料电池补贴投入766.9亿日元。

2.企业战略

除了政府之外,日本企业对燃料电池的建设也十分积极。

2015年10月15日丰田汽车对外公布《丰田环境挑战2050》。丰田计划,于2020年以后,丰田燃料电池车(FCV)在全球的年销量达到3 万辆以上;在燃料电池大巴(FCB)方面,于2016年内以东京为中心引进 FCB,为2020年东京奥运会及残奥会预备 100多辆FCB;此外,2050年全球新车平均行驶过程中CO2排放量与2010年相比,削减90%。

三、发展现状

目前,日本的燃料电池在商业化应用方面世界领先,主要有家庭用燃料电池热电联供固定电站、业务用/产业用燃料电池以及燃料电池车。

1.家用热电联产系统ENE-FARM

日本家用热电联产系统ENE-FARM是一种燃料电池在家庭中高效利用的能源系统。它通用天然气重整制取氢气,再将氢气注入燃料电池中发电,同时用发电时产生的热能来供应暖气和热水,整体能源效率可达90%。

与传统发电系统相比,ENE-FARM可以将大型热力发电厂很难利用的废热有效的加以利用,从而大幅度的提高能源利用效率;与可再生能源(太阳能、风能等)发电系统相比,ENE-FARM不受天气限制,可在任意时间发电。此外,ENE-FARM安装在家里,不依赖现有电网,可在大规模停电时应急使用,并且几乎没有输电损失。

日本家用燃料电池热电联供系统(ENE-FARM)制造商主要有爱信精机、松下、东芝三家。三家公司产品发电效率均可达40%,总效率高达90%以上,耐用时间超过8万小时,启动时间只需1-2分钟,可按需求并网使用。据悉,用户使用ENE-FARM系统每年可节省的照明和取暖费用约6万元。

在销量方面,2014年ENE-FARM全球销量11万套,售价149万日元(大约8.7万人民币)。2017年5月,ENE-FARM全球销量突破20万套。对此,日本政府提出在2030年之前实现约相当于日本一成家庭的530万套的销售目标。

2.业务用/产业用燃料电池

业务用/产业用燃料电池与家庭用燃料电池工作原理相似,都是通过在燃料电池中氢气和氧气发生化学反应来发电,不同的是业务用燃料电池更多的是将城市煤气作为燃料制取氢气。

业务用燃料电池的输出功率从几千瓦到几兆瓦都有,通常使用的燃料电池种类有磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等。

3.燃料电池车

日本燃料电池车商业化较为成功的主要有丰田本田两家厂商。

丰田FCV燃料电池4座商业车MIRAI于2014年12月在日本上市。该车百公里加速时间约为10秒,最大续航里程超过482英里(约700公里),补充氢燃料3分钟。2015年产700辆,2016年产2000辆,预计2020年达年产3万辆。丰田计划在2025年前让燃料电池车售价降至约2万美元。

丰田FCV燃料电池车MIRAI

本田FCV燃料电池5座商业车Clarity于2016年3月在日本上市,其最大功率为100kW(136PS),最大续航里程将达到700公里,补充氢燃料仅需3分钟。

本田FCV燃料电池车Clarity

氢燃料电池车相比传统汽车来讲,价格较贵。日本政府为促进氢能源的普及,对每位购买燃料电池车的消费者提供补贴。就2016年的市场情况来看,丰田的Mirai车售价670万日元/辆,补贴202万日元/辆;本田Clarity Fuel Cell车售价709万日元/辆,补贴208万日元/辆。

在销量和加氢站建设方面,2016年,日本氢燃料电池车销量1000辆,已建成100座加氢站。2026年,政府计划完成200万辆氢燃料电池车的销售目标以及1000座加氢站的建设目标。

四、现实意义

《未来能源主角:氢能发展历程与产业链梳理》中,我们从氢能生命周期的角度分析出氢能的特点:

(1)来源广,不受地域限制;

(2)是非常优秀的储能介质;

(3)对大气污染小,甚至可做到零污染;

(4)用途广泛,既可用于发电发热,还可用于大中规模储能以及交通燃料。

无论是电力、燃油还是氢能,都是由自然界中的一次能源转化而来的二次能源。它们作为能够使能源在社会生活中以商品的形式输送以及应用的载体,其配置比重深刻的影响着能源应用结构,同时也与本国的能源分布、获取方式、地域人口等特点密不可分。

日本作为一次能源极度匮乏的国家,既不具备大规模修建光伏风电水电的条件,在福岛核电站事故后,核能的推进也是阻力重重,这种能源主要依赖于进口的现状使得其能源安全问题以及地缘政治的风险一直备受关注。而日本人口密度大、地域面积小,对氢能的运输以及加氢站的建设都比较有利。

因此,日本政府在《能源基本计划》中将氢能源定位为与电力和热能并列的核心二次能源,并提出建设“氢能社会”的愿景,希望通过氢燃料电池实现氢能在家庭、工业、交通甚至全社会领域的应用,从而实现真正的能源安全以及能源独立。

氢能社会,未来已来!一文梳理日本及我国氢能产业链所有上市公司

来源:国泰君安

前言:基于众多考量,日本把目光投向氢能。事实上,氢能源被誉为21世纪的“终极能源”,有望成为下一代的基础能源。而燃料电池,则是氢能最直接的载体。

2011年3月,东京的樱花落地速度大概比每秒5厘米快了一点。

一场九级强震袭击日本,随后而来的海啸对日本东北部地区造成毁灭性破坏,也包括其中的福岛第一核电站。

受制于有限的陆地面积和自然资源,日本的能源安全一直备受关注。福岛核电站事故让日本的核电走向历史的角落。日本开始满世界地寻找比核能更安全、更清洁的能源。

福岛核电站事故只是“最后一根稻草”。事实上,日本发展新型能源早已势在必行。

1、日本氢能源的过去、现在、将来

日本的能源发展战略,遵循着能源发展的规律。自二战结束年至今日本能源发展经历了大致5个阶段:

1. 制氢:零碳+低成本制氢是终极目标

根据日本氢能源发展战略,日本计划了两种并行的制氢路线:一是海外进口廉价氢气;二是国内可再生能源制氢。

日本国内资源禀赋较差,海外制氢成为日本氢燃料的重要来源。

海外制氢的方法主要有以下两种:

利用海外廉价褐煤制氢

利用可再生能源禀赋条件好,发电成本的低的国家电解水制氢。

实施海外制氢的首要目标就是建立国际供应链氢能供给体系。

2014年,川崎重工业公司计划利用在澳大利亚没有用武之地的褐煤提取氢气,冷却到零下253度,制成液态氢。再利用专用的轮船,像运输LNG(液化天然气)一样运往日本。

为了向日本运输气态氢,该公司开发出了“SPERA氢”技术。通过利用甲苯吸附氢气,实现了常温常压下的大量运输。利用这一技术,氢就能够像汽油一样在常温常压下运输,实现对现有设备的充分利用。

2018年4月12日,日本川崎重工与澳大利亚政府达成一致,双方将携手开展一个价值5亿澳元(约合3.88亿美元)、为期4年的煤制氢试点项目。这是煤制氢技术从试验走向市场的一次重大尝试。其后,日本先后同新西兰、文莱、挪威等开展氢能合作,日本海外制氢项目陆续落成。

另一方面,在国内可再生能源制氢方面,目前日本国内主要的制氢方法主要有以下几种:工业副产氢、化石燃料制氢、水电解制氢、生物质能制氢/高温分解和光催化剂制氢等。

日本国内氢气制造技术现状

数据来源:日本氢能源白皮书,国泰君安证券研究

如果考虑到环境、经济、实用等方面,目前制氢仍多采用化石燃料重整制氢和工业副产氢等高碳排放技术。但考虑到CO2排放问题,未来将逐步推广到可再生能源电解水、生物制氢、光催化剂等低碳技术。

盐水电解是日本目前主要的氢燃料来源

数据来源:氢能和燃料电池、国泰君安证券研究

2018年8月9日,NEDO、东芝、东北电力和岩谷产业宣布在福岛开始建立全球最大的可再生能源点解装置(太阳能电解水制氢)——福岛氢能源研究站(FH2R)。

2. 氢能源的运输和储存是氢能源应用的关键

由于海外制氢成为日本获取氢气的重要来源,优化长途运输和长期储存也就成了日本在储运方面面临的主要问题,氢供应链的成本结构是海外氢供应经济的可行性的关键性因素。

对于长途储运来说,氢气通过压缩、液化、有机氢化物吸附或者转化为其他气体(如NH3)和合成甲烷(CH4),不仅可以增加气体密度、提高单位质量的热氢值,而且也能够提高氢气的运输效率、延长气体的储存时间,避免消散。

日本的海外氢能源储运主要有液化氢、有机物甲基环己烷和氢-氮结合运输三种方式。

3种氢载体的特征

数据来源:CNKI、国泰君安证券研究

3. 燃料电池的应用:家用燃料电池、燃料电池汽车是构成氢能社会的基础

日本的燃料电池在商业化应用方面世界领先,主要有家庭用燃料电池热电联供应系统、业务用/产业用燃料电池以及燃料电池车。

在家用燃料电池热电联供应系统方面,日本家用热电联产系统ENE-FARM通过天然气重整制取氢气,再将氢气注入燃料电池中发电,同时用发电时产生的热能来供应暖气和热水,整体能源效率可达90%。

根据日本氢能源战略的基本计划,家用燃料电池系统市场销售目标到2020年达到140万台,2030年达到530万台。

就业务用/产业用燃料电池方面,业务用/产业用燃料电池与家庭用燃料电池工作原理相似,都是通过在燃料电池中氢气和氧气发生化学反应来发电,不同的是业务用燃料电池更多的是将城市煤气作为燃料制取氢气。

日本业用/产业用燃料电池系统主要供应商及产品性能

数据来源:国泰君安证券研究

说到燃料电池汽车,丰田、本田在全球燃料电池车市场占比最高,是全球燃料电池车的重要推动者。丰田推出世界第一代氢能源汽车“Miral”,本田推出燃料电池车Clarity,性能较丰田第一代燃料电池车有所提升。

丰田和本田燃料电池汽车关键参数比较

数据来源:丰田官网、本田官网、国泰君安证券研究

作为世界燃料电池车的领军者,Miral成本已实现大幅下降。

丰田在2008最初立项开始,预计售价1亿日元(约600万元),直至2014年丰田Miral正式推出时,售价已经降至723.6万日元(约43.5万元),除去日本政府的补贴,消费者只需支付约521万日元(约合人民币31.3万元)。

如此显著的大幅降本,究其原因,可归结为企业量产规模扩大、混合动力系统大规模应用、系统简化等促进FCV成本下降。

燃料电池系统作为FCV的核心部件,在整车成本中占比最高,约63%,其成本的下降是燃料电池车成本下降的关键。对于企业自身来说,降低燃料电池车成本最行之有效的方法就是技术研发推进和规模化效应。

丰田Miral的成本下降之路

数据来源:国泰君安证券研究

JHyM公司概要

数据来源:国泰君安证券研究

加氢站运营模式

数据来源:丰田汽车、国泰君安证券研究

金融机构等通过向JHyM出资,在加氢站实现独立运营之前筹集所需资金,减轻基础设施公司的初期投资负担,以此促进更多公司更加广泛的参与加氢站业务,为扩大旨在实现氢能源社会的融资机会做贡献。

加氢站投资模式

数据来源:丰田汽车、国泰君安证券研究

氢燃料价格最终的目标是与汽油价格持平。目前日本,氢气销售价格中,加氢站的建设和经营成本占比最高,约占氢气售价的62%左右,而剩余38%为氢气的制造和储运成本。

3、国内发展氢能源产业链具有必然性与可行性

1. 氢能源发展的必然性

作为全球最大的能源消费国,我国资源禀赋相对较差,石油、天然气等优质能源短缺,石油进口率67.4%,天然气进口率39%,对外依存度较高。煤炭资源丰富,探明储量世界排名第2位,但发展粗放,不利于未来的可持续发展。同时,从我国的能源结构来看,我国过度依赖煤炭。

从长期来看,我们所面临的能源困境是不断增加的能源消费,最终都会化作热量扩散并且伴随着温室气体CO2的产生。氢作为能源载体具有零碳、高效、可储能、应用场景丰富、安全可控等优势,促进我国能源转型升级,可作为我国未来基础能源。

2. 氢能源发展的可行性

从供给来看,中国拥有丰富的氢能源基础。

在制氢方面,我国是第一产氢大国,具有丰富的氢能源基础,当前每年化工厂副产氢气超过300万吨。

我国具有丰富的煤炭资源和可再生资源。通过可再生能源电解水制氢和煤炭制氢+CCS具有经济可行性,完全可以支撑我国低成本氢能源的发展愿景。

与此同时,我国对氢能的需求巨大。在氢能源的利用方面,以交通运输和储能为主的应用场景潜在市场需求大。中国具有世界最大的新能源汽车产业基础,同时氢能产业链长参与机会多,符合众多传统行业转型升级之需求。

在政策层面,我国政府高度重视发展氢能源产业。2019年全国政协十三届二次会议(两会)首次将氢能写入《政府工作报告》,与会代表提出健全行业标准,继续推进加氢站、燃料电池汽车购置补贴的建议,将氢能产业链的发展提上了新的高度。

3. 国内氢能战略四步走

为推动国家氢能战略的发展,我国制定了氢能发展四步走战略:

数据来源:国泰君安证券研究

国家层面也保证2020年前补贴不退坡。

《2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策方针》指出燃料电池汽车补贴不实行退坡。

目前就有北京、张家口、江苏如皋、上海、广东佛山、成都等多个城市相继出台氢能产业链发展规划并推进地方补贴。例如《长三角氢走廊建设发展规划》将围绕“长三角氢经济一体化”打造具备世界先进水平的氢能与燃料电池汽车产业经济带。

国内各省市推进产业链发展目标与补贴政策

数据来源:国泰君安证券研究

数据来源:各公司公告、国泰君安证券研究

4. 我国氢能发展将结合自身特色

日本结合燃料电池热电联供系统推广燃料电池汽车的方式显然不符合中国国情。

目前,我国已经探讨了几条适合国情的路线:

先商后乘路线:采用在公交车辆,专用工程车辆等商用车率先推广燃料电池,规模化成本降低后再在乘用车领域推广的路线。

一方面,商用车因为应用场景较乘用车辆集中,行驶路径单一,在制定区域进行制氢、储氢、加氢完成度高,可操作性较强。另一方面,燃料电池具备低温运行,大功率动力做功的特性,符合商用车在特定领域的需求。

当商用车规模化的推广将带动产业链的完善,为后期乘用车的推进奠定基础。

燃料电池(增程式)路径的提出:针对当前国内小功率燃料电池技术上难以满足中型、重型车辆驱动,大功率燃料电池成本过高的情况,采用燃料电池用作锂电池增程器的设计可以满足驱动条件。

不同于乘用车辆,商用车辆较大的空间满足同时布局两种动力的条件,协同相比纯电动车辆增加续航里程,又能够弥补小功率燃料电池动力不足的缺陷。

2019年有望成为氢产业商业化之元年。

虽然当前燃料电池车辆存量仅为千余辆,氢能相关基础设施仍远不完善,且是否把燃料电池当作推广类比于锂电池新能源车2009年十城千辆推广工程的阶段仍有争议。但在政策补贴叠加和技术进步支持下,未来数年氢能势必与内燃机、锂电池,氢能产业长期共存并占据一席之地,行业当前具备爆发潜质。

氢能社会,未来已来。

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