能源转型产业报告2024年01月07日氢能及燃料电池绿氨产业有望推动氢能规模化发展作者氢能作为一种清洁的二次能源，在全球能源低碳转型的大背景下，必将成为分析师于夕朦我国能源结构的重要组成部分和新型电力系统的有力补充。氢能不仅可以作执业证书编号：S1070520030003为交通领域的绿色燃料，在钢铁冶金、石油化工等领域均有广泛应用前景。邮箱：yuximeng@cgws.com我国作为氢产销的全球第一大国，化石燃料制氢的绿氢替代具有广阔的市场联系人雷灵龙空间。氨作为绿氢的载体在储运密度、应用低碳等方面均具有显著优势。执业证书编号：S1070122120005邮箱：leilinglong@cgws.com绿氨有望成为未来主要的航运绿色燃料之一，并在其他领域作为绿色燃料应用。国际海事组织于2018年提出航运业在2008年基准上至2050年总排放相关研究量降低50%。与此同时，欧盟也已将航运业纳入碳排放交易体系，船只需对高碳排放支付额外费用。在此背景下，各国开始积极探索采用氨作为船舶燃1、《氢能产业发展研究报告—氢能及燃料电池》料。2023-12-222、《熔盐储能发展及其安全问题浅析—行业/公司名称绿氨产业有望作为船用绿色燃料并在电力等领域具有广泛应用。绿氨产业在（选填）》2023-12-04我国方兴未艾，在针对性的产业政策扶持和持续的研发投入下，方能健康发3、《我国电力金融市场研究建议报告—能源转型产业报展，其必将在未来我国绿色产业发展中发挥重要作用。告》2023-11-22风险提示：氢能及绿氨相关产业政策不及预期，制氢成本下降不及预期，商业模式形成不及预期，绿色合成氨需求不及预期。请仔细阅读本报告末页声明能源转型产业报告内容目录一、氨是氢的优良载体.........................................................................................................................................3二、氨有望作为未来主要的船用绿色燃料.............................................................................................................3三、氨在电力脱碳等领域也具有广泛应用.............................................................................................................4四、绿色合成氨产业方兴未艾...............................................................................................................................6风险提示..............................................................................................................................................................9图表目录图表1：各种燃料特性的比较..............................................................................................................................3图表2：Exmar氨燃料运输船..............................................................................................................................4图表3：三菱研发的燃气轮机（左）及氨燃料锅炉（右）....................................................................................5图表4：神华广东台山电厂600兆瓦燃煤发电机组氨气供应管道.........................................................................5图表5：中车大连公司发布的中速大功率氨燃料发动机.......................................................................................5图表6：N2和H2O在金表面通过电化学反应生产氨的反应过程..........................................................................6图表7：一种绿电驱动的从N2和H2O可持续合成氨的锂循环过程.....................................................................7图表8：传统合成氨工艺与绿氢合成氨工艺流程及温度差异对比.........................................................................7图表9：大安风光制绿氢合成氨一体化示范项目施工现场....................................................................................8P.2请仔细阅读本报告末页声明能源转型产业报告一、氨是氢的优良载体氢作为一种二次能源，在可再生能源消纳及有效利用中具有良好的前景，可以与未来新型电力系统形成有机互补。作为最轻的元素，氢与其重量相比具有高能量密度，某些场景下拥有应用优势。但与其他燃料相比，氢在气态下的体积能量密度很低，这使得氢更难以储存和运输，也降低了氢在不能直接或常规电气化的用例中的可行性，例如航运和航空。氢气的密度在标准状态下仅有0.0899kg/m3，仅有天然气的约1/8。而提高气体密度的物理方法只有提高压力或者降低温度，所以当前氢气的运输方式与天然气类似，主要有长管拖车运输、液氢运输及管道运输三种。然而，即使将氢气压缩至20MPa密度也仅有14.5kg/m3，在-253℃的低温下转变为液体后密度也只有70kg/m3,导致氢的储存、液化和运输成本远高于天然气。以上种种导致氢的储运一直是产业发展的主要瓶颈之一。图表1：各种燃料特性的比较燃料种类热值体积能量密储存压力储存温度(MJ/kg)度(GJ/m3)(bar)(℃)甲醇19.915.812020DME28.919.25-16220LNG48.620.81-34@1bar–20@10bar-253CNG48.6925020液氨2018.611.51–102020液态氢1208.51压缩氢气1204.7700汽油43.4321船用轻柴油42.836.61锂离子电池0.4-10.9-2.41资料来源：IRENA《创新前景：可再生甲醇》，长城证券产业金融研究院相比之下，甲醇和氨在氢的储运中体现出了一系列的优势。从上表中可以看到，甲醇和氨的储存温度压力要求远低于液态氢或压缩氢，而体积能量密度则高的多。更重要的是，甲醇、氨作为基础化学品，其物流、贸易网络等基础设施已相当完备。具体比较氨和甲醇作为绿色燃料的应用前景，IRENA认为，氨在排放等方面具有显著优势。这是因为即使是绿色甲醇，其燃烧仍要排放CO2,要实现完全的零碳排放，必须进行燃烧或利用后的CO2捕获。而在船舶等移动场景，无论是燃烧前捕获还是燃烧后捕获，成本都非常高。而符合净零排放要求的生物甲醇则可能无法充分扩大规模以满足需求，因为只有少量的可用生物质可以负担得起当地加工用于燃料应用，而进一步扩产将大大增加成本。二、氨有望作为未来主要的船用绿色燃料政策层面上，国际海事组织于2018年通过的《船舶温室气体减排初步战略》，其提出航运业在2008年基准上至2050年总排放量降低50%。与此同时，欧盟也已将航运业纳入碳排放交易体系，船只需对高碳排放支付额外费用。在此背景下，各国开始积极探索采用氨作为船舶燃料。P.3请仔细阅读本报告末页声明能源转型产业报告2023年10月16日比利时航运公司Exmar发布声明称，Exmar和Seapeak合资企业ExmarLPGBV将为在韩国HD现代集团建造的两艘46,000立方米气体运输船订购氨燃料，这两艘船将成为全球首批由氨发动机驱动的远洋船舶。据Exmar称，这两艘双燃料运输船将于2026年交付。Exmar成立于1829年，在船舶设计方面保持着长期的声誉，同时也拥有40多年的氨相关领域服务经验。这两艘船将加入Exmar目前由17艘中型货轮组成的船队。而在此之前，韩国船级社(KR)在2021年就首次发布了《氨燃料船舶指南》，为船舶安全地引进氨燃料作为动力提供了依据。图表2：Exmar氨燃料运输船资料来源：Exmar，长城证券产业金融研究院在中国，2019年，中国船舶重工集团宣布其和德国曼恩集团联合设计的氨动力超大型集装箱船方案通过船级社原则性批准；2022年，上海船舶研究设计院宣布其自主研发设计的中国首款氨燃料动力7000车位汽车运输船获DNV认可。同年6月，中国船级社发布了《船舶应用氨燃料指南》2022版。2022年10月，上海船舶研究设计院宣布其研发的5万吨氨双燃料动力MR型油船/化学品船获颁意大利船级社（RINA）授予的原则性认可（AIP）证书；2023年2月，该院研发的全球首创8.5万载重吨氨双燃料动力散货船获得中国船级社的AIP证书。此外，除绿氨外，各个国家及地区也在同步积极开展以纯氢及基于绿氢的绿色甲醇作为各类船舶燃料的研究和示范试点，共同推动全球航运业绿色低碳发展。三、氨在电力脱碳等领域也具有广泛应用绿氨不但是未来航运业脱碳的主力燃料之一，还可以用于发电，火电及燃气轮机机组掺烧氨或纯氨等低碳燃料是发电领域碳减排的重要技术方向。2021年三菱发电公司即宣布其在开发一种40兆瓦的燃气轮机，将可以使用100%的含氨燃料。2023年11月28日，三菱重工业株式会社（MHI）宣布其已成功完成氨单一燃料燃烧器的燃烧测试，作为其开发用于热电发电锅炉的氨利用技术的一部分。其利用每小时0.5吨燃料消耗的燃烧测试炉进行了氨燃烧器的单一燃料燃烧测试，以及与煤一起进行的高比例氨共燃测试。在两种情况下，测试证实了氨可以实现完全稳定燃烧，且与煤燃烧相比，氮氧化物排放显著减少。P.4请仔细阅读本报告末页声明能源转型产业报告图表3：三菱研发的燃气轮机（左）及氨燃料锅炉（右）资料来源：MitsubishiHeavyIndustries，长城证券产业金融研究院而在此之前，2022年1月24日，国家能源集团也在北京正式发布“燃煤锅炉混氨燃烧技术”。其自主开发的第一代混氨低氮煤粉燃烧器，在40MWth燃烧试验平台上进行了全尺度混氨燃烧试验，氨燃尽率99.99%，混氨燃烧比例最高达到35%，同时实现氮氧化物有效控制。此后在2023年11月底，国家能源集团宣布其在中国神华广东台山电厂600兆瓦燃煤发电机组上实施了高负荷发电工况下煤炭掺氨燃烧试验，这是当前国内外完成掺氨燃烧试验验证的容量最大机组。试验主要采用氨煤预混燃烧技术，实现了500兆瓦、300兆瓦等多个负荷工况下燃煤锅炉掺氨燃烧平稳运行。国家能源集团称实验中锅炉运行参数正常，氨燃尽率达到99.99%，脱硝装置前的氮氧化物浓度与燃煤工况相当，烟气污染物排放浓度无变化。图表4：神华广东台山电厂600兆瓦燃煤发电机组氨气供应管道资料来源：国家能源集团，长城证券产业金融研究院图表5：中车大连公司发布的中速大功率氨燃料发动机P.5请仔细阅读本报告末页声明能源转型产业报告资料来源：央视新闻，长城证券产业金融研究院四、绿色合成氨产业方兴未艾氨作为绿色燃料需求快速增长的另一面，是当前氨的生产仍主要依赖化石燃料。氨作为一种基本的工业化学品，是最便宜的化合氮形式，其主要用于生产肥料，如尿素和硝酸铵。除此以外，氨还是无机和有机化学工业的重要基础原料。根据中国氢能联盟，截至2020年，我国氢气消费需求为3342万吨，其中32%用于合成氨，27%用于合成甲醇。然而，传统制氢主要依靠煤和天然气等碳基化石能源，产生了大量碳排放。利用可再生能源电解水制取绿氢作为原料合成氨不仅可实现新能源的本地化有效消纳，也是化工绿色转型的重要途径，可显著降低化工行业的碳排放，成为当前氢能产业发展的重要方向。不同原料的合成氨工艺路线略有差异，不过目前主流的合成氨工艺均基于HaberBosch工艺，即氮气和氢气在高温高压和铁基催化剂存在下直接合成氨，化学反应式为N2+3H2⇄2NH3。除制氢原料不同外，大部分合成氨工艺都主要包括原料气制备、原料气净化、CO变换、氨合成、尾气回收等工序。其能耗主要由原料气消耗、燃料气消耗、煤炭消耗、蒸汽消耗和电力消耗组成。当前合成氨工业的氢气来源绝大多数来自煤或天然气制氢，在双碳战略背景下，未来绿氢替代灰氢，将成为合成氨行业的主流趋势。绿氨合成技术分为间接合成路线和直接合成路线两大类。直接合成路线即以氮气和水为原料，通过电解、光催化、微生物反应等方式直接合成绿氨。然而，当前直接合成路线受限于反应速率低、器件不成熟等技术障碍，大多尚处于实验室阶段，难以大规模工业化生产。图表6：N2和H2O在金表面通过电化学反应生产氨的反应过程P.6请仔细阅读本报告末页声明能源转型产业报告资料来源：LuWang等《GreeningAmmoniatowardtheSolarAmmoniaRefinery》，长城证券产业金融研究院图表7：一种绿电驱动的从N2和H2O可持续合成氨的锂循环过程资料来源：LuWang等《GreeningAmmoniatowardtheSolarAmmoniaRefinery》，长城证券产业金融研究院而间接合成路线则仍基于经典的HaberBosch工艺，只不过，氢气由绿电制取，氮气分离过程也使用绿电进行生产。间接合成路线也是当前技术成熟最高，最具可行性的发展方向。然而，合成氨行业的绿色转型并不是绿氢替代这么简单，大规模可再生能源电解水制氢合成氨的设计与运行依然存在诸多挑战。如下图所示，绿氨与传统合成氨工艺在供能、反应温度等方面均有较大差异。因此，仍需要在合成氨工艺柔性优化与调控、大规模电解水制氢平稳运行、制氢负荷参与电网调控和全系统技术经济性等方面展开研究。图表8：传统合成氨工艺与绿氢合成氨工艺流程及温度差异对比P.7请仔细阅读本报告末页声明能源转型产业报告资料来源：《Progressingreenammoniaproductionaspotentialcarbon-freefuel》,长城证券产业金融研究院整理中国氢能联盟研究院数据显示，截至2023年10月，全国已规划绿氨项目产能880万吨，预计2025年前投运产能规模达150万吨。目前，国内绿氨项目主要分布在西北、东北等可再生资源丰富地区。例如2023年正式开工建设的大安风光制绿氢合成氨一体化示范项目就是目前国内最大的一体化绿氨合成示范项目。其作为大安千万千瓦新能源制氢基地组成部分，聚合风力发电、光伏发电、储能、氢能等多种清洁能源，应用了风光耦合制氢、PEM电解制氢系统、绿氢合成氨等新技术，被国家发改委评为清洁低碳氢能创新应用工程。项目新能源装机80万千瓦，可年制绿氢3.2万吨，年制绿氨18万吨，极大的促进了大安地区可再生能源消纳，推动了当地能源和化工领域绿色转型。图表9：大安风光制绿氢合成氨一体化示范项目施工现场资料来源：人民网，长城证券产业金融研究院而国际可再生能源署（IRENA）统计的全球（不含中国）投入运营/规划中的绿氨项目统计清单（2022年）中，现有运行项目产能约2万吨/年，到2030年前规划产能约1500万吨/年，总计超过7000万吨/年。绿氨在全球能源低碳转型的大背景下，有着光明的前P.8请仔细阅读本报告末页声明能源转型产业报告景。然而，氨作为绿色燃料，当前仍有很多问题有待解决。首先，当前绿氢成本电费占比高，导致绿氨成本较高，在没有政策支持下难以与传统合成氨竞争。其次，传统合成氨工艺均为连续稳定生产，直接用于生产绿氨，并不能良好的适应可再生能源的波动性，相关设备及工艺需要进行针对性的优化。最后，与常规的碳氢燃料相比，纯氨的层流燃烧速度和热值均比较低，而且点火所需要的能量较高，可燃性极限范围较窄，使得纯氨的燃烧更加困难。因此，目前船用氨发动机还在开发中，尚未完全商业应用。其与天然气燃烧特性的差异也导致纯氨燃气轮机需要大量的研发工作方有望最终实现商业化。绿氨产业在我国方兴未艾，在针对性的产业政策扶持和持续的研发投入下，方能健康发展。但其绿色低碳的特点，必将在未来我国绿色产业发展中发挥重要作用。风险提示氢能及绿氨相关产业政策不及预期，制氢成本下降不及预期，商业模式形成不及预期，绿色合成氨需求不及预期。P.9请仔细阅读本报告末页声明能源转型产业报告免责声明长城证券股份有限公司（以下简称长城证券）具备中国证监会批准的证券投资咨询业务资格。本报告由长城证券向专业投资者客户及风险承受能力为稳健型、积极型、激进型的普通投资者客户（以下统称客户）提供，除非另有说明，所有本报告的版权属于长城证券。未经长城证券事先书面授权许可，任何机构和个人不得以任何形式翻版、复制和发布，亦不得作为诉讼、仲裁、传媒及任何单位或个人引用的证明或依据，不得用于未经允许的其它任何用途。如引用、刊发，需注明出处为长城证券研究院，且不得对本报告进行有悖原意的引用、删节和修改。本报告是基于本公司认为可靠的已公开信息，但本公司不保证信息的准确性或完整性。本报告所载的资料、工具、意见及推测只提供给客户作参考之用，并非作为或被视为出售或购买证券或其他投资标的的邀请或向他人作出邀请。在任何情况下，本报告中的信息或所表述的意见并不构成对任何人的投资建议。在任何情况下，本公司不对任何人因使用本报告中的任何内容所引致的任何损失负任何责任。长城证券在法律允许的情况下可参与、投资或持有本报告涉及的证券或进行证券交易，或向本报告涉及的公司提供或争取提供包括投资银行业务在内的服务或业务支持。长城证券可能与本报告涉及的公司之间存在业务关系，并无需事先或在获得业务关系后通知客户。长城证券版权所有并保留一切权利。特别声明《证券期货投资者适当性管理办法》、《证券经营机构投资者适当性管理实施指引（试行）》已于2017年7月1日起正式实施。因本研究报告涉及股票相关内容，仅面向长城证券客户中的专业投资者及风险承受能力为稳健型、积极型、激进型的普通投资者。若您并非上述类型的投资者，请取消阅读，请勿收藏、接收或使用本研究报告中的任何信息。因此受限于访问权限的设置，若给您造成不便，烦请见谅！感谢您给予的理解与配合。分析师声明本报告署名分析师在此声明：本人具有中国证券业协会授予的证券投资咨询执业资格或相当的专业胜任能力，在执业过程中恪守独立诚信、勤勉尽职、谨慎客观、公平公正的原则，独立、客观地出具本报告。本报告反映了本人的研究观点，不曾因，不因，也将不会因本报告中的具体推荐意见或观点而直接或间接接收到任何形式的报酬。投资评级说明公司评级行业评级买入预期未来6个月内股价相对行业指数涨幅15%以上强于大市预期未来6个月内行业整体表现战胜市场增持预期未来6个月内股价相对行业指数涨幅介于5%~15%之间中性预期未来6个月内行业整体表现与市场同步持有预期未来6个月内股价相对行业指数涨幅介于-5%~5%之间弱于大市预期未来6个月内行业整体表现弱于市场卖出预期未来6个月内股价相对行业指数跌幅5%以上行业指中信一级行业，市场指沪深300指数长城证券产业金融研究院北京地址：北京市西城区西直门外大街112号阳光大厦8层深圳邮编：100044地址：深圳市福田区福田街道金田路2026号能源大厦南塔楼16层传真：86-10-88366686邮编：518033传真：86-755-83516207上海地址：上海市浦东新区世博馆路200号A座8层邮编：200126传真：021-31829681网址：http://www.cgws.comP.10请仔细阅读本报告末页声明