氢制备环节深度研究报告.pdf

2023 Research Report on China Hydrogen Energy Industry-Production可持续的清洁零碳能源，万亿市场蓄势待发氢能源被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，21世纪来，中国和美国、日本、加拿大、欧盟等都制定了氢能发展规划，并且取得了多方面的进展。当今世界开发新能源迫在眉睫，随着化石燃料消耗的日益增加，其储量日益减少，且环境污染、气候变暖等问题日益突出，迫切需要不依赖化石燃料的储量丰富的新型含能体能源，氢正是这样的理想的新型含能体能源能量密度高清洁零碳可跨季长时储能原料来源广泛可承接风光弃电可持续的清洁零碳能源，万亿市场蓄势待发中国可再生能源消纳能力提升远远滞后于发电占比的提升。大规模的可再生能源发电是实现碳中和的关键一步，但风电、光伏发电间歇性、波动性强，电网消纳压力较大，且电能为二次能源、过程能源，难以直接存储，其储用过程存在较大损耗。清洁电力占比持续升高的同时，“弃风、弃光”等能源浪费问题，电网解列等电力安全问题，适宜规模风光发电区距东部用电集中区距离远、电网输电压力大损耗大问题更加突出。而氢能可直接生产、存储、应用，通过离网风光电电解制氢，可实现电能大规模、长周期、跨区域储存及更广范围应用中国能源体系面临着三大关键问题，而氢能源作为绿色零碳的二次能源，是解决我国能源问题、能源体系转型、实现碳中和碳达峰、构建能源领域双循环体系、保障国家能源安全的必经之路。在政府端持续政策红利释放、产业端需求驱动、技术迭代支撑下，氢能产业发展已迎来窗口期我国能源呈现“多煤少油少气”的局面，且石油、天然气在终端消费占比始终处于高位，自给率严重低下，中国能源领域外贸逆差2021年高达3611亿美元，与6762亿美元总体贸易顺差数量级相当，能源安全问题始终未得到根本解决，能源领域“双循环”也根本无法实现。绿氢与绿电耦合可有效提升能源体系运转效率，有望显著提升能源自给率，为构建国内循环为主的新格局、推动经济的持续高质量发展、保障国家能源体系安全注入新动力工业等广大下游应用场景脱碳极其困难，冶金、化工、建材等大中型场景对化石能源的需求极为刚性。IEA将能源划分为热能、电能、交通燃料三大层次，而现有能源体系中，只有石油可以同时满足电、热、燃料三大层次能源需求；但氢能源的出现，颠覆了这一格局，氢能是零碳、高效、无污染的“万能燃料”，既能像石油一样满足三大层次能源需求，且热值是同等重量汽油的3倍，在交通、冶金、化工等广泛领域拥有替代化石能源的潜力可持续的清洁零碳能源，万亿市场蓄势待发全球氢能源应用场景中国氢能源应用场景氢能源拥有丰富的应用场景，现阶段主要作为工业原料使用。2021年，全球氢气需求超过9400万吨。我国是全球最大氢气消费国，需求量约2800万吨，占全球的30%；全球来看，氢气主要用于化工(合成氨/合成甲醇)和炼油我国氢气应用领域同样以化工为主，56%的氢气被用于化工合成，9%用于炼油，16%作为尾气直接燃烧，氢作为能源的应用程度不高交通建筑电力可持续的清洁零碳能源，万亿市场蓄势待发时间时间政策政策/文件名称文件名称内容内容2020年10月节能与新能源汽车技术路线图2.0 版2030-2035 年实现氢能及燃料电池汽车的大规模应用，保有量达 100 万辆2020年9月关于开展燃料电池汽车示范应用的通知“以奖代补”开展燃料电池汽车核心技术产业化攻关和示范应用奖励2020年4月中华人民共和国能源法（征求意见稿）首次从法律上将氢能列入能源范畴时间时间政策政策/文件名称文件名称内容内容2021年12月2022年能源工作七大重点任务“加快推进能源科技创新”，提出推动氢能技术装备攻关、产业创新等2021年12月“十四五”工业绿色发展规划指出加快氢能技术创新和基础设施建设，推动氢能多元利用2021年11月加强产融合作推动工业绿色发展指导意见引导企业加大可再生能源使用、推动电能、氢能等替代化石燃料；加快加氢站等基础设施建设运营2021年11月2030 年前碳达峰行动方案从应用领域、化工原料、交通、人才建设等多个方面支持氢能发展2021年3月“十四五”规划和2035 年远景目标纲要在氢能与储能等前沿科技和产业变革领域，实施未来产业孵化与加速计划2021年2月加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系提升可再生能源利用比例，因地制宜发展水能、地热能、氢能等时间时间政策政策/文件名称文件名称内容内容2023年1月新型电力系统发展蓝皮书氢燃料电池车、氢储能等应用环节推广；长期实现电能与氢能深度融合利用2022年3月2022年能源工作七大重点任务明确了氢能的战略定位并提出了一系列阶段性目标国家层面日益重视和认可氢能的战略重要性，加强对氢能的布局，明确了氢能源的战略定位；中央及地方陆续发布了系列支持氢能源发展的政策文件，推动中国氢能源产业发展开启新篇短期内多路径共存，电解水制氢将成为未来主流路径一、制氢路径对比一、制氢路径对比二、未来发展趋势二、未来发展趋势一、灰氢发展概况一、灰氢发展概况二、碳捕捉二、碳捕捉（一）碳捕捉三大技术路径定义及对比（二）DAC技术优势（三）DAC技术市场空间及应用场景（四）DAC经济性分析（五）DAC细分技术路径（六）DAC国内外进展（七）碳捕捉环节及DAC技术主要结论一、蓝氢路线对比一、蓝氢路线对比二、蓝氢提纯环节二、蓝氢提纯环节一、清洁电力端一、清洁电力端【新材料-纳米硅】（一）纳米硅概念（二）纳米硅生产工艺与技术路径（三）纳米硅应用场景（四）纳米硅主要结论【先进国产替代-过滤提纯设备】二、电解槽端二、电解槽端（一）电解槽技术概览（二）碱性电解水制氢（ALK）（三）质子交换膜技术（PEM）（四）高温固体氧化物电解水（SOEC）（五）阴离子交换膜电解水（AEM)短期内多路径共存，电解水制氢将成为未来主流路径一、核能制氢一、核能制氢（一）核能制氢概念及定义（二）核能制氢技术路径及对比（三）核能制氢国内外进展（三）核能制氢主要结论二、光催化制氢二、光催化制氢（一）光催化制氢概念及技术原理（二）光催化制氢技术路径（三）光催化制氢国内外进展（四）光催化制氢主要结论三、生物质制氢三、生物质制氢（一）生物质制氢概念及技术原理（二）生物质制氢技术路径（三）生物质制氢国内外进展（四）生物质制氢主要结论四、超临界水制氢四、超临界水制氢（一）超临界水制氢概念及技术原理（二）超临界水制氢技术路径（三）超临界水制氢国内外进展（四）超临界水制氢主要结论2023.6 Sixsigma R制氢概述短期内成本因素主导，长期由零碳引领制氢路径对比-短期内由经济性优势主导，零碳/负碳属性是长期决胜关键化石燃料制氢化石燃料制氢（灰氢灰氢）以煤或天然气为原料，技术成熟、成本最低，但碳排放量最高；随煤价波动与其他制氢方式规模化应用带来的成本下探，其成本优势不断减弱;加之化石燃料的不可再生性与减排压力，其扩张空间有限，以存量市场为主；存量产能需结合碳捕捉技术，以降低碳排放工业副产氢工业副产氢（蓝氢蓝氢）在氯碱、轻烃利用等化工产品生产时同时获得副产氢，该技术制氢成本较低，经济效益显著，但氢只作为生产的副产品，氢气的制备规模取决于主产品制备规模，难以实现稳定的大规模供应，无法作为长期稳定的氢气来源，只作为补充性氢源与短期内的过渡路线电解水制氢电解水制氢（绿氢绿氢）利用水的电解反应制备氢气，实现零碳排；目前成本仍是制约其大规模应用的关键因素，其成本主要在于清洁电力端电价（全离网风光耦合）与设备端（电解槽等关键设备固定投资），伴随着清洁电力电价与电解设备价格下探，规模化应用后环境效益与经济效益双优势凸显，将逐步成为主流制氢路径氢气制取目前主流三大路径为：化石燃料制氢化石燃料制氢（灰氢灰氢）、工业副产氢工业副产氢（蓝氢蓝氢）、电解水制氢电解水制氢（绿氢绿氢），此外还存在着光催化光催化制氢制氢、超临界水制氢超临界水制氢、生物质制氢生物质制氢、核能制氢核能制氢等若干新兴技术路线（一般是与三大主流制氢路径耦合）。短期内，经济性是各技术路径应用快慢的主导因素；中长期看，零碳/负碳属性及可持续性是关键2023.6 Sixsigma R制氢概述短期内成本因素主导，长期由零碳引领未来发展趋势-当前灰氢为主，绿氢不断渗透成确定性主流制氢路径目前全球氢气制取仍以灰氢为主，2021年全球氢气产量达9400万吨，其中灰氢占比80%以上，清洁制氢（电解水/化石燃料+CCUS）占比不足1%。中国2022年氢气产量达3781万吨，产氢规模占全球1/3以上，但同样也以灰氢为主（80%），清洁制氢占比较低据IEA预测，2030年全球氢气产量将达1.8亿吨，较2021年实现翻倍；其中增量产量将主要由电解水制氢提供。电解水制氢产量将由2021年的4万吨级大幅升至6170万吨；耦合CCUS的化石燃料制氢产量将从2021年的60万吨增至3300万吨，清洁制氢方式将成为主流62%19%0.70%18%0.70%0.04%2021年全球氢气生产结构天然气制氢煤制氢石油制氢化工副产氢化石燃料+CCUS电解水制氢63.50%13.80%21.20%1.50%2021年中国氢气生产结构煤制氢天然气重整制氢化工副产氢电解水制氢40.00%18%8%34%2030年全球氢气生产结构化石燃料制氢（无CCUS）化石燃料+CCUS工业副产氢电解水制氢2023.6 Sixsigma R灰氢最为成熟、应用广泛，提纯与碳捕捉环节蕴含新机遇中国灰氢发展概况-煤制氢为主，早期新机会有限，重点关注先进提纯及碳捕捉技术煤制氢核心设备是煤气化炉，为大型化工设备，前期固定投资高，适于大规模集中化生产，目前主要玩家为拥有大型煤气化设备的国资或大型民营化工企业，产能产量稳定，增量空间有限;且目前成本受煤价影响变化显著，随着其他制氢路径的规模化应用带来的降本，该路径经济性优势也将逐步丧失目前化石燃料制取氢虽占比较高，但该方式制取的氢气杂质多、纯度低，需经提纯才可用于下游的燃料电池等；且煤制氢/天然气制氢会排放大量二氧化碳（煤制氢约19kg CO2/kg H2、天然气制氢约为10kgCO2/kg H2），需结合碳捕集利用封存技术以降低碳排（煤制氢结合CCUS后碳排降低至2 kgCO2/kg H2，但成本会增加12元/kg，近乎翻倍）故我们认为灰氢制取路径的早期投资机会点在于先进的提纯及碳捕捉技术环节故我们认为灰氢制取路径的早期投资机会点在于先进的提纯及碳捕捉技术环节化石燃料制氢煤制氢天然气制氢煤在气化炉中与水蒸气发生分步反应制备氢气天然气中甲烷与水蒸气发生分步反应生成氢气（反应前需进行脱硫处理，以防催化剂中毒）中国天然气制氢路线经济性较差，化石燃料制氢以煤制氢为主 中国化石能源储量“富煤少气”特点 中国天然气含硫量高，预处理工艺复杂2023.6 Sixsigma R灰氢最为成熟，应用广泛，提纯与碳捕捉环节蕴含新机遇碳捕捉环节-中短期内固定碳源传统CCUS为主，长期来看DACCS将成为增量主力碳捕捉三大技术路径定义及对比碳捕捉三大技术路径定义及对比在碳的捕集、输送、利用与封存环节中，碳捕集是CCUS过程中能耗与成本最高的环节，目前碳捕集技术可分为传统的碳捕集（传统CCUS）、生物质碳捕集（BECCS）、直接从空气捕集二氧化碳（DACCS）三种技术路径传统CCUS捕捉一般指化石燃料电厂、化工等固定碳源场景下对二氧化碳的捕集利用封存技术，该技术通过吸入固定碳源场景生成的工业排放其他，通过吸附剂的吸附实现碳捕捉指CO2由植被从大气中提取出来，然后在生物质燃烧时从燃烧产物中回收CO2的过程。该技术要求生物质燃烧过程也必须由清洁能源提供，且需保证生物质原料的稳定供应空气通过工业级风扇吸入DAC系统，使空气通过固/液态吸附剂，去除CO2并将其余空气返回大气并输出CO2；而完成捕集后的吸附剂通过变温变压等进行吸附剂再生，可再次应用传统CCUSBECCSDACCS2023.6 Sixsigma R碳捕捉三大技术路径定义及对比碳捕捉三大技术路径定义及对比灰氢最为成熟，应用广泛，提纯与碳捕捉环节蕴含新机遇碳捕捉环节-中短期内固定碳源传统CCUS为主，长期来看DACCS将成为增量主力目前分布碳源占3成未来碳源将更加分散化运输成本运输成本地方政策地方政策中国人多地少的基本国情坚持18亿亩耕地红线国策地方财政依赖土地出让严重，用地管控严格碳源与适宜封存地/使用场景距离长，需运输且运输成本高能源电力化工冶金交通建筑其他 能源化工工业集中的东部地带财政土地依赖程度平均达80%半数以上省份财政土地依赖程度超50%适宜封存区 能源/化工集中区跨区封存、不同工业园区储运等均涉及到运输，带来较高的运输成本18 亿亩DACCS-“百搭”路径及未来长期降碳增量主力贡献路径：更好满足分布源捕捉降碳需求可实现捕捉、封存地点一致，省去成本高昂的运输环节及土地成本可提供泄露保险，为CCUS提供补充材料再生，可实现碳循环闭回路碳源结构碳源结构耕地资源耕地资源2023.6 Sixsigma R灰氢最为成熟，应用广泛，提纯与碳捕捉环节蕴含新机遇碳捕捉环节-中短期内固定碳源传统CCUS为主，长期来看DACCS将成为增量主力碳捕捉三大技术路径定义及对比碳捕捉三大技术路径定义及对比降碳能力降碳能力经济成本经济成本产业化进程产业化进程选址灵活性选址灵活性中国国情适应性中国国情适应性传统传统CCUS减排技术,只能解决新排碳源，存量碳无法解决低（在特定场景）中国水泥、火电等场景已有示范项目碳源要求最高灵活性最低中短期市场为主，长期增量空间有限BECCS负碳技术可实现负碳中无占地面积大灵活性中等原料供应严重不足：生物质资源空间分布不均，需大量土地来实现稳定的原料供应，但与中国可用土地资源紧张国情冲突DACCS负碳技术可实现负碳高国外已初步商业化，国内初步商业化正开启碳源要求最低、最普遍灵活性最高除固定中高浓度碳源外，还有近50%的排碳量场景CCUS无法覆盖，是中国未来增量空间最大的技术路径降碳能力最强巴黎气候协定指定未来唯二负碳路径碳源要求最低应用场景最为普遍适应性最强经济性价比高在空气压缩储能辅助下可大幅降低成本解决运输问题选址布置灵活可直接布置到应用地从传统CCUS、BECCS、DACCS三大技术路径对比看，DACCS具备降碳能力突出、适应性强等多种路径优势，有望成为中长期的主流捕碳技术DAC技术优势技术优势2023.6 Sixsigma R0184019902020时间表二氧化碳浓度PPM28034042002020年后，受各国减排影响，增速有所放缓未来BECCS+DACCS空间空间CCUS+BECCS+DACCS空间空间0112529碳捕获能力（GtCO2）封存成本（美元/吨）1002003000未来400天然碳汇（造林、天然气化工捕获封存）工业CCUS成本与碳浓度成反比BECCSDACCS具有无限脱碳能力DAC具备近乎无限的降碳能力具备近乎无限的降碳能力DAC拥有更加巨大的存量碳市场拥有更加巨大的存量碳市场CCUSDACCS固定碳源新排放空间固定碳源补充空间+分布碳源新排放空间分布碳源新排放空间+巨大的存量碳空间巨大的存量碳空间DAC技术优势技术优势灰氢最为成熟，应用广泛，提纯与碳捕捉环节蕴含新机遇碳捕捉环节-中短期内固定碳源传统CCUS为主，长期来看DACCS将成为增量主力2023.6 Sixsigma R2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021.2030 2040 205077009000万万6.2亿亿9.8亿亿单位：吨单位：吨0510152025203020402050BIOMASSDAC中短期来看，在巨大的需求驱动下，DAC技术碳捕捉增量空间最大：到 2030年，直接空气捕获的二氧化碳（DAC）可达 9000万吨/年，目前为7700吨/年。到 2040年，这一数字将显著增加到 6.2亿吨亿吨。到 2050年，该数字将达到 9.8亿吨亿吨。20202050年，通过直接空气捕获将累计捕获约120亿吨二氧化碳，占该时期所有碳捕获增量的 11%。到 2050年，通过直接空气捕获的二氧化碳将占碳排放量的 13%左右DAC技术碳捕获量预计技术碳捕获量预计IEA预计至预计至2050年年DAC项目发展情况项目发展情况单位：亿吨单位：亿吨DAC技术技术市场空间及应用前景市场空间及应用前景灰氢最为成熟，应用广泛，提纯与碳捕捉环节蕴含新机遇碳捕捉环节-中短期内固定碳源传统CCUS为主，长期来看DACCS将成为增量主力参考资料：IEA2023.6 Sixsigma RDAC技术技术市场空间及应用前景市场空间及应用前景绿色甲醇是全球公认碳中和必由之路，DAC捕集的CO2可作为甲醇工业原料，且通过生成绿色甲醇，DAC技术实现循环利用产业基础：产业基础：中国甲醇产业体系可完全承接DAC技术耦合甲醇是清洁的含氧液体燃料，储运用便捷，资源丰富，用途广泛；中国是最大的甲醇生产/消费国，中国拥有最为完备且庞大的甲醇工业体系，DAC与绿色甲醇工业耦合的产业基础、市场渠道体系十分成熟完善全球甲醇产能分布（2020年）中国美洲中东其他中国-67%下游需求拉动：下游需求拉动：航运业承担全球80%贸易运输任务，正面临更严苛的“脱碳”考验。全球航运业温室气体排放每年已超10 亿吨。其中CO2达98%。航运业减排成效的核心在于可替代燃料的生产和供给，即清洁燃料的布局国际航运巨头、世界500强马士基航运公司选择对氨、甲醇、生物柴油以及木质素等4种燃料进行研究测试，并宣称将于2023 年启用以甲醇为燃料的支线集装箱船。拥有目前世界上最为庞大的甲醇动力船队政策驱动：政策驱动：2021年，欧盟出台了新的ISCC（碳认证）文件；2023年初，欧盟通过了可再生能源指令（RED）要求的两项授权法案；系列文件针对可再生氢提出了详细的定义与界定规则，要求氢气必须由清洁能源生成，甲醇必须为绿色甲醇，否则将面临禁止生产或高额的碳税而绿色甲醇的CO2来源需要为生物质基的CO2或空气捕捉的空气捕捉的CO2，即：路径一：绿色甲醇=可再生氢（绿氢）+来自生物质能CO2排放捕集：即CO2来自生物质相关产业，比如秸秆发电路径二：绿色甲醇路径二：绿色甲醇=可再生氢（绿氢）可再生氢（绿氢）+直接空气直接空气捕获捕获 CO2：即CO2来自直接空气捕捉（DAC）灰氢最为成熟，应用广泛，提纯与碳捕捉环节蕴含新机遇碳捕捉环节-中短期内固定碳源传统CCUS为主，长期来看DACCS将成为增量主力2023.6 Sixsigma R不同不同CO2浓度下的浓度下的CO2捕获成本捕获成本by IEA，2022高昂的经济成本成为制约高昂的经济成本成为制约DAC技术快速铺开的唯一制约因素技术快速铺开的唯一制约因素。DAC技术经济成本高的主要由于从空气中直接捕获CO2，空气中二氧化碳浓度远低于固定碳源场景，造成其捕获过程中所消耗的能源及材料损耗量大，随着吸附剂不断研发和工艺流程的不断优化，随着吸附剂不断研发和工艺流程的不断优化，2020年年DAC技术的平均捕技术的平均捕获成本已经从获成本已经从2011年年610-780美元美元/t CO2，降至目前，降至目前222-463美元美元/t；二氧化碳浓度越高，碳捕获的成本越低，如果DAC捕获前可提升二氧化碳浓度，则其经济成本甚至可低于一般的CCUSDAC碳捕获过程示意碳捕获过程示意空气DAC捕集产出CO2空气捕集吸附材料能源消耗产出CO2低二氧化碳浓度空气浓度浓度上升上升成本成本下降下降DAC技术经济性分析技术经济性分析灰氢最为成熟，应用广泛，提纯与碳捕捉环节蕴含新机遇碳捕捉环节-中短期内固定碳源传统CCUS为主，长期来看DACCS将成为增量主力预计到2050年，高温液态吸收型平均捕捉成本可以降至82美元/t，低温固态吸附型可降至62美元/tCO2，在使用低温废热（100左右）情况下，还可降至37美元/t；而变湿吸附技术由于不需要高温热源，其有望成为成本最低的技术路径，达30-40美元/tDAC成本预测成本预测参考资料：IEA2023.6 Sixsigma R灰氢最为成熟，应用广泛，提纯与碳捕捉环节蕴含新机遇碳捕捉环节-中短期内固定碳源传统CCUS为主，长期来看DACCS将成为增量主力DAC细分技术路径细分技术路径从具体技术路径来看，目前液体变温吸收、固体胺基变温技术应用最广，国际DAC代表厂商Climeworks（固体变温）、Global Thermostat（固体变温）、Carbon Engineering（液体变温）均采用此类路线；但该路线能耗巨大，经济成本下降空间有限；新型路线新型路线-变湿吸附、变湿吸附、电化学吸附则热依赖较小，能耗较小，但难点在于技术突破电化学吸附则热依赖较小，能耗较小，但难点在于技术突破 液体液体吸收技术（强碱液）吸收技术（强碱液）反应原料成本低、技术成熟度高强碱溶液，易腐蚀热依赖高(650)，能耗较大(300 kJ/mol)液体液体吸收技术（强碱液）吸收技术（强碱液）技术成熟度较高负载胺易降解100蒸汽，热依赖高 新型电化学技术新型电化学技术 变湿吸附技术变湿吸附技术技术成熟度低，实验室阶段常温操作，热依赖小易耦合可再生能源成熟度较高，对材料性能要求高材料稳定性好，常温操作，热依赖小易耦合可再生能源2023.6 Sixsigma R灰氢最为成熟，应用广泛，提纯与碳捕捉环节蕴含新机遇碳捕捉环节-中短期内固定碳源传统CCUS为主，长期来看DACCS将成为增量主力DAC技术国外进展技术国外进展政策支持政策支持巨头布局巨头布局代表公司代表公司自 2020 年以来，美国政府已提供 35 亿美元亿美元用于发展四个 DAC 产业群45Q 法案法案:加州加州 LCFS:2020 年，美国国会批准投入 3500 万美元用于 DAC 技术研发2021 年 8 月，美国能源部为 DAC 相关项目提供 2400 万美元资金2021 年 10 月，美国能源部宣布提供 1450 万美元支持DACCS技术直接资金支持直接资金支持:为 DAC 厂商提供每吨 35-50 美元税收抵免任何规模 DAC 工厂均可获得信贷抵免政策（每吨约 200 美元）美国联合航空公司：美国联合航空公司：通过主动投资数百万美元研发 DAC 技术减少飞机飞行时二氧化碳排放量雪佛龙雪佛龙、埃尼埃尼、Aerion Supersonic：关 注 DAC 技术捕获的二氧化碳与绿氢合成甲醇技术，提供超低碳强度的燃料西方石油公司西方石油公司Oxy 低碳风投：低碳风投：拟于 2024 年在德克萨斯建多个二氧化碳捕获工厂，年捕获能力 100 万吨，为油气 EOR 提供原料，提高油气采收率10%-20%，实现油气生产完全碳中和Climeworks DACCS设备图Climeworks：2022年获得 DAC 领域最大单笔投资（6.5 亿美元），于 2017 年建造 了世界首座 DAC 试验场，年捕获量 900 吨，目前在欧洲运行 16 家试验工厂，即将建成 Orca 项目年捕获量可达4000吨Global Thermostat：获埃克森美孚公司大额投资，固体胺基路线，其热源为工业余热或废热Carbon Engineering：液体吸附捕获，同时研究利用收集CO2结合绿氢，生成甲醇和副产品2023.6 Sixsigma R灰氢最为成熟，应用广泛，提纯与碳捕捉环节蕴含新机遇碳捕捉环节-中短期内固定碳源传统CCUS为主，长期来看DACCS将成为增量主力DAC技术国内进展技术国内进展自3060双碳目标提出及“十四五”来，国务院、国家发改委、科技部、生态环境部等国家部委制定并发布了一系列支持和促进碳捕捉碳利用技术研发与示范的政策；国内的先进DAC技术集中与浙江大学、上海交通大学、天津大学等科研院所机构，正处于技术初步商业化前窗口期阶段持续的政策支持持续的政策支持明确提及明确提及DAC作为碳中和新方向作为碳中和新方向中国中国科技支撑碳达峰碳中和实施方案科技支撑碳达峰碳中和实施方案提出提出（2022-2030年）专栏专栏5 前沿和颠覆性低前沿和颠覆性低碳技术碳技术空气空气中二氧化碳直接捕集技术中二氧化碳直接捕集技术（DAC）。加强空气中直接捕集二氧化碳技术理论创新，研发高效、低成本的空气中二氧化碳直接捕集技术2023.6 Sixsigma R灰氢最为成熟，应用广泛，提纯与碳捕捉环节蕴含新机遇碳捕捉环节-中短期内固定碳源传统CCUS为主，长期来看DACCS将成为增量主力碳捕捉环节及碳捕捉环节及DAC技术主要结论技术主要结论从碳捕捉的三大技术路径来看，传统CCUS适用于短期内的固定场景新排碳的捕捉及降碳，BECCS虽然为负碳技术，但结合实际国情，该技术只能作为特定场景的补充路径；而DAC技术技术为为负碳路径负碳路径，可解决大量存量碳可解决大量存量碳，并且是欧盟碳认证指定的绿色并且是欧盟碳认证指定的绿色甲醇等工业品的原料获取方式甲醇等工业品的原料获取方式，是未来确定性的碳捕捉路径是未来确定性的碳捕捉路径DAC细分技术领域来看，固体胺类变温吸附是目前较为成熟的工艺，也是国际DAC龙头厂商目前主流应用的吸附工艺，但该路线能耗高；变湿吸附由于不靠温度的变化来实现二氧化碳的收集与排放，性能与经济性优势突出，但吸附材料及制备工艺存在着极高的技术壁垒从产业链上下游的角度，我们认为，受制于技术成熟度及商业化速度，DAC在中短期内成本会仍保持较高水平；对于DAC运营厂商，其经济性方面不具备优势；但受制于政策端压力（欧盟绿氢标准出台等），其应用市场将逐步打开，如配备至合成甲醇制备工业内，为其提供高纯度二氧化碳作为原料等，政策性机会较大而DAC技术领域早期投资机遇：技术路径端在于先进的变湿吸附材料及工艺设备；产业链条端在于能够为DAC国际（目前阶段看）龙头厂商/甲醇工业制备商提供先进DAC设备的上游原材料/设备厂商2023.6 Sixsigma R蓝氢经济效益突出的中短期过渡路线合成甲醇/氨未来前景广阔，设备环节后期投资潜力较大工业副产氢指生产化工产品时同时得到的副产物氢气，也被成为“蓝氢”，成本介于化石燃料制氢和电解水制氢之间。目前工业副产氢主要有焦炉煤气、氯碱化工、轻烃利用（丙烷脱氢、乙烷裂解）、合成氨合成甲醇等工业副产。目前，国内工业副产氢部分作为化工原材料或锅炉燃料使用，也存在部分放空，整体使用效率较低。工业生产与制氢用氢耦合可有效提升其经济效益，氢气的制取成本在9.3元-22.4 元/kg之间，低于电解水制氢，可作为制氢的中短期过渡路线目前我国工业副产氢供应潜力超过我国工业副产氢供应潜力超过450万吨万吨，主要产能来自于焦炉煤气副产氢。目前，焦炭和氯碱工业产能规模稳步下降，但体量较大，弃氢存在提纯利用空间；轻烃利用处于成长期，产能不断爬升，且副产氢纯度高，存在增量投资需求；合成氨合成甲醇工业较为成熟，随着氢能推广，氨和甲醇有望作为燃料或储氢介质加以应用，未来存在增长空间050100150200250300轻烃利用副产氢氯碱副产氢焦炉煤气副产氢合成氨合成甲醇副产氢年制氢潜力（万吨）2023.6 Sixsigma R蓝氢经济效益突出的中短期过渡路线合成甲醇/氨未来前景广阔，设备环节后期投资潜力较大轻烃利用法包括丙烷脱氢和乙烷裂解两种，该路径产出的副产氢气纯度较高，提纯难度较低，且近年来产能不断提升。随着氢能源的规模化应用，轻烃利用相关产业有望得到进一步的发展，从而带动制备和提纯设备投资需求焦炭、氯碱产业体量庞大，存在大规模弃氢，提纯后可作为低成本的氢源。其产业发展业已成熟，产能规模稳中有降，总体体量仍十分庞大。并且副产氢利用不充分，放空的氢气存在提纯利用的空间合成氨、合成甲醇工艺成熟，未来前景广阔：合 成氨/甲醇均使用氢作为原料，合成驰放气含18-55%氢气，可提纯利用。目前氨主要用于化肥合 成，甲醇主要作为燃料和多种有机化工原料，合成技术均较为成熟。随着氢能的推广，氨和甲醇作为燃料或储氢介质的应用前景受到重视，未来绿氨、绿色甲醇推广应用有望进一步打开市场空间丙烷脱氢乙烷裂解焦炉煤气氯碱工业合成氨/合成甲醇特点副产粗氢纯度较高，可达99.8%，PSA提纯后可用于燃料电池等高纯氢应用场景纯度较高，副产氢气纯度达95%以上，PSA提纯后可用于燃料电池等高纯氢应用场景焦炭行业弃氢问题严重，燃料氢原料成本低，且单厂生产规模大，适用于集中生产供应产能较分散，适合短距离、小规模、分布式供氢合成甲醇/合成氨均以氢气为原材料，生产过程中的合成放空气及驰放气仍含有18-55%氢气，可回收提纯后外供目前发展概况石化行业副产氢的主要来源，副产氢产能约44.5万吨/年大部分为规划/在建状态焦炭行业产能过剩，副产物焦炉煤气利用不充分，全国焦化行业理论副产氢产能约为271万吨/年产能过剩，目前我国每年40%左右氯碱副产氢作为锅炉燃料或直接放空，可利用副产氢产能约为33万吨/年可回收供应副产氢潜力约为118万吨/年经济性（元/kg）14-20.29.3-14.913.4-20.214.6-22.42023.6 Sixsigma R蓝氢经济效益突出的中短期过渡路线合成甲醇/氨未来前景广阔，设备环节后期投资潜力较大变压吸附法（PSA）深冷分离法膜分离法分离原理分离原理利用固体材料对气体混合物的选择性吸附以及吸附量随压力改变而变化的特点，通过周期性改变压力来吸附和解吸，从而实现气体的分离和提纯利用各组分沸点的差异，将混合气体制冷后实现分离两个或两个以上组分的流体或气体在容器中通过一固体膜，利用膜材料的选择性将某种成分或一组分子大小接近的成分和流体中其他组分分离组份间吸附能力的差异组份间挥发度的差异选择渗透性设备占地面积设备占地面积中等大较小投资成本投资成本中高低（但研发成本高）产品纯度产品纯度99.99%以上99%以上90%左右能量投入能量投入流体输送，变压流体输送，变压，变温流体输送特点特点氢气分离纯化中工业化应用最早、最广泛的工艺，原料气组分要求高，氢组分体积分数不能低于50%;PSA装置不需要复杂的预处理，操作方便、氢气纯度高；设备占地和投资中等，适合中小型企业生产。此外，PSA亦可用于CO2的捕集;目前工业生产中最成熟的气体分离工艺，通常适用于组成复杂、纯度要求高以及同位素的分离。深冷分离的设备投入、操作复杂度、能量投入都较高，适合大规模连续生产，可以得到各个组分的纯气体操作相对简单;一级膜分离时得到的氢气纯度相对较低;多级膜分离提纯时，需逐级对产品气加压，投资和运行成本较高化石燃料制氢和化工副产氢均需经过提纯工序，产品纯度和特定杂质含符合燃料氢气标准后方可用于燃料电池等高纯度用氢场景。目前氢气提纯的方式主要有变压吸附（PSA）、深冷分离（低温精馏）、膜分离、色谱分离和吸收法等。其中变压吸附法和深冷分离法最为成熟。变压吸附法产品纯度高、设备投资成本适中，目前应用最为广泛；而深冷分离法则适用于集中大规模生产，作为可规模化的提纯工艺，未来应用空间广泛2023.6 Sixsigma R绿氢制氢“终极路线”，清洁能源与电解设备均蕴含巨大市场清洁电力端-光伏、风电已成熟，国产替代设备、新材料等垂直领域仍蕴藏巨大机遇概念及定义：概念及定义：纳米硅即微晶硅（c-Si），是多晶硅的一种，也叫氢化微晶硅（uc-Si:H）和纳米晶硅（nc-Si:H），主要结构是在非晶硅网格中存在大小10nm的晶粒，在实际的制作非晶硅中，加长通氢气的时间可得到微晶硅，提高电子迁移率。微晶硅微晶硅/非晶硅非晶硅/多晶硅区别多晶硅区别材料类别材料类别多晶硅多晶硅p-Si非晶硅非晶硅a-Si微晶硅微晶硅c-Si迁移率（cm2/V*s）500.5-11TFT特性均匀性差优优工艺复杂度简单简单简单大面积制作难易度难易易输出电流稳定性优差差阈值电压均匀性差优优成本高低低参考资料：OLEDindustry非晶硅非晶硅多晶硅多晶硅纳米硅：在非晶硅网格中镶嵌10nm大小的晶粒纳米硅/微晶硅-多晶硅的一种晶粒：几百纳米到几百微米-纳米硅/非晶硅/多晶硅 区别-【新材料新材料】-纳米硅纳米硅-概念及定义概念及定义2023.6 Sixsigma R绿氢制氢“终极路线”，清洁能源与电解设备均蕴含巨大市场清洁电力端-光伏、风电已成熟，国产替代设备、新材料等垂直领域仍蕴藏巨大机遇【新材料新材料】-纳米硅纳米硅生产工艺及技术路径生产工艺及技术路径目前纳米硅粉的制备方法主要有机械球磨法、化学气相沉积法、等离子蒸发冷凝法三种。西方国家起步较早，已有如日本帝人、美国杜邦、德国H.C.Stark、加拿大泰克纳等成熟企业，均能够应用等离子蒸发冷凝法生产多种不同粒度的高纯度纳米硅粉，生产技术领先。国内研制起步晚、制造水平相对落后，目前主要采用机械球磨法，少部分高校和科研院所在实验室规模可以通过化学气相沉积法和等离子蒸发冷凝法制备纳米硅粉，但无法批量化生产，高性能纳米硅粉制备环节尚未实现国产自主可控制备方法制备方法技术原理技术原理优势优势劣势劣势成熟度成熟度机械球磨法机械球磨法利用机械旋转及粒子之间的相互作用产生的机械碾压力和剪切力将尺寸较大的硅材料研磨成纳米尺寸的粉末对于设备及制备工艺要求门槛较低研磨需加入助磨剂，易引入杂质，产品纯度较低，且颗粒为不规则状，粒径不能有效控制，后处理繁琐，生产效率低且能耗高目前国内主流的应用方案化学气相沉积法化学气相沉积法以硅烷为反应原料。根据诱发原料热解能量源不同，可分为等离子增强化学气相沉积法(PECVD)、激光诱导化学气相沉积法(LICVD)和流化床法(FBR)可以产出较高品质的硅粉以硅烷为原料，属于易燃易爆气体，不利于输运和储存自1970S发展至今，PECVD和LICVD是目前纳米硅粉最主要的工业生产技术等离子蒸发冷凝法等离子蒸发冷凝法过等离子热源将反应原料气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过快速冷凝技术，冷凝为固体粉末优势：优势：等离子体局部电子温度(Te)、离子温度(Ti)以及气体温度(Tg)几乎一致，可达10000 K以上，适合制备与合成各类金属纳米粉体以及碳化物、氮化物纳米粉体；产出的纳米硅粉纯度高、粒度可控、生产效率高近10年来用于制造高纯、超细、球形、高附加值粉体的新型安全高效方法，国外已成熟应用到工业化生产2023.6 Sixsigma R绿氢制氢“终极路线”，清洁能源与电解设备均蕴含巨大市场清洁电力端-光伏、风电已成熟，国产替代设备、新材料等垂直领域仍蕴藏巨大机遇【新材料新材料】-纳米硅纳米硅应用场景研究：场景应用场景研究：场景1 光伏微晶硅薄膜光伏微晶硅薄膜光伏电池可分为三代：第一代晶硅电池，目前应用最为广泛也最为成熟，市占达95%以上，但硅料要求高（需高纯硅料）、生产工艺复杂。第二代与第一代相比，所需原料大大减少，易大面积生产，成本优势突出。第三代为新型光伏电池，如钙钛矿等路线，尚处持续研发迭代阶段。而纳米硅可应用于第二代硅基薄膜光伏电池-微晶硅薄膜电池的制备原料技术路径技术路径特点特点光电转化效率光电转化效率第一代硅晶太阳能电池（占比95.9%）单晶硅消耗大量高纯硅，高纯硅工艺复杂，电耗极大，污染大26.3%多晶硅相比单晶硅，降低能耗和污染，成本低，更环保22.5%第二代薄膜太阳能电池（占比4%）硅基薄膜非晶硅薄膜电池转化效率较低，且存在光致衰退效应13.0%多晶硅薄膜薄膜多晶硅既具有晶体硅的高效率和稳定性，又保持了薄膜电池成本低的优点13.0%微晶硅薄膜太阳能电池微晶硅薄膜太阳能电池光谱响应更宽、基本无光致衰退效应光谱响应更宽、基本无光致衰退效应12.5%化合物半导体薄膜碲化镉(CdTe)薄膜可柔性化和透明化等特点，在汽车及建筑行业的有广泛的前景；Cd和Te元素会对环境产生危害24.7%砷化镓(GaAs)薄膜工艺复杂、成本高等限制其民用发展，目前主要用于航天空间科学领域26.1%铜铟镓硒(CIGS)薄膜合成过程相当复杂导致工艺成本很高，同时In元素目前稀缺，Cd对环境不友好22.3%第三代新概念太阳能电池（占比0.1%）染料敏化太阳能电池(DSSCs)使用液态电解质容易腐蚀电极导致电解质泄露，目前稳定性仍有待提升10.7%钙钛矿太阳能电池(PSCs)电池效率容易产生衰减，还有待通过稳定性规范、老化标准等测试23.6%量子点太阳能电池(QDSCs)理论效率（44%）远超一二代太阳能电