2022年9月至11月，东华能源与中国核电先后签署《战略合作协议》，并共同出资设立合资公司，推进高温气冷堆项目，主攻第四代高温气冷堆核能制氢。本篇报告尝试从高温气冷堆出发，解释清楚究竟什么是核能制氢，东华能源未来的核能制氢战略是怎样的？
　　高温气冷堆属于第四代核反应堆，以氦气作冷却剂，以石墨作慢化剂核堆芯结构材料，反应堆堆芯氦气出口温度理论可达1000℃。高温气冷堆具备两大特性：①固有安全性，指不依靠人为干预、仅仅利用自然规律使反应堆自动冷却的安全特性；与目前主流的压水堆不同的是，高温气冷堆用氦气代替水作冷却剂，用石墨代替水作慢化剂，用陶瓷包覆着的燃料球代替原先的燃料棒，三者在高温下优异的稳定性使得高温气冷堆在物理原理上实现了绝对安全。②高温，相较于压水堆约300℃的出口温度，高温气冷堆800-1000℃的出口温度可适用于制氢、热电联产、化工、冶金等需要高温热源的领域。
　　高温气冷堆提供了制氢需要的热源，其匹配的技术路线主要有两条：固体氧化物电解水制氢（SOEC）和碘硫循环制氢。两者相比，SOEC的商业化成熟度较高，技术路线明确，无需贵金属材料，未来可以通过规模化实现降本，但瓶颈在于单堆功率较低，与核能的大规模工业制氢适配度较低。碘硫循环制氢的尚未实现商业化，初期投资成本大，但具备规模经济性，与核能大规模工业制氢适配度高。放眼全球，美俄日韩等核电大国也均已启动本国的核能制氢工程。
　　在氢能源方面，东华能源目前拥有丙烷脱氢副产氢产能8.6万吨，2021年副产氢销量1.87万吨，实现利润2.14亿元。高温气冷堆项目预计将于2023年开工建设，建设期4年，2027年正式投入使用。项目建成后，高温气冷堆提供的热源：一方面可用于丙烷脱氢工艺（PDH需要在550-650℃的高温下进行），降低脱氢成本；另一方面，可用于匹配SOEC或碘硫循环制氢路线，实现大规模工业制绿氢。
　　风险提示：技术突破不及预期，降本进度不及预期，产业政策不及预期

研究报告全文：产业深度TableMainTableTitle产业研究月报TableAuthor2022121404期产业研究中心作者陈磊探索核能制氢星辰大海电话021-38038037邮箱chenlei022459gtjascom摘要TableSummary资格证书编号S08805220600012022年9月至11月东华能源与中国核电先后签署战略合作协议并共同出资设立作者杨思远合资公司推进高温气冷堆项目主攻第四代高温气冷堆核能制氢本篇报告尝试从高电话021-38032022温气冷堆出发解释清楚究竟什么是核能制氢东华能源未来的核能制氢战略是怎样邮箱yangsiyuan026856gtjascom的资格证书编号S0880522080005作者肖洁高温气冷堆属于第四代核反应堆以氦气作冷却剂以石墨作慢化剂核堆芯结构材料电话021-38674660反应堆堆芯氦气出口温度理论可达1000高温气冷堆具备两大特性固有安全性邮箱xiaojiegtjascom指不依靠人为干预仅仅利用自然规律使反应堆自动冷却的安全特性与目前主流的压资格证书编号S0880513080002水堆不同的是高温气冷堆用氦气代替水作冷却剂用石墨代替水作慢化剂用陶瓷包作者鲍雁辛覆着的燃料球代替原先的燃料棒三者在高温下优异的稳定性使得高温气冷堆在物理原电话0755-23976830理上实现了绝对安全高温相较于压水堆约300的出口温度高温气冷堆800-1000邮箱baoyanxingtjascom的出口温度可适用于制氢热电联产化工冶金等需要高温热源的领域资格证书编号S0880513070005高温气冷堆提供了制氢需要的热源其匹配的技术路线主要有两条固体氧化物电解水往期回顾TableDocReport制氢和碘硫循环制氢两者相比的商业化成熟度较高技术路线明确SOECSOEC脑机技术人机交互的新通路无需贵金属材料未来可以通过规模化实现降本但瓶颈在于单堆功率较低与核能的20221205大规模工业制氢适配度较低碘硫循环制氢的尚未实现商业化初期投资成本大但具正极材料技术迭代高镍化方向探讨20221201备规模经济性与核能大规模工业制氢适配度高放眼全球美俄日韩等核电大国也均储能技术路线选择一从长时储能需已启动本国的核能制氢工程求说起20221023轻运动重社交下一轮城市中产户外在氢能源方面东华能源目前拥有丙烷脱氢副产氢产能86万吨2021年副产氢销量187运动消费红利万吨实现利润214亿元高温气冷堆项目预计将于2023年开工建设建设期4年202210202027年正式投入使用项目建成后高温气冷堆提供的热源一方面可用于丙烷脱氢工氢能专题系列报告三从制氢成本和艺PDH需要在550-650的高温下进行降低脱氢成本另一方面可用于匹配SOEC氢气供求结构看氢市场潜力20220922或碘硫循环制氢路线实现大规模工业制绿氢风险提示技术突破不及预期降本进度不及预期产业政策不及预期请务必阅读正文之后的免责条款部分产业深度目录1什么是高温气冷堆高温气冷堆如何匹配制氢311高温气冷堆的前世今生诞生美国成长西德落地中国312高温气冷堆具备固有安全性和高温特性413高温气冷堆匹配的制氢路线SOECor碘硫循环制氢714全球趋势美俄日韩的核能制氢路线选择92东华能源联手中国核电布局核能制氢大战略9请务必阅读正文之后的免责条款部分2of12产业深度1什么是高温气冷堆高温气冷堆如何匹配制氢要理解高温气冷堆抓住两个关键词高温气冷高温指的是第四代高温气冷堆可以输出700-1000的高温传统压水堆出口只有300左右气冷指的是用氦气对核反应堆进行冷却第二三代核反应堆绝大多数用水作冷却剂高温气冷堆匹配的制氢路线主要包括固体氧化物电解水制氢SOEC和碘硫循环制氢两条路线11高温气冷堆的前世今生诞生美国成长西德落地中国2001年第四代核能系统国际论坛GIF在美国召开确定第四代核电反应堆堆芯包括高温气冷堆熔盐堆超临界水堆钠冷快堆铅冷快堆以及气冷快堆等6种堆型相比前三代核反应堆打补丁式的改进第四代堆从结构反应材料应用上都是全新的设计在原理上实现更高安全性图1四代核能发电技术发展历程资料来源国泰君安证券研究高温气冷堆的设计始于美国工程化于西德目前全球仅中国和日本拥有实际示范运行的堆型1943年美国的FarringtonDaniels在OakRidge实验室完成高温气冷堆的实验但直到1960年由西德Schulten牵头开始实际的工程设计与建设1967年建成高温气冷反应堆AVR并实现并网发电电功率15MW然而1986年的切尔诺贝利事件使得西德政府对核电态度发生了转折高温气冷堆项目AVR受到了严格的监督研发进度滞缓1988年由于燃料球外壳强度的缺陷在处理卡在出口的燃料球时外壳破裂释放了极少量的放射性尘埃基于当时社会对核电的紧张态度AVR被迫关闭实际上Schulten已针对AVR的几次事故做了改进准备开建下一代高温气冷堆HTR-MODUL但受此意外其即将试产的新燃料球请务必阅读正文之后的免责条款部分3of12产业深度生产线也全部作废中国在1970年代末就派出清华学者参加Schulten的团队并且在团队解散后买回了相关图纸和执照带回清华继续研究1995年中国版的HTR-MODUL改称HTR-10在北京市昌平区的清华核研院内开建2000年首次临界2003年实现满功率并网电功率10MW2012年商业版的示范堆在山东荣成石港湾开建2017年底首个反应堆模块完成安装2021年9月高温气冷堆示范电站首次临界12月首次并网发电图2我国高温气冷堆的发展历程资料来源高温气冷堆科普清华大学国泰君安证券研究12高温气冷堆具备固有安全性和高温特性高温气冷堆以氦气作为冷却剂以石墨作为慢化剂与堆芯结构材料反应堆堆芯氦气出口温度理论可达950-1000二回路水蒸气出口温度可以达到700以上目前石港湾高温气冷堆实际氦气出口温度为750二回路水蒸气出口温度566其核反应原理和三代压水堆区别不大本质上都是将核裂变产生的热能通过冷却剂导出并加以利用变成电能等其他能源形式但是在燃料球设计冷却剂以及慢化剂等核心材料上做了优化从而实现固有安全性和高温两大突出特点请务必阅读正文之后的免责条款部分4of12产业深度图3第三代压水堆工作原理资料来源我所认识的核电知乎一是固有安全性从理论上杜绝了核电站的最大安全隐患即堆芯熔化固有安全性是指不依靠人为干预仅仅利用自然规律使反应堆自动冷却的安全特性目前常见的二三代核电站主要依靠电力等能动系统进行冷却或加装应急非能动冷却系统如高处的蓄水池可利用重力进行应急冷却但仍无法根除堆芯熔融的可能性当外界因素的影响大于本身应急能力如福岛核电站二代沸水堆因为地震和海啸的双重作用导致所有供电丧失在应急冷却系统断电抢修人员难以抵达的情况下堆芯余热无法散去会导致堆芯熔融放射性元素外泄表1高温气冷堆和压水堆的比较第四代高温气冷堆第三代压水堆堆芯是核反应发生的场所工作过程主要涉及慢化剂降低中子速度提高核反应发生几率冷却剂带走并循环堆芯核反应释放的热以及核燃料核反应所需的铀燃料及其包裹材料冷却剂氦气慢化剂石墨冷却剂慢化剂普通水一回路中的水作为慢核燃料球床式高温气冷堆燃料球以05mm直径化剂会有放射性为闭式工作循环安全性更高的二氧化铀为核心外圈为四层全包覆陶瓷材料核燃料核燃料芯块是烧结的二氧化铀陶瓷基体形成直径约为092mm的燃料颗粒约12000个燃呈圆柱形最外层为陶瓷内部填充二氧化铀粉料颗粒与石墨一起被填充在直径约60mm的燃料末芯块外部有锆合金包壳一回路系统由钢制容球中器密封反应堆又由安全壳密封由于高温气冷堆采用的冷却剂慢化剂燃料球等出口温度约300水的临界温度是3743超出口温度更高都是耐高温材料堆芯出口温度可达到800-1000过这一温度时无法再增大压力使水液化球床堆工作时可以通过燃料球在堆芯自上而下压水堆机组稳定运行2年左右需停堆换料一次百可持续循环工作的缓慢移动实现不停堆换料万MW级单个压水堆至少停堆1个月由于反应压力容器较大单机功率只有压水堆的功率密度较低技术成熟燃料密度高功率密度高120到130但可模块化组建提高功率投资成本更大技术仍处研究应用阶段投资成本大但具备固技术成熟相较于高温气冷堆成本低请务必阅读正文之后的免责条款部分5of12产业深度有安全性可不建造外部两层安全壳节约成本资料来源国泰君安证券研究燃料球设计将铀燃料层层包裹以保证在高温下不会发生外泄高温气冷堆的球形燃料元件采用TRISOtristructural-isotropic四层包覆技术以二氧化铀为核心外圈为四层全包覆陶瓷材料陶瓷材料能够耐受1600的高温石墨基体在高温下也有非常好的化学惰性和结构强度使得燃料球可以承受极高的温度图4第四代高温气冷堆工作原理及燃料球结构资料来源高温气冷堆科普清华大学采用氦气作冷却剂石墨作慢化剂氮气作为惰性气体性质稳定不会爆炸且腐蚀性和放射吸收性均为零石墨作慢化剂熔点高达2800热稳定性好根据核反应原理裂变产生的快中子在与石墨碰撞后被慢化成为热中子有更大几率与铀235反应热中子与铀235的反应截面即反应几率会随着温度的上升而减小当堆芯温度逐渐升高到1600后链式反应基本就停止了这时即使铀燃料融化球形燃料原件外部包覆的陶瓷材料和氦气石墨等完全可以忍耐温度极值在物理原理上实现了固有安全性二是可产生800-1000的高温适用于制氢热电联产化工冶金等需要高温热源的领域由于堆内核燃料和冷却剂慢化剂等材料均采用耐高温材料以及其使用气体作为冷却剂的特性高温气冷堆的工作温度和冷却剂的堆芯出口温度可以达到其它堆型难以企及的高度8001000对比压水堆慢化剂和冷却剂都是普通水水的临界温度为3743超过这一温度就不存在液态水了而一回路的水需要保持液态不沸腾因而限制了水冷堆的最高出口温度请务必阅读正文之后的免责条款部分6of12产业深度图5不同温度的工业应用场景资料来源高温气冷堆科普清华大学截至2021年底我国大陆地区共有23座核电站在建和运行核电机组71台在运行机组52台全部分布在沿海地区由于2011年福岛核电站事故影响国内对核电站建设一度相当谨慎自2019年后开始有回升2022年1-9月已核准新机组达10台均为第三代压水堆全球已正式投入运行的高温气冷堆仅有两座分别位于中国山东省荣成市日本茨城县大洗町图6中国年度核准新机组数量台图7中国石港湾高温气冷堆161414121010886656444320000000资料来源国家核安全局国泰君安证券研究资料来源华能山东石岛湾核电官网13高温气冷堆匹配的制氢路线SOECor碘硫循环制氢高温气冷堆提供了制氢需要的热源其匹配的技术路线主要有两条固体氧化物电解水制氢SOEC和碘硫循环制氢两者相比SOEC的商业化成熟度较高技术路线明确无需贵金属材料未来可以通过规模化实现降本但瓶颈在于单堆功率较低和核能的大规模工业制氢适配度较低碘硫循环制氢尚未实现商业化初期投资成本大但具备规模经济性与核能大规模工业制氢匹配度高匹配制氢路线一高温固体氧化物电解水制氢SOECSOEC为全固态结构由阴极阳极和电解质组成从技术原理可分为氧离子传导型SOEC和质子传导型SOEC从结构类型可分为平板式和管式请务必阅读正文之后的免责条款部分7of12产业深度以目前常用的氧离子传导型平板式SOEC为例700-1000的水蒸气和循环氢气从阴极进入系统在阴极发生还原反应产生氢气同时生成的氧负离子会经由固体电解质迁移到阳极失电子结合生成氧气图8氧离子传导型SOEC工作原理图9SOEC按结构分为平板式和管式两种资料来源碱性水电解制氢技术综述及展望清华大学资料来源关于核能高温水蒸气电解制氢的研究Alpatent表2SOEC核心部件及材料选择核心部件选用材料功能及材料要求主要作用将阴极产生的氧离子传导至阳极阻隔电子传导并防止阴阳极常用钇稳定氧化锆YSZ的产生的氢气和氧气相互接触电解质导电陶瓷材料材料要求极高的离子传导率和极低的电子传导率气密性高防止阴极的氢气渗透进入阳极适用于800-1000的高温运行环境主要作用原料水分解的场所并提供电子传导通道材料要求良好的电子传导率氧离子传导率和催化活性高温高湿下常用Ni和YSZ制造的阴极的化学稳定性阴极需要和高温水蒸气直接接触合适的孔隙度保证电金属陶瓷复合材料解所需的水蒸气的供应和氢气产物的输出阴极材料和电解质材料的热膨胀系数相近保持高温下的机械稳定防止材料破碎主要作用产生氧气的场所常用钙钛矿氧化物制备的导材料要求优良的电子传导率氧离子传导率和催化活性多孔结构阳极电陶瓷材料如掺杂锶的锰便于氧气流通阳极材料和电解质材料的热膨胀系数匹配保持高温下的酸镧LSM机械稳定防止材料破碎资料来源中国电解水制氢产业蓝皮书2022势银能链国泰君安证券研究SOEC的电解效率高能耗低可通过大规模产业化显著降低设备成本但同时冷热启动慢对外界负载波动响应时间长不适用于大规模风光制氢的氢储能系统并存在电解池长期运行过程中的性能衰减电解池的高温连接密封大规模制氢系统集成等问题目前SOEC电解设备的总体产业化程度不高推出的商业化产品较少国外的SOEC设备生产厂商主要有德国的Sunfire丹麦Topsoe和美国BloomEnergy国内的SOEC设备企业约十家左右主要包括潮州三环宁波索福人北京质子动力等匹配制氢路线二碘硫循环制氢碘硫循环制氢主要分3步反应的净结果为水分解生成氢气和氧气本生反应I2SO22H20H2SO42HI常温进行生成混合的H2SO4和HI碘化氢分解2HIH2I2500左右进行需要催化剂硫酸分解请务必阅读正文之后的免责条款部分8of12产业深度2H2SO42SO22H2OO2H2SO4经过浓缩后在850左右催化分解得到最初的反应物完成闭合循环碘硫循环制氢的特点成本低不需要用贵金属催化剂具有规模经济性全流体过程易于规模的扩大和实现连续运行目前产业化程度较低还处于实验室阶段图10碘硫循环制氢原理图11碘硫循环制氢装置资料来源零碳未来协会清华大学资料来源国泰君安证券研究14全球趋势美俄日韩的核能制氢路线选择美俄日韩等核电大国均已启动本国的核能制氢工程俄罗斯计划在2033年前推出俄罗斯首座制氢核站2036年前投入工业运行进行高温气冷堆核能制氢美国采取碘硫循环SOEC的制氢路线在实验室高温模拟环境下通过加入催化剂降低碘硫循环核心步骤硫酸分解反应所需高温SOEC路线计划与现有的三代核电堆匹配推进商业化进程韩国斗山集团在2022年1月启动压水堆高温蒸汽匹配SOEC制氢项目日本三菱重工宣布在2022年内启动高温气冷堆匹配碘硫循环SOEC制氢的验证实验计划2030年-2035年达到实用化图12美俄日韩的核能制氢路线资料来源北极星核电网2东华能源联手中国核电布局核能制氢大战略请务必阅读正文之后的免责条款部分9of12产业深度2022年9月东华能源公告与中国核电签署战略合作协议双方共同推进高温气冷堆项目未来五年内预计投资超千亿元共同打造零碳产业园2022年11月东华能源公告拟与中国核电共同出资设立茂名绿能分别持股49和51进一步推进高温气冷堆项目表3东华能源与中国核电战略合作协议主要内容战略合作协议主要内容双方共同推进高温气冷堆项目通过对高温蒸汽的梯次利用保障东华茂名轻烃产业1园蒸汽电力制冷乃至氢能的清洁化供应共同打造零碳产业园以及高温气冷堆与石化产业耦合的新发展理念样板工程双方将联合成立氢能联盟设立氢能研究院中试装置主攻绿氢制备环节中热化学制2氢技术路线并研发氢气的固态储存材料和装备推动中核集团或其成员单位成为东华能源的战略投资者占股比例5-15委派董事3参与东华能源董事会的管理打造央企民企混合所有制改革的典范按照保量优价优先的原则向东华能源提供经济零碳的电力供应切实助力东华4能源的项目降低动力成本双方在园区建设产业基金环保水务和人才培养等方面开展全方位的合作并建立5高层定期交流和常态对接沟通机制保障各项合作有序推进资料来源公司公告国泰君安证券研究东华能源从LPG液化石油气主要组分包括丙烷丁烷贸易起家2011年开始向丙烷脱氢制丙烯PDH转型并逐步确立起聚丙烯高端复合新材料和氢能源两大战略发展方向在氢能源方面公司拥有宁波茂名张家港三个生产基地现有副产氢产能86万吨宁波57万吨张家港29万吨2021年副产氢销量1872万吨实现利润214万元公司目前规划建设茂名基地两套60万吨PDH装置若全部投产预计副产氢产能将达到143万吨图13东华能源氢能业务发展历程资料来源公司公告国泰君安证券研究表4东华能源丙烯氢气聚丙烯产能单位万吨20182019202020212022E丙烯120120120180240产能副产氢57575786114聚丙烯80-90160200请务必阅读正文之后的免责条款部分10of12产业深度资料来源公司公告国泰君安证券研究东华能源将依托现有的丙烷脱氢副产氢业务进一步向核能制绿氢转型此次东华能源与中国核电共同推进的高温气冷堆项目将落地在东华能源广东茂名基地项目预计将于2023年开工建设建设期4年2027年正式投入使用项目建成后高温气冷堆提供的热源一方面可用于丙烷脱氢工艺PDH需要在550-650的高温下进行降低脱氢成本另一方面可用于匹配SOEC或碘硫循环制氢路线实现大规模工业制绿氢图14茂名滨海新区吉达新材料产业园城市规划及港口规划资料来源公司官网国泰君安证券研究请务必阅读正文之后的免责条款部分11of12产业深度本公司具有中国证监会核准的证券投资咨询业务资格分析师声明作者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保证报告所采用的数据均来自合规渠道分析逻辑基于作者的职业理解本报告清晰准确地反映了作者的研究观点力求独立客观和公正结论不受任何第三方的授意或影响特此声明免责声明本报告仅供国泰君安证券股份有限公司以下简称本公司的客户使用本公司不会因接收人收到本报告而视其为本公司的当然客户本报告仅在相关法律许可的情况下发放并仅为提供信息而发放概不构成任何广告本报告的信息来源于已公开的资料本公司对该等信息的准确性完整性或可靠性不作任何保证本报告所载的资料意见及推测仅反映本公司于发布本报告当日的判断本报告所指的证券或投资标的的价格价值及投资收入可升可跌过往表现不应作为日后的表现依据在不同时期本公司可发出与本报告所载资料意见及推测不一致的报告本公司不保证本报告所含信息保持在最新状态同时本公司对本报告所含信息可在不发出通知的情形下做出修改投资者应当自行关注相应的更新或修改本报告中所指的投资及服务可能不适合个别客户不构成客户私人咨询建议在任何情况下本报告中的信息或所表述的意见均不构成对任何人的投资建议在任何情况下本公司本公司员工或者关联机构不承诺投资者一定获利不与投资者分享投资收益也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投资者务必注意其据此做出的任何投资决策与本公司本公司员工或者关联机构无关本公司利用信息隔离墙控制内部一个或多个领域部门或关联机构之间的信息流动因此投资者应注意在法律许可的情况下本公司及其所属关联机构可能会持有报告中提到的公司所发行的证券或期权并进行证券或期权交易也可能为这些公司提供或者争取提供投资银行财务顾问或者金融产品等相关服务在法律许可的情况下本公司的员工可能担任本报告所提到的公司的董事市场有风险投资需谨慎投资者不应将本报告为作出投资决策的惟一参考因素亦不应认为本报告可以取代自己的判断在决定投资前如有需要投资者务必向专业人士咨询并谨慎决策本报告版权仅为本公司所有未经书面许可任何机构和个人不得以任何形式翻版复制发表或引用如征得本公司同意进行引用刊发的需在允许的范围内使用并注明出处为国泰君安证券研究且不得对本报告进行任何有悖原意的引用删节和修改若本公司以外的其他机构以下简称该机构发送本报告则由该机构独自为此发送行为负责通过此途径获得本报告的投资者应自行联系该机构以要求获悉更详细信息或进而交易本报告中提及的证券本报告不构成本公司向该机构之客户提供的投资建议本公司本公司员工或者关联机构亦不为该机构之客户因使用本报告或报告所载内容引起的任何损失承担任何责任国泰君安证券研究上海深圳北京深圳市福田区益田路6009号新世界北京市西城区金融大街甲9号金融地址上海市静安区新闸路669号博华广场20层中心34层街中心南楼18层邮编200041518026100032电话0213867666607552397688801083939888E-mailgtjaresearchgtjascom请务必阅读正文之后的免责条款部分12of12