氢能源行业分析报告(氢能源行业发展前景和趋势)

1. 储氢:四大方式,各有千秋

氢储运承上启下,方式多样,主要包括气态储氢、液态储氢和固态储氢。氢能产业链 包含三个关键环节:氢的制取、氢的储运以及氢的应用。氢的储运作为承上启下的一个环 节,必须解决该环节中的技术和经济问题,氢能才能真正走进人们的日常生活。在氢经济 中,制氢环节结束后,需要远程输送或者直接储存起来。由于标准状态下氢气的体积能量 密度很低,是汽油的 1/3000,因此实现氢经济的一个先决条件是在较高的体积能量密度下 输送和储存氢气。氢的储存方式根据其存在状态可以分为三大类:气态储氢、液态储氢和 固态储氢。其中,固态储氢方式很多,分为物理吸附储氢、金属氢化物储氢、复杂氢化物 储氢、直接水解制氢(即储氢与产氢一体化)等多种类型。开发不同储氢方式的宗旨是在 安全且经济的情况下,尽可能降低氢气的体积,获得高的体积储氢密度和质量储氢密度。

四大储氢方式各有千秋。通过对比 4 种储氢技术,高压气态储氢是目前应用最广,技 术最为成熟,但是在安全性和储氢密度方面天然存在瓶颈;低温液态储氢技术在单位质量和单位体积储氢密度具有绝对优势,但是由于在液化过程中能耗大,以及对储氢容器的绝 热性能要求极高等原因,储存成本过高;有机液态储氢安全性更高,能够在常温常压下满足长期、长距离、大规模的氢气储运需求,并且能够借助已有的油品储运设备设施,与石 油石化产业协同发展,但是目前由于脱氢能耗偏高、脱氢催化剂开发难度大、有机物随着循环次数增加储氢性能下降等问题,距离大规模商业化还有一段时间;固体材料储氢拥有巨大潜力,但目前还处于研究阶段。

1.1 高压气态储氢:当前最成熟的储氢技术,占绝对主导地位

高压气态储氢是目前工程化程度最高的储氢技术,储氢密度、安全性、成本相互制约。 高压气态储氢是指将氢气压缩在储氢容器中,通过增压来提高氢气的容量,满足日常使用。 这是一种应用广泛、灌装和使用操作简单的储氢方式,其优点是设备结构简单、压缩氢气 制备能耗低、充装和排放速度快,是目前占绝对主导地位的储氢方式。其缺点是储氢密度 低,安全性较差。通过加压的方式可以提升储氢密度,但是并非压力越高越好,压力越高, 对储氢罐材质、结构要求也随之升高,成本会大幅增加,安全性也难以保障。

高压气态储氢关键环节在于压缩和储存。压缩过程的关键在于氢气压缩机的选用,氢 气压缩机有往复式、膜式、离心式、回转式、螺杆式等类型。不同的压缩机流量、吸气及 排气压力等参数不同。压缩机可以视为一种真空泵,它将系统低压侧的压力降低,并将系统高压侧的压力提高,从而使氢气从低压侧向高压侧流动。工程上,氢气的压缩有两种方式:1)直接用压缩机将氢气压缩至储氢容器所需的压力后存储在体积较大的储氢容器中;2) 先将氢气压缩至较低的压力(如 20MPa)存储起来,需加注时,先引入一部分气体充压,然 后启动氢压缩机以增压,使储氢容器达到所需的压力。

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储氢容器通过对其内部的结构和材料的迭代来提升单位质量储氢密度。高压氢气通常 用圆柱形高压气罐或者气瓶灌装。高压储氢容器技术的发展历史主要由金属储氢容器、金属内衬环向缠绕复合储氢容器、金属内衬环向+纵向缠绕复合储氢容器、螺旋缠绕容器以及 全复合塑料内衬储氢容器等阶段组成。目前,高压气态储氢容器主要分为纯钢制金属瓶(I 型)、钢制内胆纤维缠绕瓶(II 型)、铝内胆纤维缠绕瓶(III型)及塑料内胆纤维缠绕瓶 (IV 型)。回顾储氢容器的演变过程,其本质是通过改变结构及材料,提升单位质量储氢 密度。与最早的金属储氢容器不同的是,II、III、IV代高压储氢容器通过在内胆外缠绕多种 纤维固化后形成增强结构,通过不改善内衬材料及纤维缠绕模式,不断提升高压复合储氢罐的承压能力和质量储氢密度。

高压气态储氢应用领域主要包括运输、加氢站、燃料电池车。1)运输端:高压氢气的 运输主要指将氢气从产地运输到使用地点或者加氢站。采用汽车运输,设备主要为大型高 压无缝气瓶或“K“瓶装氢。2)加氢站端:加氢站用高压储氢容器是氢储存系统的重要组成部分。目前高压氢气加氢站所用的存储容器多为高强钢制无缝压缩氢气储罐。3)燃料电 池车端:高压气态储氢是目前燃料电池车的主要储氢方式,车载储氢瓶大多使用的是 III 型 和 IV 型,使用压力主要为 35MPa 和 70MPa。

1.2 低温液态储氢:尚处起步阶段,未来大规模用氢的良好解 决方案

低温液态储氢属于物理储存,是一种深冷氢气存储技术。氢气经过压缩后,深冷到 21K (约-253°C)以下,使之变为液氢,然后存储到特制的绝热真空容器(杜瓦瓶)中。该方式 的优点是氢的体积能量高,液氢密度达到 70.78kg/m3,是标准情况下氢气密度的 850 倍 左右,即使在高压下,例如 80MPa 复合高压储氢的体积储氢密度约为 33kg/m3,也远远 低于液氢的体积储氢密度。但是液氢的沸点极低(-252.78°C),与环境温差极大,对储氢 容器的绝热要求很高。对于大规模、远距离的氢能储运,低温液态储氢有较大优势。

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低温液氢的存储技术关键在于液氢储罐。液氢的体积密度大、质量储氢效率比其他储 氢形式都大,但是沸点低(20.3K)、潜热低、易蒸发,因此液氢的存储需使用具有良好绝 热性能的液氢储罐。液氢储罐有多种类型,根据其使用形式可分为 1)固定式:固定式液 氢储罐可采用多种形状,常用的包括球形储罐和圆柱形储罐,一般用于大容积的液氢存储; 2)移动式:由于移动式运输工具的尺寸限制,移动式液氢储罐厂采用卧式圆柱形,结构、 功能与固定式液氢储罐并无明显差别,但需具有一定抗冲击强度,以满足运输过程中的速 度要求;3)罐式集装箱:液氢罐式集装箱与液化天然气罐式集装箱类似,可实现液氢工厂 到液氢用户的直接储供,减少了液氢转注过程的蒸发损失,且运输方式灵活。按照绝热方 式可分为普通堆积绝热和真空绝热两大类。低温液氢存储的研究热点是无损储存,无损储 存的关键在于液氢储罐绝热性能的提升:由传统的被动绝热方式向主动绝热技术转变,将 更低导热率、更高低温性能的材料应用于液氢储罐。因此,我们认为大容积、低蒸发率液 氢储罐的研发是液氢存储技术发展的重要方向。

我国低温液氢目前尚处于起步阶段,主要应用于航天航空领域。氢的能量密度高,是 普通汽油的 3 倍,这意味着燃料的自重可降低 2/3,这对飞机来讲是极为有利的。与常用 的航空煤油相比,用液氢作航空燃料,能够大幅改善飞机各类性能参数。液氢燃料在航天 领域是一种难得的高能推进剂燃料,氢氧发动机的推进比冲 I=391s,除了有毒的液氟外, 液氢的比冲是最高的,因此在航天领域得到重要应用。此外,液氢由于能够大幅提高氢气 的纯度,在液氢温度下,氢气中绝大多数有害杂质将被固化去除,从而得到纯度达 99.9999% 以上的超纯氢气,完全能够满足氢燃料电池的使用标准。此外,液氢还可应用在高端制造、 冶金、电子等产业领域,但由于目前低产能导致的液氢成本过高,除了航空航天领域,在 其他领域基本处于空白阶段。

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技术封锁严重限制我国液氢的发展,期待技术突破带动产业化放量。液氢是未来氢能 源大规模应用的重要解决方案,能够使下游用户既便宜又便捷地使用氢能源。美国、欧洲、日本从液氢的储存到使用,包括加氢站全部都有了比较规范的标准和法规,液氢发展产业 链比较完备,因此国外将近有 1/3 的加氢站为液氢加氢站。作为液氢生产大国的美国一直 对中国采取“严格禁运,严禁交流”的策略,同时还限制其同盟国的公司,例如法液空、 林德公司等向中国出售设备和技术。国内之前还存在技术标准和政策规范缺失的问题,但 在 2021 年 5 月,我国国家标准委正式发布了三项有关液氢的国家标准,这意味着我国液 氢产业的发展终于有法可依,涉足民用液氢领域的企业正逐步增多。国内目前液氢的问题 主要是成本高,关键设备和系统仍依赖进口,成本过高也导致了目前民用液氢工厂较少, 多为示范应用工程。国内的大型氢液化装置主要需要突破低温氢工况材料选用,氢、氦透 平膨胀机研制和正仲氢转化催化剂等技术难题,随着未来技术突破,大型氢液化装置的国 产化将快速推进液氢成本下降。

1.3 有机液态储氢:最具发展潜力的氢气低价储运技术之一

有机液态储氢(LOHC)属于化学储存,能够实现常温常压下氢气储运。有机液态储氢 是通过加氢反应将氢气与甲烷(TOL)等芳香族有机化合物固定,形成分子内结合有氢的 甲基环乙烷(MCH)等饱和环状化合物,从而可在常温和常压下,以液态形式进行储存和 运输,并在使用地点在催化剂作用下通过脱氢反应提取出所需量的氢气。有机液态储氢的 优点是可在常温常压下以液态输运,储运过程安全、高效,可使用储罐、槽车、管道等已 有的油品储运设施,且安全监管部门和公众对 LOHC 的忧虑相比低温液氢和高压气氢要小 得多。但 LOHC 还存在脱氢技术复杂、脱氢能耗大、脱氢催化剂技术亟待突破等技术瓶颈。 若能解决上述问题,液态有机物储氢将成为氢能储运领域最有希望取得大规模应用的技术 之一。

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有机液态储氢(LOHC)的关键在于有机物储氢介质的选择。选择有机物储氢介质重点 考虑的性能指标包括:1)质量储氢和体积储氢性能高;2)熔点合适,能使其常温下为稳 定的液态;3)成分稳定,沸点高,不易挥发;4)脱氢过程中环链稳定度高,不污染氢气, 释氢纯度高,脱氢容易;5)储氢介质本身的成本;6)循环使用次数多;7)低毒或无毒, 环境友好等。各国对于有机物储氢介质的选取不同,国内主要研究方向为 N-乙基咔唑、二 甲基吲哚等,武汉氢阳能源控股有限公司已完成了千吨级 N-乙基咔唑装置的示范;德国 Hydrogenious 公司主要研究方向为二苄基甲苯,已进展到应用示范阶段;日本在此方面 处于领先地位,日本千代田化建公司主要研究方向为甲基环己烷,在 2020 年实现了全球首 次远洋氢运输。上述三类方法是目前最主要走向商业化的三大体系。

有机液态储氢(LOHC)技术有望在未来新型能源体系中扮演重要角色,氢储能值得关 注。双碳背景下,未来可再生能源使用比例逐渐增加,亟需解决可再生能源的波动性和不 稳定性的问题,氢储能是一种良好的解决方案。通过可再生能源电力电解水制氢,通过氢 气实现能量的储存和运输,而 LOHC 储氢方式是诸多储氢方式中稳定性最高、日常维护量 最小、长周期储存成本最低的一种方式。此外,LOHC 储氢能够实现可再生能源、电网、 大型发电和分布式发电、氢气加注市场等不同领域的交互应用,更适合大规模、长时间的 储存。

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1.4 固态储氢:尚处示范阶段

固态储氢是指利用固体对氢气的物理吸附或化学反应等作用,将氢气储存在固体材料 当中。固态储氢一般可以做到安全、高效、高密度。根据固态材料储氢机制的差异,主要 可将储氢材料分为物理吸附型储氢材料、金属氢化物基储氢合金,复杂氢化物等。目前在 所有固态储氢材料中,研究最集中、最广泛,目前也最具有实用化前景的是金属氢化物基 储氢合金。

金属氢化物储氢未来潜力巨大,尤其适合燃料电池汽车上使用。金属氢化物是金属合 金与氢发生可逆反应时生成的一类氢化物,以金属氢化物形式吸附氢,然后加热氢化物释 放氢。在实际储氢应用中要求金属氢化物在数千个循环中保持其反应性和容量。因此金属 氢化物种类很多,但只有少数适用于储氢应用。目前金属氢化物的主要研究方向为 LaNi5、 Mg2Ni 和 FeTi 等金属氢化物的改性。金属氢化物储氢具有储氢体积密度大、操作容易、 运输方便、成本低、安全性好、可逆循环好等优点,但是质量效率低,如果质量效率能够 有效提高的话,这种储氢方式非常适合在燃料电池汽车上使用,未来潜力较大。

物理吸附储氢仍处实验室阶段。物理吸附储氢是利用微孔材料物理吸附氢分子,依靠 氢气分子与储氢材料间较弱的范德华力进行储氢的一种方式。其在特定条件下对氢气具有 良好的、可逆的热力学吸附、脱附性能。这类储氢方式所使用的储氢材料具有高比面积、 低温储氢性能好等优势,但是常温或高温储氢性能差的缺点也制约了物理吸附储氢的发展。 目前大量的多阔材料包括多孔炭、沸石、金属有机骨架等,都一直被人们认为是不错的储 氢介质。其中多孔碳基材料比表面积和孔容较高,化学稳定性和热稳定性好且密度低,更 重要的是可用来重复存储,所以备受关注。碳质材料吸附储氢,是近年来根据吸附理论发 展起来的储氢技术,是指用碳质材料作为储氢介质的吸附储氢。美国能源部专门设立了研 究碳质材料储氢的财政资助。我国也将高效储氢的纳米碳质材料研究列为重点研究项目。

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固态储氢已有示范应用,未来广泛的场景应用可期。近年来,关于固态储氢出现了众 多示范项目,以固态储氢为能源供应的大巴车、卡车、冷藏车、备用电源等在我国相继问 世。世界各国在固态储氢应用和新型储氢材料的研发上取得了诸多进展,成熟的储氢材料 已在热电联供、储能、车载燃料电池氢源系统等多个领域得到应用,德国 HDW 公司甚至 将开发的 TiFe 系固态储氢系统用于燃料电池 AIP 潜艇中。

2. 运氢:与储氢方式密不可分,方式多样

氢气的运输往往和氢气的储存状态息息相关。根据氢气运输时的状态,我们可以将氢 气的运输方式分为三种:气氢输送、液氢输送和固氢输送。针对不同的氢气状态选用不同 的运输手段。气氢输送:气氢输送往往采用长管托车和管道运输两种。液氢输送:液氢输 送采用液氢罐车或者专用液氢驳船运输,LOHC 可依托油品储运设施。固氢输送:通过金 属氢化物存储的氢气可以采取更加丰富的运输手段,驳船、大型槽车等运输工具均可以用 以运输固态氢。

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运量和运距决定储运的方式。各种储运方式都有自己的特点。我们认为,在当下氢能 产业仍处初期发展阶段,对于大规模、长距离运氢的需求不大,高压气态运氢最具性价比。 但随着氢能产业快速发展,下游应用场景逐渐丰富,对于大规模、长距离运氢的需求将逐 渐增加,此时液氢输送的优势将会显现,并成为主流方式。在氢能发展的最终阶段,各类 储氢技术将更为成熟,我们认为将会形成多种氢储运路径并行的局面。(报告来源:未来智库)

2.1 气氢输送:高压气氢运输与管网运输将成为未来短距离与 长距离运输的主要途径

高压气氢拖车是当下氢气短距离运输的主要途径。从我国当下氢能产业的发展状况来 看,氢气的短距离异地运输主要通过集装管束运输车进行。例如,化工富余氢气经过脱水、 脱氧等净化流程后,经过氢压缩机压缩至 20MPa,由装气柱充装入集装管束运输车。经运 输车运至目的地后,通过高压卸车胶管把集装管束运输车和卸气柱相连接,卸气柱和调压 站相连接,20MPa 的氢气由调压站减压至 0.6MPa 并入氢气管网使用。在加氢站日需求 500kg 的情况下,高压气氢拖车运输节省了成本与管道建设前期投资成本,在一定储运距 离以内经济性最高。高压储氢容器自重大,氢气的密度又很小,装运的氢气质量只占总运 输质量的 1%~2%左右,因此气态氢的拖车运输仅适用于将制氢厂的氢气输送到距离不太 远,同时需用氢气量不太大的用户。

轻量化、高压力是未来高压气氢拖车的发展方向。我国当下用于高压气氢拖车运输的 运输气瓶主要以工作压力 20MPa 的纯钢制 I 型瓶为主,单车运输氢气约 380kg。与国外领 先技术仍有一定差距,国外采用 45MPa 纤维全缠绕高压氢瓶长管托车运氢,单车运输氢气 可达 700kg。为了提高运输效率和适应 70MPa 压力等级加氢站的建设需求,我们认为高 压气氢拖车未来将继续向轻量化、高压力方向发展。

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管道输送是最经济、最节能的大规模长距离输送氢气的方式。管道运输压力一般为 1.0~4.0MPa,输氢量大、能耗低,但是建造管道一次性投资较大。在管道运输发展初期, 可以积极探索掺氢天然气方式。截至 2019 年,美国已有 2500 公里的输氢管道,欧洲已有 1598 公里的输氢管道,我国则仅有 100 公里的输氢管道。2021 年 6 月,中国石油天然气管道工程有限公司中标河北定州至高 碑店氢气长输管道可行性研究项目,管道全长约 145 公里,设计输氢量 10 万吨/年,是国 内目前规划建设的最长氢气管道。

氢-天然气混合气的管网运输。研究表明,使用已有管网输送氢气是低成本长距离输送 大量氢气的优选方法之一。直接把天然气管网变成氢-天然气混合气(含氢量约 15%),仅 需对原有管网进行适当的改造即可。但是,如果要进行纯氢输送,则需要对天然气管网进 行实质性的改造,包括材料和重要部件的更换、安全性措施升级等。利用天然气管网输送 天然气混合气和升级改造天然气管网来输送纯氢,这两个方面的技术分析和研发工作也是 美国能源部氢能发展计划中的主要内容。

2.2 液氢输送:液氢槽车运输及 LOHC 运输将成中期大规模、 长距离运输主要途径

液氢槽车运输适合运距较远,运量较大的场景。液氢的运输、储存容器需使用特殊合 金和碳纤维增强树脂等,而且还必须使用应对自然蒸发的液态氢用浸液泵和高隔热容器等 特殊设备和技术。制氢厂制得的氢气,经过液化后,可方便地进行公路运输,到达加氢站 后可直接给液氢用户加氢,或者通过气化、加压后给高压氢罐用户加氢。槽车是液氢车运 的关键设备,常用水平放置的圆筒形低温绝热槽罐。汽车用液氢储罐其存储液氢的容量可 以达到 100m3,铁路用特殊大容量的槽车甚至可运输 120~200m3 的液氢。液氢存储密度 和损失率与储氢罐的容积有较大关系,大储氢罐的储氢效果要比小储氢罐好。

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液氢槽车输送在我国发展将成必然。液氢当下痛点问题在于短距离运输成本较高,现 有技术条件下,液化过程的能耗和固定投资较大,液化过程的成本占整个液氢储运环节的 90%以上,而这也造就了液氢运输成本对于距离不敏感。未来,由于液化设备的规模效应 和技术升级,液化能耗和设备成本还有较大的下降空间。鸿达兴业在内蒙古自治区投资建 设我国首个规模化的民用液氢项目,年产 3 万吨液氢。此外,国富氢能、嘉化能源、中科富海等多家企业也在积极拓展液氢市场,叠加 2021 年出台的三项关于液氢的国家标准为液 氢的发展提供了政策导向,民用液氢规模化趋势已成必然。2020 年 12 月,鸿达兴业完成 全国首车长距离民用液氢运输,其自主生产的液氢跨越 2500 多公里,是国内液氢长距离运 输的重要里程碑。

液氢驳船运输适用于跨国运氢。液氢还可使用驳船运输,这和运输液化石油气相似, 不过需要更好的绝热材料,使液氢在长距离运输过程中保持液态,驳船上装载容量很大的 存储液氢的容器。用于船运的液氢储罐容积可达 1000m3 以上,且无需经过人口密集区域, 相较于陆运更加安全、经济。日本川崎重工建造的全球首艘液氢运输船“SUISO FRONTIER “于 2021 年 5 月 24 日在神户市面向媒体公开,12 月 24 日开启首航,从日本驶往澳大利 亚,提取第一批货物,船上搭载了川崎重工播磨工厂制造的氢气储罐,这种长 25 米、高 16 米的椭圆形储罐能够储存 1250m3 的液氢。

液氢驳船运输的发展将由未来当地制氢成本的高低决定。采用液氢驳船运输的氢气往 往是进口的,这部分船舶进口的氢能源将与当地生产的氢能源直接竞争,当地的制氢成本 水平及其降本潜力将成决定性因素。就液氢驳船运输较为领先的日本而言,未来液氢驳船 运输将抢占日本近半氢气运输市场。日本政府提出,到 2050 年日本的氢气用量大约为 2 千万吨,约为 2020 年的 5000 倍。川崎重工表示,计划在 2050 年,用 80 艘船舶运输日本国内所需 2 千万吨氢气中的 900 万吨。川崎重工将斥资 5.78 亿美元建造全球首艘大型液 化氢运输船,改传将配备 4 个可分别储存 4 万 m3 液化氢的储罐,预计 2026 年完工。

液体有机氢(LOHC)输送可依托已有的油品储运设施,有望在大规模储运氢方面担任 重要角色。氢气的大规模运输除了利用管道运输,还可利用 LOHC 的方式,依托已有的管 道、储罐、接卸设施、槽车、火车罐车、油船等油品储运设施实现大宗的储存和运输。新 建氢气管道需要大量的前期投入成本,利用已有天然气管道掺氢的方式运输,到达目的地 后,还需分离氢气,实施的复杂性和挑战性较大。我们认为在氢气输送管网尚未广泛建设 之前,LOHC 输送有望在大规模储运氢方面担任重要角色。

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2.3 固氢输送:仍处试验阶段、未来有望丰富短距离运氢途径

固氢输送仍处研究阶段,未来有望丰富短距离运氢途径。固态氢的运输是指用固体储 氢材料通过物理、化学吸附或形成氢化物储存氢气,目前最具实用化价值的是使用储氢合 金储存氢气,然后运输装有储氢材料的容器。轻质储氢材料(如镁基储氢材料)兼具高的 体积储氢密度和重量储氢率,作为运氢装置具有较大潜力。将低压高密度固态储罐仅作为 随车输氢容器使用,加热介质和装置固定放置于充氢和用氢现场,可以实现氢的快速充装 及其高密度高安全输运,提高单车运氢量和运氢安全性。但是由于储氢合金价格高(通常 几十万元/吨),放氢速度慢,还需要加热,并且储氢合金本身很重,长距离运输不具备经 济性。目前尚未有固态氢气运输的案例,各类储氢材料大都处于研究阶段。我们认为在未 来固氢运输有望成为一种短距离氢气运输的途径。

3. 氢储运设备空间巨大,关注储氢瓶及碳纤维

3.1 未来 10 年加氢站扩充 10 倍,车载储氢瓶迎来黄金十年

氢能承压设备受到加氢站与燃料电池汽车需求带动,有望快速增长。截至 2019 年底, 中国已经建成和在建的加氢站有 130 座以上,其中 61 座已经建成,加氢站数量全球排名 第三,储氢压力容器(含缓冲罐等)将近 1000 台,氢燃料电车汽车累计销售 6164 辆,商 用车保有量全球第一,车载高压氢气瓶已经超过 2.5 万只。

储氢承压设备可根据氢的状态分为气态储氢设备,液态储氢设备,固态储氢设备和复 合储氢设备。1)气态储氢设备:主要用于储存高压氢气,包括固定式储氢压力容器和高压 氢气瓶,具有充氢、放氢速度快,设备结构简单等优点,缺点是体积储氢密度较低,并且 需要高压力储存,以增大储氢密度。目前,气态储氢设备技术相对成熟,市场需求的主流 储氢方式。2)液态储氢设备:主要用于储存液氢,包括固定式液氢储罐和液氢瓶的优点是 储氢密度高,缺点是氢气液化能耗高、长时间存放液氢存在蒸发损失的问题。在我国目前 主要应用于航空航天领域,民用领域正在提速。3)固态储氢容器:固态储氢是通过氢与材 料发生化学反应或者物理吸附将氢储存与固体材料中,优点是储氢压力较低、体积储氢密 度高、可纯化氢气;缺点是质量储氢密度低、充放氢需要热交换。我国固态储氢容器已在 通讯基站、加氢站有应用。4)复合储氢容器:为了提高储氢密度,近年出现了高压固态复 合储氢气瓶和高压深冷复合储氢气瓶。

输氢承压设备主要用于将气氢或者液氢从产地运输到终端用户,主要分为气态输氢设 备和液态输氢设备。1)气态输氢设备:主要用于输送、分配氢气,包括运氢设备和氢气管 道。运氢设备主要有氢气长管拖车和氢气管束式集装箱,通常采用钢制大容积无缝高压气 瓶和钢制内胆碳纤维环向缠绕气瓶。氢气管道主要有输氢管道和配氢管道。2)液态输氢设 备:主要用于输送液氢,包括液氢铁路加注运输车、液氢汽车罐车、液氢罐式集装箱和液 氢管道等。

高压储氢瓶将迎黄金十年,2022-2030 年均复合增长率超过 60%,“卡脖子”难题 有望突破。我国在高压储氢瓶方面与国际领先技术仍有一定差距,差距主要在于对于 IV 型 储氢瓶的应用,我国主要应用 III 型储氢瓶,IV 型储氢瓶对于我国氢能产业仍属“卡脖子” 难题。目前 IV 型储氢瓶基本处于测试阶段,2020 年 12 月,斯林达车用 IV 型储氢瓶通过 “三新”评审,成为国内首家通过“三新”评审的 IV 型储氢瓶制造厂家。奥扬科技的 IV 储氢瓶产品指标已经通过欧盟、加拿大等第三方测试认证,产品各项性能指标良好,预计 2021 年年底前可完成产品的型式试验。氢能用高压储氢瓶强调安全性与成本的结合,技术 壁垒较高。

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3.2 车载储氢瓶蓄势待发,推动碳纤维产业进入新高度

碳纤维行业存在明显的供不应求特征,国产化正提速。2020 年中国碳纤维总需求为 48851 吨,其中国产量仅 18500 吨,预计 2025 年我国碳纤维需求约为 15 万吨,2025 年全球碳纤维需求约为 20 万吨, 2030 年全球碳纤维需求约为 40 万吨。2020 年国产 18500 吨销量,相比 2019 年的 12000 吨,增长率为 54.2%,并且连续四年增长率超过 30%。应用方面,风电叶片为最主要的应 用,占比超过 40%,高压储氢罐应用仅占 4%。

储氢瓶的痛点在于成本,储氢瓶成本下降关键在于碳纤维成本的下降。据 DOE 数据, 目前车载储氢瓶成本在 16 美元/kwh~21 美元/kwh,而未来目标为 8 美元/kwh,仍有超 过 50%的成本下降空间,目前 700bar 的 IV 型瓶成本中,碳纤维成本占总成本 52%,要 想达到储氢瓶 8 美元/kwh 的最终目标,碳纤维的成本需要下降至 13 美元/kg。目前我国 储氢瓶用碳纤维主要供应商为中复神鹰,然而受目前碳纤维行业严重供不应求的影响,碳 纤维用压力容器售价大幅上升,2021 年上半年售价上升至 151.55 元/kg,同比上升 19.42%。

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储氢罐将成碳纤维主要应用场景,2030 年占比有望超 30%。碳纤维是储氢瓶的关键 材料,据 DOE 数据,碳纤维占储氢系统成本超过 50%。据中科院宁波材料所特种纤维事 业部数据,乘用车碳纤维用量约为 75kg/辆,商用车碳纤维用量约为 320kg/辆。据此测算 2022/2025/2030 年储氢罐用碳纤维累计用量为 0.32/3.12/29.55 万吨,我们估算 2022/2025/2030 年储氢罐用碳纤维年需求量为 0.2/1.21/9.52 万吨未来五年全球范围内压力容器用碳纤维 CAGR 为 20%。

4. 液氢产业链突围在即,关注民用液氢领域的突破

4.1 液氢制取:液氢产业链核心环节

液氢产业链可分为液氢制取、液氢储运和液氢加注三个部分。液氢制取环节是液氢产 业链中最为核心的环节,在现有技术下,液化过程的 能耗和固定投资较大,液化过程的成本占到整个液氢储运环节的 90%以上。未来,由于液 化设备的规模效应和技术升级,液化能耗和设备成本还有较大的下降空间。液氢储运环节 对于储罐的要求于高压气氢储罐的要求不同,前者对于隔热技术要求很高,后者对于承压 要求很高,液氢储罐通常采用多层真空隔热技术。液氢加注环节中液氢加氢站技术的核心 在于液氢泵,中国在液氢加氢站的推广中相对落后,液氢泵的技术领域相对空白。

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液氢制取环节是液氢产业链中最为核心的环节。液氢能否快速发展决定因素在于液氢 的制取(氢气的液化过程)能否快速降本,能否快速降本的决定性因素在于液氢的制取能否扩大规模,因为液氢生产工厂的建设成本高,能耗高,只有提高生产规模才能降低单位 成本,提高液氢竞争力。而能否实现液氢的大规模生产,取决于我国能否实现大型氢液化 装置的国产化突破。

氢气液化能耗下降空间巨大。理想状态下,氢气液化耗能为 3.92kWh/kg,然而实际 生产过程中却无法达到。目前的氢气液化主要是通过液氮冷却和压缩氢气膨胀实现,耗能 为 13~15kWh/kg,几乎是氢气燃烧所产生低热值(产物为水蒸气时的燃烧热值,33.3 kW h/kg)的一半,而氮气的液化耗能仅为 0.207kW h/kg,因此降低氢气液化耗能至关重要。 一个有效的方法就是扩大液氢的制备规模,通过大规模设备,可以将氢气液化能耗降低到 5~8kWh/kg;调整工艺也是一个有效方法,比如欧洲联盟的 IDEALHY 项目使用 He-Ne 布雷顿法制备液氢,能耗为 6.4kW h/kg。另外,发达国家正通过创新氢液化流程和提高设 备工艺及效率的方法,提高氢液化装置的效率和降低能耗。一些采用高性能换热器、膨胀 机和新型混合制冷剂的氢液化创新概念流程的能耗最低已至 4.41kWh/kg。

大规模氢液化装置复杂,氢透平膨胀机技术是关键。氢的液化最早由英国的 James Dewar 于 1898 年通过 J-T 节流实现。到 1902 年出现了 Claude 循环,Claude 循环是如 今运行大规模氢液化装置的基础,根据制冷方式的不同又可分为氢膨胀制冷和氦膨胀制冷 氢液化流程。氢膨胀制冷循环流程采用氢气自膨胀提供低温区冷量,氦膨胀制冷循环氢液 化流程则是利用沸点更低的氦作为制冷剂提供低温区冷量。但是无论是氢膨胀制冷还是氦膨胀制冷,在氢液化流程中,透平膨胀机都是最关键的设备。大冷量氢、氦透平膨胀机的 研发生产是目前氢液化系统的难点和急需解决的问题。美国空气产品公司、德国林德集团 和法国液化空气集团几乎垄断了氢液化装置的市场和技术领域,已掌握成熟的氢透平膨胀 机技术,并有能力提供单个产能超过 30TPD 的氢液化设备。俄罗斯的深冷机械公司 Cryogenmesh 也可以生产最大 17TPD 的氢液化装置,目前已应用于俄罗斯多个航天发射 场。

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氢的正仲转化器也是一个重要设备。氢具有正、仲氢两种不同的形式,随着温度的降 低,正氢会通过正-仲态转化成仲氢,由于正-仲转换放出的热量大于氢气的气化潜热,所 以最后的液氢产品必须以仲氢的形式存在,规定要求仲氢含量必须大于 95%。所以在氢液 化过程中,需要在换热器或者中间加正仲转换器,以保证仲氢的含量达到标准。国内对于 正-仲氢转换催化剂研究已经取得一定成绩,北京航天试验技术研究所自制的正仲氢转化催 化剂性能已达到国际先进水平。

4.2 液氢储运:确保液氢优越性

随着液氢产业链布局深入,液氢贮罐领域国产替代加速。液氢的存储主要问题在于绝 热和泄漏,对于储氢容器的要求在于良好的绝热性能。受益于我国航天工业的发展,我国 在液氢贮罐制造技术已经取得了一定的成绩,我国已经完全具备了生产液氢贮罐的能力, 但是相对于国外领先技术,我国仍处于追赶状态。大容量、低蒸发率是未来液氢贮罐的方 向。目前,美国 Gardner Cryogenics 公司、美国 Chart 公司、日本川崎重工业株式会社 和俄罗斯深冷机械公司 Cryogenmesh 等企业代表了液氢储运的产业前沿。江苏国富氢能 技术装备股份有限公司也已经生产出液氢储罐和液氢罐车的样品,未来将应用于国富氢能 投建的洛阳液氢生产项目。

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液氢运输成本远低于高压气氢,中远距离运输成本低弥补氢气高昂液化成本。相较于 低温液态储氢,高压气态储氢在长距离运输上十分不具有优势,其运输成本对距离的敏感 性高,需要进一步提高储运效率。液氢储运体积密度是高压气态储运的 5 倍,在中长距离 氢气储运中经济性较高,是未来氢储运的重要方向。

4.3 液氢加氢站:氢气大规模发展必经之路

加氢基础设施为燃料电池汽车充装燃料提供专门场所,是燃料电池车应用的重要保障, 也是氢能发展利用的关键环节。 根据加氢站内氢气储存的形态不同,可分为气氢加氢站和 液氢加氢站。相较于高压储氢加氢站,液氢加氢站具有占地面积小、液氢储存量的特点, 能够满足大规模的加氢需求。

高压储氢加氢站是通过外部供氢或站内制氢获得氢气后,经过调压干燥系统处理后转 化为压力稳定的干燥气体,随后在氢气压缩机的输送下进入高压储氢罐储存,最后通过氢 气加注机为燃料电池汽车加氢。液氢加氢站是通过液氢槽车将液氢运输至加氢站,与加氢 站连接后进人站内的液氢储罐。液氢储罐中的氢通过气化器进行气化,气化后的氢气进入 缓冲罐。随后进入压缩机内被压缩,并先后输送至高压、中压、低压储氢罐中分级储存。

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气氢加氢站主要包括卸气柱、压缩机、储氢罐、加氢机、管道、控制系统、氮气吹扫 装置、放散装置以及安全监控装置等等。其中最为核心的设备为压缩机、储氢罐以及加氢 机。液态加氢站是由液氢储罐、高效液氢增压泵、高压液氢气化器及氢气储罐、加氢机和 控制系统等关键模块组成。其中液氢泵是液氢加氢站的核心设备,液氢泵相较于气氢加氢 站中的压缩机,能耗降低 80%~90%。

液氢泵是提高能效、降低成本并适用于液氢产业市场化和大规模应用的关键核心设备, 目前仍为卡脖子难题,依赖进口,国内布局基本空白。对于输送液氢的低温液体泵,主要 有离心式和往复式(活塞式)液氢泵两种形式。离心式液氢泵以大型液氢涡轮泵为主,主 要用于航天氢氧火箭发动机中氢燃料的输送,现在也逐渐向工业和民用方向发展,但其相 对转速较高,机械密封性和安全性问题难以解决;往复式(活塞式)液氢泵具有结构简单 可靠,故障率低,转速不高,便于采用串联式机械密封以保证装置不泄漏,提高装置安全 性,便于实现变流量运行等优点,因此往复式(活塞式)液氢泵主要用于工业和民用液氢 的输送与加注。美国空气产品公司提供的液态氢气压缩泵(CHC)和林德集团提供的液氢 泵(Cryopump)是其中的佼佼者,国内企业对于液氢泵的国产化研制仍处在起步阶段, 仍需依赖进口。

液氢加注有望成为未来主流加氢方式。国外液氢加氢站的应用已较为成熟,已有约 1/3 的加氢站为液氢加氢站,而国内液氢加氢站刚刚起步,处于规划阶段,重塑集团、佛燃能 源、国富氢能、素极动力等多家公司于 2021 年 2 月签署合作协议,共同推进液氢储氢加 氢站项目。根据国外相关文献,基于 H2A 模型测算得出,加氢量相同时,液氢加氢站的单 位投资要低于高压气氢加氢站,并且建设规模越大,单位投资的优势越明显。因此我们认 为,随着未来下游燃料电池汽车市场不断扩大,加氢站单站供应能力势必将会上升,加氢 站的规模将逐渐扩大,叠加上游液氢储运,液氢制取的成本不断下降,未来液氢加氢站将 会占据一席之地。(报告来源:未来智库)

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4.4 民用液氢项目快速布局,2030 年氢液化设备空间近千亿

我国液氢产业正快速发展,民用液氢完成从 0 到 1。我国液氢工厂有陕西兴平、海南 文昌、北京 101 所和西昌基地等,主要服务于航天发射,并且产能极低,总产能仅有 4TPD。 民用液氢领域正处于发展初期阶段,鸿达兴业于 2020 年液氢项目的部分投产,标志着我国 民用液氢领域从无到有,从 2019 年开始各地政府与企业正快速规划有关液氢项目。

我国氢液化设备和新技术已有一定进展,全面国产化势在必行。氢液化装备主要包括 压缩机、透平膨胀机、换热器、正-仲氢转换器。全球范围内,林德和法液空是最具实力的 氢液化设备供应商,美国企业也能够提供氢液化设备,但对我国还实施禁运的政策。我国 氢液化核心设备还大都依赖进口,这就导致了获取氢液化设备的成本高昂,价格谈判处于 被动地位。我国一些企业在此方面已经实现了技术突破,2017 年,中科富海开始研发第一 套液化能力 1.5 吨/天的大型氢液化装置,于 2019 年低完成了所有装备的加工制造集成, 目前已具备氦透平膨胀机等氢液化核心工艺及技术,此外中科富海于 2019 年还承接了北京 市科委 5 吨/天大型氢液化装置磁浮轴氢透平膨胀机研制任务。目前西安交通大学和北京航 天试验研究中心正在合作开展大型氢液化装置和高效氢、氦透平膨胀机的研发工作,积极 突破这一技术难题。

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2030 年我国液氢设备空间有望达近千亿。美国的民用液氢占据主流,并且主要用于工 业领域。其中 33.5% 用于石油化工行业,37.8% 用于电子、冶金等其他行业,10% 左右 用于燃料电池汽车加氢站,仅有 18.6% 的液氢用于航空航天和科研试验。据国富氢能预 测,加氢站用氢气 2025 年液氢会提供 10%以上的氢气供应,2030 年液氢会提供 30%的 氢气供应。根据美国能源部对于目前氢液化成本的评估,氢液化装置产能从 6TPD~200TPD, 对应的投资成本为 2.1 亿元~34.3 亿元,氢液化装置具备规模效应。根据《节能与新能源 汽车技术路线图 2.0》相关规划,到 2025 年我国加氢站的建设目标为至少 1000 座。据以 上数据测算得出 2022/2025/2030 年,液氢工厂市场空间为 4.86/48/900 亿元。

4.5 相关公司情况整理

厚普股份:公司在加氢站领域已形成了从设计到关键部件研发、生产,成套设备集成、 加氢站安装调试和售后服务等覆盖整个产业链的业务能力。2019 年公司与法液空合作设立 的合资公司液空厚普,依托法液空在全球氢能市场的先进技术,具有液氢等技术的引入通 道和国际市场空间,致力于加氢站设备的研发、生产和销售,为氢能产业提供基础设施服 务,承建了目前全球规模最大的加氢站——北京大兴国际氢能示范区加氢示范站,单日氢 气加注量可达 4.8 吨。公司产品包括加氢机、加氢枪、压缩氢气加氢机检定装置、加氢质 量流量计、加氢橇装设备,49t 车载液氢储供系统,其产品均为自研自制。

冰轮环境:公司突破了氢气液化的大型氦气压缩机关键技术,新型高效氦气螺杆压缩 机入选第一批能源领域首台重大技术装备项目;加氢站用高压加氢压缩机整体性能达到国 际先进水平;此外公司还实现了燃料电池两大核心部件——空压机和氢气循环泵的产业化, 并在相应细分市场均已占据主流份额。

深冷股份:公司已先后取得了制氢、氢液化、液氢储罐的相关专利,已具备制氢、氢 液化、氢储运及加注等成套装备的设计、制造一站式解决方案提供能力,具备了提供液氢 加氢站装置的技术和装备能力。 公司根据国内氢行业政策导向和市场发展的趋势积极进行 液氢装置、氢加注站市场推广工作,探索以液氢技术为核心打造制氢、储氢、用氢的氢能 源示范产业链,示范产业链的示范目标是实现零排放、碳中和。

中泰股份:公司已在氢能源的制氢-储氢-加氢站全产业链有所布局。公司具备成熟的 大规模制取高纯度氢的技术以及业绩,在煤制氢的深冷分离工艺段已取得国内领先地位;氢 液化领域,公司具备为大规模氢液化提供核心设备的业绩,同时,将借助重组标的公司成 熟的加气站网络,利用公司现有技术布局加氢站,在氢能市场化应用时可快速切入市场。 值得一提的是,2021 年 6 月,公司与赤峰市松山区人民政府、中船风电,润丰能源签署合 作协议,联合投资风电与光伏核心装备制造、风电场与光伏电站开发建设、制氢及氢液化 等产业化项目,标志着公司在氢液化领域的布局。

嘉化能源:围绕“长三角氢能走廊”建设,公司充分利用园区内大规模副产氢优势, 与美国空气产品公司(AP)和三江化工签署三方合作协议,利用三江化工的液氮资源和公司 副产氢气资源,共同发展液氢产业;公司还与浙能集团共同合作的氢能综合利用项目。建 设浙江省内第一座液氢工厂。

鸿达兴业:公司是氯碱制氢龙头企业,于内蒙古建设运营了我国首个民用液氢工厂, 成为全球屈指可数的能生产液氢的企业之一,并实现了液氢的远途运输。公司已具备高压 气态、液态、稀土固态三种不同的储氢路线,尤其是后两种都在进行规模化的技术推广。 近年来,鸿达兴业已经先后与北京航天试验技术研究所、日本旭化成株式会社、法国液化 空气、日本东芝等相关机构建立战略合作伙伴关系,通过引进国内外先进技术和设备,在 氯碱制氢行业不断巩固领先地位,逐渐形成了液氢、高纯氢气、超纯氢气等氢气全业态产 能,公司也因此成为国内最早开展液氢生产和储运联动业务的公司,并且正在开展分布式 能源的应用和示范。

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