成本占比高達40%,氫能儲運多路徑降本,靜待產業鏈整體放量
來源:第一財經作者:李泓霖2023-07-18 15:29

儲運是氫能產業發展中的重要一環,也是氫能降本的關鍵環節之一

氫能儲運是氫能產業發展中的重要一環。由于氫氣密度非常小,單車氫氣運輸量少,導致運輸效率低、成本高,其成本占氫氣總成本的30%-40%。

以目前市面上主要的商用運輸手段——高壓氣態運輸為例,20MPa的氫氣運輸車整車+氫氣重量接近40噸左右,但實際有效的氫氣運輸量僅300多公斤,占整車重量的不足1%。

隨著產業鏈降本訴求不斷提升,儲運成為氫能降本的關鍵環節之一。第一財經采訪調研獲悉,氫能儲運環節正通過建設制加氫一體站、提升儲氫壓力、拓展運輸方式等多路徑尋求降本,有望率先受益于氫能市場整體放量增長。

降本路徑一之建站:取消氫氣運輸環節

2023年6月,上海、廣東先后推出制加氫一體站建設相關支持政策。

上海市經濟信息化委智能制造推進處處長韓大東在2023長三角燃料電池產業高峰論壇暨燃料電池產融對接路演會上表示,上海正推動臨港、嘉定等重點區域開展加氫站現場制氫試點;廣東省住房城鄉建設廳、發展改革委等12部門共同印發《廣東省燃料電池汽車加氫站建設管理暫行辦法》,允許在非化工園區建設制氫加氫一體站。

這一方式直接消除氫氣的運輸環節,有助于降低氫氣在交通應用領域的成本問題。

此前在2023年3月,據三一集團官微消息,其旗下三一氫能有限公司與廣泰氫能科技近日簽訂戰略合作協議,將在上海修建首座2000KG級加氫站。這是三一加氫站整體解決方案的首次商業化落地。

2023年4月,昇輝科技(300423.SZ)在互動平臺表示,公司近期正籌劃自建制氫加氫一體站。

2023年6月,江蘇國富氫能技術裝備股份有限公司與BroadenEnergy共同中標了阿布扎比國家石油公司建立的中東第一座制氫加氫一體站。

降本路徑二之儲存:三種方式提升儲氫壓力

從生產到運輸再到加氫站,氫氣儲存幾乎涉及氫能全產業鏈。若不考慮消除整個儲運環節,還可通過提升存儲壓力提高儲運效率、降低成本。

目前,氫氣儲存的方式主要有三種,分別是氣態儲氫、液態儲氫和固態儲氫。

上海氫楓能源技術有限公司首席技術官宣鋒在2023國際氫能與燃料電池汽車大會暨展覽會上表示,三種方式各有特點優勢,但也存在一定局限性,最重要的是在合適的場景找到合適的儲運氫方式。

綜合來看,高壓氣態儲氫在中短期內仍將是主流方案,未來低溫液態儲氫及固態儲氫有望逐步實現商業化。

1.氣態儲氫:高壓儲氫瓶亟待迭代升級

高壓氣態儲氫是通過高壓壓縮的方式存儲氣態氫,技術相對成熟,是目前應用最多的儲氫方式。由于氣態氫密度低,在同等體積下,可通過增加儲氫瓶壓力來增加儲氫量。

按材質分,高壓儲氫瓶可分為I型純鋼制金屬瓶、II型鋼制內膽纖維纏繞瓶、III型鋁制內膽纖維纏繞瓶、IV型塑料內膽纖維纏繞瓶。其中,IV型瓶通常為 70MPa,質量最輕,適合車載,是國外主流技術路線。

從應用領域來看,加氫站等固定式儲氫瓶多用I型、II型鋼制氫瓶;車用儲氫瓶方面,我國當前主要采用35MPa的III型瓶,少量應用70MPa III型瓶,美國Quantum(量子燃料系統公司)、通用汽車,日本豐田等海外企業則主要采用70MPa的IV型儲氫瓶;運輸用儲氫瓶,我國多為20MPa的I型瓶,國外主流運氫儲氫瓶已可達50MPa甚至更高。

國金證券數據顯示,運輸用儲氫瓶從20MPa提升到30MPa、50MPa,長管拖車載氫量可從300kg左右增至600kg左右、900kg左右。

近年來,國內企業積極推進儲氫容器的迭代升級。如中集安瑞科(03899.HK)分別在2021年、2022年實現了30MPa氫氣管束式集裝箱的研發、上市銷售。此外,該公司還成功研發了99MPa、103MPa站用儲氫瓶組等產品,完成了52MPa的高壓氣體運輸車的技術儲備。

2022年,中材科技(002080.SZ)完成20MPa鋼瓶集裝箱、30MPa復合瓶集裝箱運氫產品開發和型式認證,系統掌握70MPa加氫站用儲氫容器成套技術。

整體來看,我國IV型瓶工藝較海外仍落后,碳纖維材料、碳纖維纏繞設備與高壓罐體等加工設備高度依賴進口,這使得現階段IV型瓶的成本優勢不明顯。

就理論成本而言,在同等壓力條件下,由于IV型瓶用塑料內膽代替了III型瓶的金屬內膽,IV型瓶成本要低于III型瓶。以35Mpa儲氫瓶為例,Ⅳ型儲氫瓶成本為2865美元,Ⅲ型儲氫瓶的3921美元,成本下降27%。但據佛吉亞氫能中國區商務總監、研發經理顧鵬洲稱,“核算后發現,IV型瓶成本目前似乎沒有那么大的優勢”。

華安證券認為,隨著設備材料逐步實現國產化及規?;a,IV型瓶成本有望下降至III型瓶成本的0.6倍左右。另一氫能業內人士在接受第一財經采訪時則表示,預計IV型氫氣瓶在2025年之后將迎來全面爆發。

2.液態儲氫:成本偏高,大規模應用仍需時間

除了升級高壓氣態儲氫的儲氫瓶,還可通過轉變儲氫方式提升氫氣的儲氫量。

液態儲氫可分為低溫液態儲氫和有機液態儲氫。其中,低溫液氫是將上游氫氣經過液化廠低溫處理變成液態氫。相比于氣態儲氫,液氫的密度更高,是20MPa氫氣的5倍、35MPa氫氣的3倍、70MPa氫氣的1.8倍,適用于距離較遠、運輸量大的應用場景。

但目前低溫液氫在遠距離運輸中的成本相對來說還比較高。

為了長時間保持低溫狀態,低溫液態儲氫需使用具有良好絕熱性能的液氫儲罐、嚴格的絕熱方案與冷卻設備,再加上氫氣液化工程中能耗較大,EVTank數據顯示,低溫液化儲氫的總成本為132元/KG,遠高于20MPa高壓氣態儲氫的74元/KG,目前主要應用于軍事航天等對氫氣純度要求較高的領域。

上述業內人士稱,現階段歐美國家在液氫全產業鏈,尤其是在零部件和核心材料方面處于領先地位。目前我國的液氫工廠每天最大液化能力僅幾噸,海外一些大型液氫工廠可達幾十噸。

因此,液氫在國內的大規模推廣還有賴于液化工廠的建設推進,運輸、使用環節的改善也需要一定時間,此外還要長期關注相關政策法規的突破。

“所以我們認為當前還是會以高壓氣氫儲運路線為主,未來隨著綠氫大規模制取、氫氣消納問題凸顯,以及氫氣成本下降,液氫會迎來比較光明的未來?!鄙鲜鰳I內人士表示。

公司布局方面,2023年6月,中集安瑞科40英尺液氫罐箱成功下線;2022年,京城股份(600860.SH)下屬子公司天海低溫裝備公司開展《車用1000L液氫儲氫系統、固定式液氫儲罐等關鍵技術研發及產品開發》項目,現已通過驗收;中科富海聯合中科院理化所自2019年起先后投入300kg/D、1.5T/D、5T/D、10T/D成套氫氣液化裝置的開發,逐步實現成套裝備國產化。

3.固態儲氫:尚處于研發階段

固態儲氫是利用物理或化學吸附將氫氣儲存在固體材料之中,具有儲氫密度高、運行壓力低、安全性好等優點。

目前固態儲氫中較為熱門的技術是利用金屬氫化物儲氫,單位體積的金屬可以儲存常溫常壓下近千體積的氫氣,以二氫化鎂為代表的固態儲氫體積密度為86kg/m3,甚至優于低溫液態儲氫的71kg/m3。

上海交通大學氫科學中心教授鄒建新表示,金屬氫化物材料在應用過程中需要考慮四方面的內容,一是如何設計出高容量、長壽命的合金材料;二是材料設計出來后如何低成本的批量穩定加工;三是如何設計裝載材料的罐體才能更好的發揮材料性能;四是如何和應用場相結合。

由于固態儲氫的技術門檻較高,資金需求巨大,目前我國仍處于研發示范的早期階段。

氫楓能源與上海交通大學材料學院丁文江院士團隊共同建立了氫儲(上海)能源科技有限公司。2022年4月,該公司在河南新鄉高新區鎂合金高密度儲氫技術產業化項目的全球首條生產線建成投產測試。

厚普股份(300471.SZ)氫能裝備產業園一期項目包括低壓固態儲氫裝備項目——車載低壓固態儲氫系統10000套、大型儲能場景儲氫系統5000套/年、小型儲氫系統8000套/年,預計2023年7月開工。

2023年5月,圣元環保(300867.SZ)在互動平臺表示,公司的固態儲氫技術將會在工程車、商用車和乘用車等交通領域以及應急電源、分布式、集中式儲能等領域開發更多應用場景。

降本路徑三之運輸:著力提升氫氣運輸量及運輸距離

氫氣的運輸是氫能發展道路上又一關鍵環節,在氫氣總成本中占比達到20%-30%。氫氣的運輸方式主要由氫氣的儲存形式及運輸距離決定,目前主要包括長管拖車、氫氣管道、液氫槽車三種。

從儲運綜合成本來看,高壓長管車仍是短距離、小規模氫氣運輸的主要方式,隨著運輸里程增加,管道運輸、液氫槽車等方式的經濟性逐步凸顯。

1.長管拖車:高壓運氫預計成主流

長管拖車是目前氫氣運輸的主要方式,可以直接運輸到加注站,轉移步驟少,適合短距離、小規模的氫氣運輸。

長管拖車運輸量非常低,單車運輸量在250~300公斤左右,鄒建新表示,這個運輸能力對于當前的示范應用是夠的,但對于未來的大規模使用遠遠不夠。

成本方面,東吳證券測算,氫源距離為100公里時,長管拖車運氫成本為7.79元/kg;氫源距離從50km增加到500km,運氫成本從4.19元/kg增加到20.38元/kg。

成本主要源自油耗和人工。以20Mpa長管拖車為例,人工費用和油費占總成本的比重到62.48%,50Mpa長管拖車的人工費用和油費占總成本的54.98%。

“氫氣長管拖車除了要看采購成本,另一個就是運營成本?!鄙鲜鰳I內人士也稱,如果長管拖車實現了更高壓力的運輸,同樣的時間、人力成本下,可以大幅提升氫氣運輸量,進而降低運營成本。

華創證券測算,在運輸距離為100km時,20Mpa、50MPa長管拖車的運氫成本分別為6.65元/kg、 3.19元/kg,高壓運氫的成本優勢明顯。

上述業內人士認為,未來30MPa長管拖車會成為主流。隨著壓縮機、加注等上下游配套環節不斷升級,氫氣產業有望實現全生命周期的降本。

2.管道運輸:技術獲得突破,成本有待下降

和長管拖車相比,管道運輸更適用于長距離、大規模的高壓氣氫運輸。

由于錳鋼、鎳鋼以及其它高強度鋼長期暴露在氫氣中可能產生“氫脆”現象,再加上路權帶來的費用,目前氫氣長輸管道的造價約為63萬美元/公里,是天然氣管道造價的2.5倍。

為降低投資成本,研究人員嘗試利用現存天然氣管道輸送氫氣與天然氣混合氣,或將天然氣管道改造為氫氣管道。

但天然氣與氫氣物性存在不同,而且運氫管道直徑和設計壓力均小于天然氣管道,因此天然氣管道對氫氣的適應具有一定局限性。有研究表明,如果將摻混入天然氣的氫氣含量控制在15%~20%以內,可以直接利用現有天然氣管道輸送。

有滬上新能源行業分析師對第一財經表示,由于后續牽扯到天然氣和氫氣分離,大規模利用天然氣管道輸送混合氣的概率可能不大;如果后續采用管道輸送氫氣的量足夠大,單獨建氫氣輸送管道的經濟性好于混合運輸。

從規模來看,目前我國輸氫管道規模較小,總里程約400公里,在用管道僅百公里左右,主要由中國石油、中國石化、國家電投等大型國企建設。其中,中國石化巴陵—長嶺氫氣輸送管線,全長42公里,是目前國內已建成的最長氫氣輸送管線。

根據《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書》測算,2030年我國氫氣管道總里程將達到3000公里。2023年4月,中國石化宣布,“西氫東送”輸氫管道示范工程已被納入《石油天然氣“全國一張網”建設實施方案》?!拔鳉鋿|送”管道全長400多公里,是我國首條跨省區、大規模、長距離的純氫輸送管道。

同時,我國也在積極推動管道運輸的技術進步。2023年6月,在哈密國家管網集團管道斷裂控制試驗場,我國首次高壓力純氫管道試驗取得成功,工作人員完成了6.3兆帕管道充氫測試和9.45兆帕管道爆破測試,各項結果均達到預期。

國家電投集團氫能科技發展有限公司總經濟師王勐對第一財經表示,管道鋪設本身障礙不大,現在中石油、中石化也判斷通過長距離管道進行高壓輸氫技術上是沒問題的,主要是規劃、商業等方面還需要多方合作。

3、液氫運輸:尚未商用

液氫的密度達71g/L,65m3的液氫槽罐車每次可容納約4000kg的氫氣,是長管拖車單次運氫量的10倍以上。此外,與傳統壓縮氣氫加氫相比,使用液氫泵除了能耗更低外,還可以極大降低用地成本。

一套儲氫量在300-1000kg的高壓氫氣集束管需要占地60-80平方米,而一套儲氫量在400-6000kg的液氫儲罐僅占地10-30平方米。

然而,目前我國透平膨脹機、3000m3以上大型液氫儲罐、液氫泵等液氫關鍵設備仍依賴進口,相關法律法規尚不完善,液氫運輸審批困難,一定程度上限制了液氫罐車在民用領域的應用,液氫在短期內還無法成為運氫的主要手段。

結語

整體來看,我國氫能儲運環節相對薄弱,仍有許多痛點,以央企為代表的市場參與者正在積極尋求突破。

“比如中石化、中石油已擁有天然氣罐子、管道的供應商,有一定的基礎,且已具備危險化學品運輸資格資質等?!鄙鲜鲂履茉葱袠I分析師稱,民營企業也有資金和技術,但擁有安全資質的企業才有資格參與氫氣儲運。

未來,儲運環節的發展離不開整個氫能產業鏈的壯大。隨著產業鏈整體放量,氫能儲運環節的投資機會也將逐漸凸顯。

責任編輯: 李志強
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