南海氫能大會再啟新程
動態(tài)2024-10-22
氫能作為熱值高、無碳排、無污染的“終極能源”，推廣的關(guān)鍵在于全產(chǎn)業(yè)鏈降本。其中，氫儲運(yùn)是至關(guān)重要的一環(huán)，它涉及氫氣的儲存、運(yùn)輸和配送，對氫能產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化和規(guī)?；l(fā)展起著決定性作用。目前，氫氣儲運(yùn)成本占終端用氫成本構(gòu)成比例超30%。近年來，儲氫瓶材料的國產(chǎn)替代、固態(tài)儲氫的崛起等給氫儲運(yùn)產(chǎn)業(yè)帶來了新的發(fā)展前景。
氣液固三條儲氫路線特點(diǎn)不同，有各自適應(yīng)場景
氫氣的儲存方式主要有氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫三種形式。氣態(tài)儲氫技術(shù)相對成熟，主要通過高壓儲氫瓶實(shí)現(xiàn);液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，但近年來持續(xù)有技術(shù)進(jìn)展，具備發(fā)展?jié)摿Α?/p>
高壓氣態(tài)儲氫是指通過高壓將氫氣壓縮到一個耐高壓的容器或地下儲氣庫中，其儲氫量與儲存壓力成正比。目前應(yīng)用最多的容器是儲氣罐和車載儲氫瓶，壓力通常分為35MPa和70MPa兩個級別。氣態(tài)儲氫在當(dāng)前所有儲氫路線中應(yīng)用最為廣泛，當(dāng)下制約國內(nèi)高壓儲氫進(jìn)一步發(fā)展的主要因素是儲氫瓶部分材料、工藝、零部件仍然依賴進(jìn)口，國產(chǎn)替代品性能仍有差距。
液態(tài)儲氫包含低溫液態(tài)儲氫和有機(jī)液態(tài)儲氫兩種技術(shù)路線。低溫液態(tài)儲氫基本原理是將氫氣壓縮冷卻至-253℃使其液化，并儲存在低溫絕熱容器中，液氫密度可達(dá)70.78kg/m³。該技術(shù)具備儲量大、純度高、占地小、充裝快等優(yōu)勢，但氫氣液化溫度低，導(dǎo)致液化過程能耗高，液化1kg的氫氣需要耗電4-10千瓦時，且需要特殊的抗凍、抗壓、高絕熱儲氫容器，綜合成本居高不下，因此應(yīng)用限制在航空等少數(shù)場景，未能拓展至民用領(lǐng)域。
有機(jī)液態(tài)儲氫是利用氫氣與有機(jī)介質(zhì)發(fā)生可逆化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)氫的儲存和釋放。烯烴、炔烴、芳烴等不飽和液態(tài)有機(jī)物是目前較為常見的有機(jī)液態(tài)儲氫材料。該技術(shù)具備穩(wěn)定性高、安全性好、儲氫密度大、儲氫介質(zhì)可循環(huán)使用等優(yōu)勢，但存在脫氫溫度高、效率低、能耗大等問題。受制于高昂的成本，目前兩條液態(tài)儲氫路線仍處于研發(fā)示范階段。
固態(tài)儲氫是近年來的新亮點(diǎn)，分為物理吸附儲氫和化學(xué)儲氫兩種路線。物理吸附儲氫是指通過范德華力將氫氣分子吸附在固體表面，儲氫材料包括碳基材料、無機(jī)多孔材料和金屬有機(jī)骨架化合物等，其缺點(diǎn)主要在于大多數(shù)物理吸附類材料在較低的溫度下才能達(dá)到一定的儲氫密度，常溫常壓下吸氫量很低?；瘜W(xué)儲氫材料主要包括金屬氫化物、配位氫化物、化學(xué)氫化物等。其中，金屬氫化物因其高氫儲存容量和良好的循環(huán)穩(wěn)定性而成為研究重點(diǎn)。固態(tài)儲氫可在接近常溫常壓的環(huán)境中完成儲放，兼具體積儲氫密度高、可逆性、循環(huán)壽命高、安全性好、供氫純度高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景為市場所看好。
中國能建(601868.SH)華北電力設(shè)計院高級工程師田江南對第一財經(jīng)表示，三種儲氫路線有各自適用的應(yīng)用場景，沒有孰優(yōu)孰劣之分。他指出，氫能儲運(yùn)成本與儲運(yùn)距離和儲運(yùn)量有密切關(guān)系，短距離、低用量的氫氣需求(運(yùn)距200km以內(nèi))適合高壓氣態(tài)儲運(yùn)和固態(tài)合金儲運(yùn)，但前者需要用氫端投資建設(shè)高壓氫氣存儲設(shè)施;中距離低用量的氫氣需求(運(yùn)距200-500km以內(nèi))適合液氫儲運(yùn)，但目前氫氣液化成本仍然較高，另外需考慮液氫日常儲存過程中產(chǎn)生的汽化損失;長距離高用量的氫氣需求(運(yùn)距大于500km)適合長輸管道運(yùn)輸，但是氫氣長輸管道初始投資較高。
?、粜推啃阅艹杀靖鼉?yōu)，但取代Ⅲ型瓶仍待時日
儲氫瓶是高壓氣態(tài)儲氫的關(guān)鍵載體，也是氫儲運(yùn)中商業(yè)化程度較高的環(huán)節(jié)。當(dāng)前國內(nèi)車載儲氫瓶仍以35MPa的Ⅲ型瓶為主，已經(jīng)批量應(yīng)用;Ⅳ型儲氫瓶不斷取得研發(fā)進(jìn)展，迎來了國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，正在加速發(fā)展，是下階段值得關(guān)注的重點(diǎn)。
二者主要區(qū)別在于Ⅲ型瓶內(nèi)膽材料為鋁合金，Ⅳ型瓶內(nèi)膽材料為高復(fù)合塑料;共同點(diǎn)在于外部均為全向纏繞碳纖維復(fù)合材料。與Ⅲ型儲氫瓶相比，Ⅳ型儲氫瓶具備更多優(yōu)點(diǎn)：
自重輕：Ⅲ型瓶重容比約為0.98，Ⅳ型瓶重容比約為0.74，重容比越小，相同容積下儲氫瓶的質(zhì)量越輕，從而可以提高有效載荷;
儲氫量高：Ⅳ型瓶的儲氫密度在6%以上，Ⅲ型瓶的儲氫密度在4%左右，儲氫密度越大，同等質(zhì)量的儲氫瓶儲存的氫氣越多;
壽命長：Ⅳ型瓶的內(nèi)膽是塑料材質(zhì)，更不易疲勞失效，使用年限可延長至15年;
氫脆風(fēng)險低：Ⅳ型儲氫瓶的內(nèi)膽通常采用高復(fù)合塑料，相比Ⅲ型瓶的金屬內(nèi)膽更耐腐蝕，可以有效避免應(yīng)力腐蝕和氫脆現(xiàn)象。
Ⅳ型儲氫瓶不僅性能更優(yōu)，成本也低于Ⅲ型儲氫瓶。根據(jù)中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所近期的測算，35MPa、70MPa的儲氫Ⅲ型瓶成本價格分別為3084美元、3921美元，而35MPa、70MPa的儲氫Ⅳ型瓶成本價格分別為2865美元和3486美元，分別低7%和11%。
其主要原因有三點(diǎn)：
內(nèi)膽材料：Ⅳ型瓶的內(nèi)膽采用高復(fù)合塑料，如聚酰胺(PA)或高密度聚乙烯(HDPE)，相比Ⅲ型瓶的金屬鋁內(nèi)膽，在單位質(zhì)量上的價格更低，且易于成型，從而降低了整體制造成本;
纏繞工藝：Ⅳ型瓶的塑料內(nèi)膽不需要熱處理，且成型更加容易，相比Ⅲ型瓶的金屬內(nèi)膽，其纏繞工藝更為簡便，降低了制造成本;
材料節(jié)約性：碳纖維是儲氫瓶成本的最主要部分，Ⅳ型瓶在設(shè)計時可以提高碳纖維復(fù)合材料利用率，減少材料的使用量，從而降低成本，隨著纏繞設(shè)備的生產(chǎn)效率、現(xiàn)行設(shè)計的精準(zhǔn)度等方面的提升，Ⅳ型瓶的成本優(yōu)勢將更加明顯。
2023年5月23日，我國國家標(biāo)準(zhǔn)《車用壓縮氫氣塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》發(fā)布，于2024年6月1日正式實(shí)施，標(biāo)志著Ⅳ型瓶的標(biāo)準(zhǔn)化向前邁進(jìn)了重要一步，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程有望加速。
但這并不意味著Ⅳ型瓶替代Ⅲ型瓶的進(jìn)程會一蹴而就。
在今年6月的2024國際氫能與燃料電池汽車大會上，中材科技(002080.SZ)副總經(jīng)理李樺圣表示，在35MPa的工作壓力下，大容積Ⅲ型瓶與Ⅳ型瓶子相比更具成本優(yōu)勢，對于公交車、城市物流車、專用車等對輕量化和續(xù)航并不會有很高要求的車型，35MPa的Ⅲ型瓶方案基本可以滿足運(yùn)營需求，Ⅳ型瓶的性能優(yōu)勢并不明顯。而在70MPa的工作壓力下，Ⅳ型瓶輕量化、低成本的優(yōu)勢才得以凸顯。重卡車型對于輕量化和續(xù)航需求就更高，大容積、高壓力的Ⅳ型瓶產(chǎn)品在重卡領(lǐng)域可能也會擁有更多機(jī)會。
此外，也有業(yè)內(nèi)分析指出，Ⅳ型瓶的塑料內(nèi)膽與金屬接頭之間密封可靠性不足、塑料內(nèi)膽剛度偏低、對溫度更敏感的問題也有待進(jìn)一步解決。
以此判斷，Ⅲ型瓶和Ⅳ型瓶在未來一段時間內(nèi)將形成錯位競爭關(guān)系，而非完全替代。
儲氫瓶廠商中，中集安瑞科(3899.HK)是能源儲運(yùn)設(shè)備的生產(chǎn)廠商和工程服務(wù)廠商，其業(yè)務(wù)覆蓋整個氫能產(chǎn)業(yè)鏈，包括高壓管束氫氣運(yùn)輸車、液氫儲罐、加氫機(jī)等設(shè)備的生產(chǎn)。公司2021年與Hexagon Purus AS合作，計劃建立年產(chǎn)能約為10萬個儲氫瓶的生產(chǎn)線，并預(yù)計在2024年投產(chǎn)。
中材科技已建設(shè)完成年產(chǎn)10萬只氫氣瓶智能化纏繞生產(chǎn)線，并具備3萬只儲氫瓶產(chǎn)能，計劃在“十四五”末期形成20萬只產(chǎn)能。公司是國內(nèi)首家既掌握70MPa IV型儲氫氣瓶關(guān)鍵核心技術(shù)、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，又同時具備自動化批量生產(chǎn)能力的企業(yè)。
京城股份(600860.SH)子公司天海工業(yè)2021年推出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代車載儲氫IV型瓶，已建成一條柔性化IV型瓶生產(chǎn)線。
國富氫能是國內(nèi)較早開展IV型儲氫瓶技術(shù)研發(fā)的企業(yè)之一，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)70MPa IV型儲氫瓶的量產(chǎn)，并在2022年建成氫能裝備產(chǎn)業(yè)基地二期IV型瓶產(chǎn)線，產(chǎn)能可達(dá)1萬只。
碳纖維國產(chǎn)化已見成效，部分零部件仍依賴進(jìn)口
?、粜蛢淦客茝V的另一大障礙在于其原材料、制造工藝、核心零部件尚未完全實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。
碳纖維復(fù)合材料是儲氫瓶成本的最主要構(gòu)成部分，占比60%-80%。早期，高壓儲氫瓶用碳纖維采用的T700、T800碳纖維主要由日本東麗供應(yīng)。近年來，隨著國內(nèi)企業(yè)中復(fù)神鷹(688295.SH)、光威復(fù)材(300699.SZ)、吉林化纖(000420.SZ)取得技術(shù)突破，國產(chǎn)高性能碳纖維產(chǎn)能、質(zhì)量等方面均有了顯著提升，打破了國外壟斷。
其中，中復(fù)神鷹已建成國內(nèi)首條具有自主知識產(chǎn)權(quán)的千噸級干噴濕紡碳纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線，掌握了T300級、T700級、T800級等碳纖維的千噸級技術(shù)和T1000級百噸級技術(shù)。光威復(fù)材今年2月接受投資者調(diào)研時稱，公司T700S級/T800S級目前2000噸產(chǎn)能處于滿產(chǎn)狀態(tài)。
碳纖維復(fù)合材料的纏繞工藝也對Ⅳ型儲氫瓶的制造過程起到關(guān)鍵作用。良好的纏繞工藝不僅能減少碳纖維的使用量，從而降低成本，還能有效增強(qiáng)復(fù)合材料的耐壓能力，進(jìn)而提升儲氫瓶的整體性能和使用壽命。目前，國內(nèi)廠商在纏繞設(shè)備的工作效率、設(shè)計精準(zhǔn)度以及材料利用效率等方面，仍有待進(jìn)一步提高和優(yōu)化。
瓶口閥是儲氫瓶的另一重要零部件，集成了TPRD、電磁閥、壓力傳感器、溫度傳感器等功能部件，起到密封、降壓穩(wěn)壓、溫度壓力實(shí)時監(jiān)測等作用。瓶口閥需要避免發(fā)生侵蝕氫脆，技術(shù)難度較高。Ⅳ型儲氫瓶的可靠密封技術(shù)是決定其儲氫安全的關(guān)鍵。
國內(nèi)70MPa的Ⅳ型瓶所應(yīng)用的瓶口閥目前以進(jìn)口為主，主要供應(yīng)商包括加拿大GFI、意大利OMB和美國Luxfer等公司，成本較高，為35MPa的Ⅲ型儲氫瓶瓶口閥的3-5倍。國內(nèi)瓶口閥廠商如未勢能源、富瑞特裝(300228.SZ)、江蘇神通(002438.SZ)等正在開展Ⅳ型瓶瓶口閥相關(guān)研發(fā)，但設(shè)計、制造和測試方面與國外尚存差距，大部分處于送樣階段，未形成批量供應(yīng)能力。
?、粜蛢淦康膬?nèi)膽通常采用高復(fù)合塑料材料，研發(fā)內(nèi)膽材料和精進(jìn)成型工藝是實(shí)現(xiàn)Ⅳ型儲氫瓶國產(chǎn)化的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。在充注氫氣時，為防止內(nèi)膽材料受損，需將氫氣冷卻至-40℃，這要求內(nèi)膽材料具備良好的低溫力學(xué)性能以抵抗變硬和脆化。此外，內(nèi)膽材料還需具備優(yōu)異的阻隔性和低氫氣滲透率，以防內(nèi)膽失穩(wěn)或屈服，確保氣瓶的使用壽命和安全性。
當(dāng)前國內(nèi)Ⅳ型儲氫瓶內(nèi)膽材料主要由國外企業(yè)供應(yīng)，包括日本宇部興產(chǎn)、荷蘭帝斯曼、美國杜邦(塞拉尼斯)、法國阿科瑪?shù)?，成本較高，是下一階段國產(chǎn)化突破的重點(diǎn)。
固態(tài)儲氫大勢所趨，鎂基材料率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化
固態(tài)儲氫具備儲氫密度高、工作壓力低、安全性能好等優(yōu)勢，是安全用氫的發(fā)展方向，近年來商業(yè)價值持續(xù)提升。固態(tài)儲氫材料主要有儲氫合金、納米材料和石墨烯材料。其中，儲氫合金在我國已進(jìn)入商業(yè)化探索階段，鎂系、鈦系、稀土系三類固態(tài)儲氫材料技術(shù)路線前景被看好。
鎂合金作為儲氫介質(zhì)具有多重優(yōu)勢，包括成本低廉、質(zhì)量輕、體積小、循環(huán)使用壽命長、可回收等。鎂合金的體積儲氫密度能夠達(dá)到110kg/m³，分別是常溫常壓下氫氣密度的1191倍、70MPa高壓儲氫密度的2.7倍以及低溫液態(tài)氫密度的1.5倍。此外，鎂合金在儲放過程中能去除氫氣中的一氧化碳和硫化物等雜質(zhì)，提高純度。但是，鎂合金吸收和釋放氫氣的速度較慢，放氫溫度需要達(dá)到300℃左右，增加了成本。同時，鎂或鎂合金表面容易形成一層致密的氧化層，導(dǎo)致反應(yīng)速率的降低。
鈦基儲氫材料中，鈦鐵、鈦錳、鈦鎳等合金最為普遍，其優(yōu)點(diǎn)是制備簡單、價格便宜及吸放氫條件溫和。鈦合金在20℃左右的常溫環(huán)境中就能釋放氫氣，平衡氫壓大約為0.3MPa，非常接近實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的需求，成本較為經(jīng)濟(jì)。然而，鈦系儲氫材料難以激活，容易受到中毒影響，滯后效應(yīng)也較為嚴(yán)重。
稀土儲氫材料包括以鑭系、釔系、鐠系等稀土元素為主要成分的合金。這類材料優(yōu)點(diǎn)包括儲氫容量高(每克材料能夠存儲5%-7%的氫氣)、吸放溫度適中、速度迅速、容易激活、熱穩(wěn)定性和循環(huán)穩(wěn)定性好等。但是，稀土儲氫材料的生產(chǎn)成本較高，在吸氫和放氫過程中需要經(jīng)歷特定的溫度和壓力變化，這對相關(guān)設(shè)備的設(shè)計和制造提出了更高要求。
在幾條路線中，鎂基儲氫材料技術(shù)路線率先進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化階段。氫楓能源與上海交通大學(xué)丁文江院士團(tuán)隊、云海金屬與重慶大學(xué)潘復(fù)生院士團(tuán)隊均采用合作方式進(jìn)行了相關(guān)開發(fā)與研究。
2023年4月，氫楓能源聯(lián)合上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心發(fā)布了第一代噸級鎂基固態(tài)儲運(yùn)氫車(MH-100T)，單車儲氫量為高壓氣態(tài)儲氫的3倍左右，實(shí)現(xiàn)了常溫常壓儲氫。今年1月，氫楓能源與寶武鎂業(yè)(002182.SZ)就鎂基固態(tài)儲氫業(yè)務(wù)簽署了《上海氫楓能源技術(shù)有限公司與寶武鎂業(yè)科技股份有限公司戰(zhàn)略合作協(xié)議》。今年9月，江蘇華鎂時代全球首條百噸級鎂基固態(tài)儲氫材料生產(chǎn)線在我國投料試產(chǎn)一次性開車成功。
總體來看，固態(tài)儲氫處于發(fā)展早期。有業(yè)內(nèi)觀點(diǎn)認(rèn)為，雖然材料層面的研究已經(jīng)取得進(jìn)展，但想實(shí)現(xiàn)固態(tài)儲氫的大范圍市場推廣，需要進(jìn)一步的系統(tǒng)性構(gòu)建，包括產(chǎn)品、設(shè)備乃至完整解決方案。此外，當(dāng)前固態(tài)儲氫裝置的成本較高，預(yù)計隨著產(chǎn)線規(guī)模的擴(kuò)大和自動化程度的提高，成本有望大幅降低。
廈鎢新能(688778.SH)擁有5000噸儲氫合金生產(chǎn)能力，第三代車載貯氫合金材料已批量生產(chǎn)，AB2系列儲氫材料技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破。
厚普股份(300471.SZ)在氫能產(chǎn)業(yè)鏈布局11年，主要從事天然氣、氫氣的加注業(yè)務(wù)。今年4月，公司對外表示已具備固態(tài)儲氫產(chǎn)品設(shè)計和集成能力，其釩基固態(tài)儲氫已有項目落地。
圣元環(huán)保(300867.SZ)布局了多種固態(tài)儲氫材料，包括AB5型(稀土系)、AB2型(鈦系)和AB型(鐵鈦系)，并對其進(jìn)行動力總成系統(tǒng)集成開發(fā)。
安泰科技(000969.SZ)持股的安泰創(chuàng)明有固態(tài)電池業(yè)務(wù)，主要包括固態(tài)儲氫材料及燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、超級多孔骨架炭等儲能材料。今年4月，公司對外表示安泰創(chuàng)明的近室溫固態(tài)儲氫材料主要是以稀土鎳基、鈦錳基為主的固態(tài)金屬材料，目前已經(jīng)量產(chǎn)。
北方稀土(600111.SH)旗下的國家稀土功能材料創(chuàng)新中心牽頭研發(fā)了全國首臺套固態(tài)儲氫系統(tǒng)示范裝置，此后又推出了固態(tài)儲氫裝置的氫燃料叉車，標(biāo)志著稀土系儲氫材料在移動載具領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。
(本文來自第一財經(jīng))
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