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        1. 當前位置: 首頁(yè) > 資料 > 行業(yè)分析

          儲氫技術(shù)新拐點(diǎn):零部件國產(chǎn)化利好Ⅳ型瓶,固態(tài)儲氫潛力可期

          第一財經(jīng)發(fā)布時(shí)間:2024-10-22 10:41:32

            氫能作為熱值高、無(wú)碳排、無(wú)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,氫儲運是至關(guān)重要的一環(huán),它涉及氫氣的儲存、運輸和配送,對氫能產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化和規?;l(fā)展起著(zhù)決定性作用。目前,氫氣儲運成本占終端用氫成本構成比例超30%。近年來(lái),儲氫瓶材料的國產(chǎn)替代、固態(tài)儲氫的崛起等給氫儲運產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了新的發(fā)展前景。

            氣液固三條儲氫路線(xiàn)特點(diǎn)不同,有各自適應場(chǎng)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(guò)高壓儲氫瓶實(shí)現;液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫技術(shù)尚未實(shí)現商業(yè)化,但近年來(lái)持續有技術(shù)進(jìn)展,具備發(fā)展潛力。

            高壓氣態(tài)儲氫是指通過(guò)高壓將氫氣壓縮到一個(gè)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。目前應用最多的容器是儲氣罐和車(chē)載儲氫瓶,壓力通常分為35MPa和70MPa兩個(gè)級別。氣態(tài)儲氫在當前所有儲氫路線(xiàn)中應用最為廣泛,當下制約國內高壓儲氫進(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(lài)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)儲氫和有機液態(tài)儲氫兩種技術(shù)路線(xiàn)。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,導致液化過(guò)程能耗高,液化1kg的氫氣需要耗電4-10千瓦時(shí),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,因此應用限制在航空等少數場(chǎng)景,未能拓展至民用領(lǐng)域。

            有機液態(tài)儲氫是利用氫氣與有機介質(zhì)發(fā)生可逆化學(xué)反應,實(shí)現氫的儲存和釋放。烯烴、炔烴、芳烴等不飽和液態(tài)有機物是目前較為常見(jiàn)的有機液態(tài)儲氫材料。該技術(shù)具備穩定性高、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(wèn)題。受制于高昂的成本,目前兩條液態(tài)儲氫路線(xiàn)仍處于研發(fā)示范階段。

            固態(tài)儲氫是近年來(lái)的新亮點(diǎn),分為物理吸附儲氫和化學(xué)儲氫兩種路線(xiàn)。物理吸附儲氫是指通過(guò)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(wú)機多孔材料和金屬有機骨架化合物等,其缺點(diǎn)主要在于大多數物理吸附類(lèi)材料在較低的溫度下才能達到一定的儲氫密度,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),應用前景為市場(chǎng)所看好。

            中國能建(601868.SH)華北電力設計院高級工程師田江南對第一財經(jīng)表示,三種儲氫路線(xiàn)有各自適用的應用場(chǎng)景,沒(méi)有孰優(yōu)孰劣之分。他指出,氫能儲運成本與儲運距離和儲運量有密切關(guān)系,短距離、低用量的氫氣需求(運距200km以?xún)?適合高壓氣態(tài)儲運和固態(tài)合金儲運,但前者需要用氫端投資建設高壓氫氣存儲設施;中距離低用量的氫氣需求(運距200-500km以?xún)?適合液氫儲運,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(guò)程中產(chǎn)生的汽化損失;長(cháng)距離高用量的氫氣需求(運距大于500km)適合長(cháng)輸管道運輸,但是氫氣長(cháng)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(shí)日

            儲氫瓶是高壓氣態(tài)儲氫的關(guān)鍵載體,也是氫儲運中商業(yè)化程度較高的環(huán)節。當前國內車(chē)載儲氫瓶仍以35MPa的Ⅲ型瓶為主,已經(jīng)批量應用;Ⅳ型儲氫瓶不斷取得研發(fā)進(jìn)展,迎來(lái)了國家標準規范,正在加速發(fā)展,是下階段值得關(guān)注的重點(diǎn)。

            二者主要區別在于Ⅲ型瓶?jì)饶懖牧蠟殇X合金,Ⅳ型瓶?jì)饶懖牧蠟楦邚秃纤芰?共同點(diǎn)在于外部均為全向纏繞碳纖維復合材料。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?jì)Υ娴臍錃庠蕉?

            壽命長(cháng):Ⅳ型瓶的內膽是塑料材質(zhì),更不易疲勞失效,使用年限可延長(cháng)至15年;

            氫脆風(fēng)險低:Ⅳ型儲氫瓶的內膽通常采用高復合塑料,相比Ⅲ型瓶的金屬內膽更耐腐蝕,可以有效避免應力腐蝕和氫脆現象。

           ?、粜蛢淦坎粌H性能更優(yōu),成本也低于Ⅲ型儲氫瓶。根據中國科學(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(jià)格分別為3084美元、3921美元,而35MPa、70MPa的儲氫Ⅳ型瓶成本價(jià)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):

            內膽材料:Ⅳ型瓶的內膽采用高復合塑料,如聚酰胺(PA)或高密度聚乙烯(HDPE),相比Ⅲ型瓶的金屬鋁內膽,在單位質(zhì)量上的價(jià)格更低,且易于成型,從而降低了整體制造成本;

            纏繞工藝:Ⅳ型瓶的塑料內膽不需要熱處理,且成型更加容易,相比Ⅲ型瓶的金屬內膽,其纏繞工藝更為簡(jiǎn)便,降低了制造成本;

            材料節約性:碳纖維是儲氫瓶成本的最主要部分,Ⅳ型瓶在設計時(shí)可以提高碳纖維復合材料利用率,減少材料的使用量,從而降低成本,隨著(zhù)纏繞設備的生產(chǎn)效率、現行設計的精準度等方面的提升,Ⅳ型瓶的成本優(yōu)勢將更加明顯。

            2023年5月23日,我國國家標準《車(chē)用壓縮氫氣塑料內膽碳纖維全纏繞氣瓶》發(fā)布,于2024年6月1日正式實(shí)施,標志著(zhù)Ⅳ型瓶的標準化向前邁進(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(zhù)Ⅳ型瓶替代Ⅲ型瓶的進(jìn)程會(huì )一蹴而就。

            在今年6月的2024國際氫能與燃料電池汽車(chē)大會(huì )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(chē)、城市物流車(chē)、專(zhuān)用車(chē)等對輕量化和續航并不會(huì )有很高要求的車(chē)型,35MPa的Ⅲ型瓶方案基本可以滿(mǎn)足運營(yíng)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(chē)型對于輕量化和續航需求就更高,大容積、高壓力的Ⅳ型瓶產(chǎn)品在重卡領(lǐng)域可能也會(huì )擁有更多機會(huì )。

            此外,也有業(yè)內分析指出,Ⅳ型瓶的塑料內膽與金屬接頭之間密封可靠性不足、塑料內膽剛度偏低、對溫度更敏感的問(wèn)題也有待進(jìn)一步解決。

            以此判斷,Ⅲ型瓶和Ⅳ型瓶在未來(lái)一段時(shí)間內將形成錯位競爭關(guān)系,而非完全替代。

            儲氫瓶廠(chǎng)商中,中集安瑞科(3899.HK)是能源儲運設備的生產(chǎn)廠(chǎng)商和工程服務(wù)廠(chǎng)商,其業(yè)務(wù)覆蓋整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)鏈,包括高壓管束氫氣運輸車(chē)、液氫儲罐、加氫機等設備的生產(chǎn)。公司2021年與Hexagon Purus AS合作,計劃建立年產(chǎn)能約為10萬(wàn)個(gè)儲氫瓶的生產(chǎn)線(xiàn),并預計在2024年投產(chǎn)。

            中材科技已建設完成年產(chǎn)10萬(wàn)只氫氣瓶智能化纏繞生產(chǎn)線(xiàn),并具備3萬(wàn)只儲氫瓶產(chǎn)能,計劃在“十四五”末期形成20萬(wàn)只產(chǎn)能。公司是國內首家既掌握70MPa IV型儲氫氣瓶關(guān)鍵核心技術(shù)、擁有自主知識產(chǎn)權,又同時(shí)具備自動(dòng)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)權的新一代車(chē)載儲氫IV型瓶,已建成一條柔性化IV型瓶生產(chǎn)線(xiàn)。

            國富氫能是國內較早開(kāi)展IV型儲氫瓶技術(shù)研發(fā)的企業(yè)之一,已經(jīng)實(shí)現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(xiàn),產(chǎn)能可達1萬(wàn)只。

            碳纖維國產(chǎn)化已見(jiàn)成效,部分零部件仍依賴(lài)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)現國產(chǎn)化。

            碳纖維復合材料是儲氫瓶成本的最主要構成部分,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。近年來(lái),隨著(zhù)國內企業(yè)中復神鷹(688295.SH)、光威復材(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(zhù)提升,打破了國外壟斷。

            其中,中復神鷹已建成國內首條具有自主知識產(chǎn)權的千噸級干噴濕紡碳纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線(xiàn),掌握了T300級、T700級、T800級等碳纖維的千噸級技術(shù)和T1000級百?lài)嵓壖夹g(shù)。光威復材今年2月接受投資者調研時(shí)稱(chēng),公司T700S級/T800S級目前2000噸產(chǎn)能處于滿(mǎn)產(chǎn)狀態(tài)。

            碳纖維復合材料的纏繞工藝也對Ⅳ型儲氫瓶的制造過(guò)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,還能有效增強復合材料的耐壓能力,進(jìn)而提升儲氫瓶的整體性能和使用壽命。目前,國內廠(chǎng)商在纏繞設備的工作效率、設計精準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、降壓穩壓、溫度壓力實(shí)時(shí)監測等作用。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70MPa的Ⅳ型瓶所應用的瓶口閥目前以進(jìn)口為主,主要供應商包括加拿大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。國內瓶口閥廠(chǎng)商如未勢能源、富瑞特裝(300228.SZ)、江蘇神通(002438.SZ)等正在開(kāi)展Ⅳ型瓶瓶口閥相關(guān)研發(fā),但設計、制造和測試方面與國外尚存差距,大部分處于送樣階段,未形成批量供應能力。

           ?、粜蛢淦康膬饶懲ǔ2捎酶邚秃纤芰喜牧?,研發(fā)內膽材料和精進(jìn)成型工藝是實(shí)現Ⅳ型儲氫瓶國產(chǎn)化的技術(shù)挑戰之一。在充注氫氣時(shí),為防止內膽材料受損,需將氫氣冷卻至-40℃,這要求內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,內膽材料還需具備優(yōu)異的阻隔性和低氫氣滲透率,以防內膽失穩或屈服,確保氣瓶的使用壽命和安全性。

            當前國內Ⅳ型儲氫瓶?jì)饶懖牧现饕蓢馄髽I(yè)供應,包括日本宇部興產(chǎn)、荷蘭帝斯曼、美國杜邦(塞拉尼斯)、法國阿科瑪等,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(lái)商業(yè)價(jià)值持續提升。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(lèi)固態(tài)儲氫材料技術(shù)路線(xiàn)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(cháng)、可回收等。鎂合金的體積儲氫密度能夠達到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(guò)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,放氫溫度需要達到300℃左右,增加了成本。同時(shí),鎂或鎂合金表面容易形成一層致密的氧化層,導致反應速率的降低。

            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(jiǎn)單、價(jià)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)應用的需求,成本較為經(jīng)濟。然而,鈦系儲氫材料難以激活,容易受到中毒影響,滯后效應也較為嚴重。

            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(lèi)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、熱穩定性和循環(huán)穩定性好等。但是,稀土儲氫材料的生產(chǎn)成本較高,在吸氫和放氫過(guò)程中需要經(jīng)歷特定的溫度和壓力變化,這對相關(guān)設備的設計和制造提出了更高要求。

            在幾條路線(xiàn)中,鎂基儲氫材料技術(shù)路線(xiàn)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)丁文江院士團隊、云海金屬與重慶大學(xué)潘復生院士團隊均采用合作方式進(jìn)行了相關(guān)開(kāi)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)儲運氫車(chē)(MH-100T),單車(chē)儲氫量為高壓氣態(tài)儲氫的3倍左右,實(shí)現了常溫常壓儲氫。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略合作協(xié)議》。今年9月,江蘇華鎂時(shí)代全球首條百?lài)嵓夋V基固態(tài)儲氫材料生產(chǎn)線(xiàn)在我國投料試產(chǎn)一次性開(kāi)車(chē)成功。

            總體來(lái)看,固態(tài)儲氫處于發(fā)展早期。有業(yè)內觀(guān)點(diǎn)認為,雖然材料層面的研究已經(jīng)取得進(jìn)展,但想實(shí)現固態(tài)儲氫的大范圍市場(chǎng)推廣,需要進(jìn)一步的系統性構建,包括產(chǎn)品、設備乃至完整解決方案。此外,當前固態(tài)儲氫裝置的成本較高,預計隨著(zhù)產(chǎn)線(xiàn)規模的擴大和自動(dòng)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(chē)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(dòng)力總成系統集成開(kāi)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、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)儲氫系統示范裝置,此后又推出了固態(tài)儲氫裝置的氫燃料叉車(chē),標志著(zhù)稀土系儲氫材料在移動(dòng)載具領(lǐng)域得到成功應用。

            (本文來(lái)自第一財經(jīng))


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