淺談氫能儲運環節業務機會
來源: 發表日期:2024-02-16
2020年9月,我國在第七十五屆聯合國大會上明確提出了“雙碳”目標,此舉對我國既有的能源行業格局產生了深遠影響,但同時也為我國能源行業推進綠色低碳轉型指明了發展方向。氫能作為一種典型的綠色可再生二次能源,其來源廣泛、清潔無碳、可存儲、應用場景豐富等特點使其未來能夠成為國家能源體系的重要組成部分。氫的儲運處于氫能產業鏈的中游,連接著制氫和用氫兩端,是制約終端用氫總成本的關鍵因素。
一、國內氫能產業政策及氫能產業鏈發展現狀
(一)國內氫能產業政策
一、國內氫能產業政策及氫能產業鏈發展現狀
(一)國內氫能產業政策
“十三五”之前,氫能在我國基本處于產業化初期推廣階段;政策驅動是產業快速發展的關鍵,自2016年至今,國家有序出臺支持氫能產業健康發展的各項政策,涉及“制-儲-運-用”產業鏈的各個環節,從頂層設計層面明確了氫能產業的發展目標及重點任務。

圖一:2016-2022年國家層面氫能產業主要相關政策
截至目前,地方層面已發布氫能規劃和指導意見共計200余份,超過1/3的央企在氫能產業鏈上有所布局,全產業鏈規模以上工業企業超過300家,30個省級行政區將發展氫能納入地方政府“十四五”規劃。

圖二:部分地方政府氫能產業相關政策
(二)氫能產業鏈發展現狀
經過近五年的快速發展,我國的氫能產業鏈已趨于完善,初步掌握了氫能制備、儲運、加氫、燃料電池和系統集成等主要技術和生產工藝,在部分區域實現燃料電池汽車小規模示范應用,資本市場亦對氫能的關注持續升溫,產業鏈加速整合、協同創新,整體呈現集群化發展態勢。
經過近五年的快速發展,我國的氫能產業鏈已趨于完善,初步掌握了氫能制備、儲運、加氫、燃料電池和系統集成等主要技術和生產工藝,在部分區域實現燃料電池汽車小規模示范應用,資本市場亦對氫能的關注持續升溫,產業鏈加速整合、協同創新,整體呈現集群化發展態勢。

圖三:氫能全產業鏈示意圖
其中,制氫環節的技術路線日趨成熟。目前氫能結構呈“穩灰增綠”態勢,即以化石能源制氫和工業副產氫為主,電解水制氫的滲透率較低,但隨著多條可再生能源電解水制氫技術的突破,綠氫規模呈現增長態勢;氫能應用受制于成本因素,使用范圍較窄,目前主要應用在工業領域和交通領域(燃料電池汽車),在建筑、發電和發熱等領域仍處于探索階段;氫能儲運是氫能實現規模化應用的重要前提保證。囿于氫氣自身密度小、易逃逸、穩定性差等固有屬性,氫氣的儲存、運輸天然存在難度,儲運環節所產生的成本約占終端用氫總成本的30%--40%。近年來政府部門已陸續下發多個政策對氫儲運技術發展和氫儲運體系構建提出了明確規劃。
二、氫能儲運方式與運輸應用情景分析
(一)氫能的儲存方式
根據氫氣的物理形態,其儲存形態可分為氣態、液態和固態三種。現有的儲氫技術分為物理儲氫和化學儲氫,物理儲氫包括高壓氣態儲氫、低溫液化儲氫和固態材料吸附儲氫;化學儲氫主要包括有機液態儲氫、甲醇儲氫和液氨/氮氫。
二、氫能儲運方式與運輸應用情景分析
(一)氫能的儲存方式
根據氫氣的物理形態,其儲存形態可分為氣態、液態和固態三種。現有的儲氫技術分為物理儲氫和化學儲氫,物理儲氫包括高壓氣態儲氫、低溫液化儲氫和固態材料吸附儲氫;化學儲氫主要包括有機液態儲氫、甲醇儲氫和液氨/氮氫。

圖四:不同儲氫方式優劣及技術應用對比
(二)氫能的運輸方式
根據氫氣的儲存狀態,運輸方式可分為氣態運輸、液態運輸和固態運輸。目前高壓氣態運輸技術相對成熟,是我國現階段主要的運氫方式,包括使用長管拖車和管道運輸等方式;液氫運輸首先要將氫氣冷卻到零下252.72攝氏度液化存儲至特制的真空絕熱容器中,以液氫槽罐車、接駁船等方式運輸;固態運氫因固態儲氫技術復雜,成本較高,在我國尚處技術提升階段,僅有少量示范應用落地。
根據氫氣的儲存狀態,運輸方式可分為氣態運輸、液態運輸和固態運輸。目前高壓氣態運輸技術相對成熟,是我國現階段主要的運氫方式,包括使用長管拖車和管道運輸等方式;液氫運輸首先要將氫氣冷卻到零下252.72攝氏度液化存儲至特制的真空絕熱容器中,以液氫槽罐車、接駁船等方式運輸;固態運氫因固態儲氫技術復雜,成本較高,在我國尚處技術提升階段,僅有少量示范應用落地。

圖五:氫能的主要運輸方式之間的橫向對比
(三)不同情景下的氫能運輸應用分析
能源運輸普遍存在運量大、運距長、多占運輸能力等特點,因此從經濟性角度考量不同情景下采用何種方式進行氫能運輸是十分必要的。目前我國尚未大范圍普及氫能的應用,基于安全角度出發,氫氣的制取和使用通常不在同一地域發生,故在此僅考慮運輸距離對運氫成本的影響。考慮單一變量對運氫成本的影響,需要對其他變量進行一定的基本假設,如下圖所示。
能源運輸普遍存在運量大、運距長、多占運輸能力等特點,因此從經濟性角度考量不同情景下采用何種方式進行氫能運輸是十分必要的。目前我國尚未大范圍普及氫能的應用,基于安全角度出發,氫氣的制取和使用通常不在同一地域發生,故在此僅考慮運輸距離對運氫成本的影響。考慮單一變量對運氫成本的影響,需要對其他變量進行一定的基本假設,如下圖所示。

圖六:運氫成本測算基本假設
長管拖車作為目前最為成熟的氫能運輸方式,通過連接減壓閥即可方便、快捷地釋放所需氫氣。根據下圖的測算結果,當運輸距離為50km時,運輸成本為3.6元/kg,當運輸距離為500km 時,運輸成本將達到29.4元/kg,說明該種運輸方式隨著距離的增加其運輸成本會大幅上升,因此長管拖車運氫只適合短距離運輸(小于200km)。
圖七:不同運氫方式在不同運輸距離下的成本對比
上文已提到,液氫運輸首先要將氫氣冷卻到零下252.72 攝氏度液化存儲至特制的真空絕熱容器中,這一過程主要為耗電成本,在載氫量一定的情況下(即假設條件中的“滿載時氫氣質量”),運輸距離對耗電成本無影響。從上圖也可看出液氫槽罐車的運氫成本對距離不敏感,當運輸距離在50-500km時,運輸價格在10.4-11元/kg 范圍內。因此,液氫槽罐車在長距離運輸下更具成本優勢。
管道運氫成本主要來源于與輸送距離正相關的管材折舊與維護費用,雖然從上圖測算結果上看,管道運氫的成本最低,但在實際生產應用中其運氫成本很大程度上受到需求端的影響。
總之,在當下氫能產業仍處于初期發展階段,即對于大規模、長距離運氫的需求不強,采用高壓氣態運氫的方式最具性價比;當下游應用場景逐漸豐富后,液氫運輸的優勢將逐步顯現出來,并在一段時間內成為主流運氫方式;管道運氫因涉及土地、規劃審批及政府財政等諸多方面的因素限制,只有在政府與國、央企長期大力推動下才能形成規模化的輸氫管網,屆時管道運氫才將成為最為經濟的大規模運氫方式。
三、氫能儲運環節關鍵設備
現階段無論采用長管拖車高壓氣態運氫還是槽罐車液態運氫,壓縮機、儲氫容器和氫閥門都是在儲運環節中離不開的核心設備。
圖七:不同運氫方式在不同運輸距離下的成本對比
上文已提到,液氫運輸首先要將氫氣冷卻到零下252.72 攝氏度液化存儲至特制的真空絕熱容器中,這一過程主要為耗電成本,在載氫量一定的情況下(即假設條件中的“滿載時氫氣質量”),運輸距離對耗電成本無影響。從上圖也可看出液氫槽罐車的運氫成本對距離不敏感,當運輸距離在50-500km時,運輸價格在10.4-11元/kg 范圍內。因此,液氫槽罐車在長距離運輸下更具成本優勢。
管道運氫成本主要來源于與輸送距離正相關的管材折舊與維護費用,雖然從上圖測算結果上看,管道運氫的成本最低,但在實際生產應用中其運氫成本很大程度上受到需求端的影響。
總之,在當下氫能產業仍處于初期發展階段,即對于大規模、長距離運氫的需求不強,采用高壓氣態運氫的方式最具性價比;當下游應用場景逐漸豐富后,液氫運輸的優勢將逐步顯現出來,并在一段時間內成為主流運氫方式;管道運氫因涉及土地、規劃審批及政府財政等諸多方面的因素限制,只有在政府與國、央企長期大力推動下才能形成規模化的輸氫管網,屆時管道運氫才將成為最為經濟的大規模運氫方式。
三、氫能儲運環節關鍵設備
現階段無論采用長管拖車高壓氣態運氫還是槽罐車液態運氫,壓縮機、儲氫容器和氫閥門都是在儲運環節中離不開的核心設備。
(一)壓縮機
壓縮機在氫能產業鏈中的應用較為廣泛,在儲運環節應用較廣的是氫氣充裝壓縮機,其可根據需要完成氫氣的儲存、釋放及壓縮再儲存。以長管拖車高壓氣態運氫為例,充裝壓縮機首先將制成的氫氣壓縮至相應的儲氫容器中并以拖車運輸,待拖車行至指定地點后,充裝壓縮機、卸氣設備及冷卻機組共同配合將拖車管束內的氫氣卸裝并二次加壓存儲至氫氣使用端的儲氫容器中。
依據工作原理差異,主流氫氣壓縮機大致可分為隔膜式壓縮機和液驅式壓縮機。根據華經情報網的數據,截至2022年末我國隔膜式壓縮機的市場份額約為66%,占據市場主流地位;但氫氣壓縮機在向高壓、大排量方向發展的趨勢下,液驅式壓縮機因在排量上的優勢使其近兩年的關注度持續上升。
(二)儲氫容器
目前儲氫容器根據使用場景可分為固定鋼帶錯繞式壓力容器、高壓瓶式容器和絕熱密封儲罐等。其中固定鋼帶錯繞式壓力容器作為大型儲氫設備,適用于制氫企業儲存氣氫及加氫站儲存氣氫,其制造、運維成本較高,場地適應能力弱;高壓瓶式容器主要包括純鋼制金屬瓶(Ⅰ型)、鋼制內膽纖維纏繞瓶(Ⅱ型)、鋁內膽纖維纏繞瓶(Ⅲ型)及塑料內膽纖維纏繞瓶(Ⅳ型)4個類型,其中Ⅰ型和Ⅱ型瓶適用于一定規模量的氣態氫氣運輸,主要與長管拖車搭配使用,也可用于加氫站儲氫,Ⅲ型和Ⅳ型瓶的車載應用已經較為廣泛;絕熱密封儲罐主要用于儲存液氫,大多為球形結構,采用多層真空隔熱技術,自帶制冷機主動進行絕熱過程,可實現高絕熱和低損耗。
(三)氫閥門
氫閥門作為氣氫/液氫開閉流動的重要“關節”,其性能和安全可靠性十分重要,是我國長期依賴進口“被卡脖子”的關鍵部件。氫閥門涉及多種零件的設計、生產、組裝、集成,同時需要流體機械背景、集成經驗和工藝累積。目前國內已有創業團隊開始推動氫閥門的國產化改造生產。
四、我司開展相關業務的思考
(一)行業前景
剛剛閉幕的“兩會”中的政府工作報告首次明確提出“加快前沿新興氫能、新材料、創新藥等產業發展”,將氫能視作培育新興產業的重要方向。值得注意的是,氫能源在 2019 年政府工作報告中是以“加氫”字眼首次出現,而今年則是“氫能”首次在政府工作報告中完整體現;另據中國氫能聯盟研究院統計,在今年初的地方兩會上,22個省級行政區將氫能寫入政府工作報告,預計到2025年國內氫能產業產值將達到萬億規模。
氫能儲運問題正在成為氫能產業中的“卡脖子”問題。目前國內與氫能儲運相關的基礎設施發展相對滯后,日益增長的氫能市場需求與基礎設施的不匹配性問題愈發突出,導致氫能的優勢得不到充分發揮;同時氫能儲運以高壓氣態方式為主,整體效率偏低,也限制了氫能的規模化應用。因此,從長期來看,隨著氫能產業下游應用場景的逐步豐富,氫能儲運問題會在系列政策的引導和“下游拉動上游”的合力下分階段得以解決。
(二)展業切入口
目前氫能儲存所用材料、設備比較特殊且價格高昂,融資租賃可以關鍵設備使用方及其上游設備制造商、材料/配件供應商作為目標客戶,選擇合適的業務方式介入;另外,擁有長管拖車、液氫槽罐車等氫能運輸工具的企業及其上游生產制造企業亦可作為目標客戶群體。
壓縮機在氫能產業鏈中的應用較為廣泛,在儲運環節應用較廣的是氫氣充裝壓縮機,其可根據需要完成氫氣的儲存、釋放及壓縮再儲存。以長管拖車高壓氣態運氫為例,充裝壓縮機首先將制成的氫氣壓縮至相應的儲氫容器中并以拖車運輸,待拖車行至指定地點后,充裝壓縮機、卸氣設備及冷卻機組共同配合將拖車管束內的氫氣卸裝并二次加壓存儲至氫氣使用端的儲氫容器中。
依據工作原理差異,主流氫氣壓縮機大致可分為隔膜式壓縮機和液驅式壓縮機。根據華經情報網的數據,截至2022年末我國隔膜式壓縮機的市場份額約為66%,占據市場主流地位;但氫氣壓縮機在向高壓、大排量方向發展的趨勢下,液驅式壓縮機因在排量上的優勢使其近兩年的關注度持續上升。
(二)儲氫容器
目前儲氫容器根據使用場景可分為固定鋼帶錯繞式壓力容器、高壓瓶式容器和絕熱密封儲罐等。其中固定鋼帶錯繞式壓力容器作為大型儲氫設備,適用于制氫企業儲存氣氫及加氫站儲存氣氫,其制造、運維成本較高,場地適應能力弱;高壓瓶式容器主要包括純鋼制金屬瓶(Ⅰ型)、鋼制內膽纖維纏繞瓶(Ⅱ型)、鋁內膽纖維纏繞瓶(Ⅲ型)及塑料內膽纖維纏繞瓶(Ⅳ型)4個類型,其中Ⅰ型和Ⅱ型瓶適用于一定規模量的氣態氫氣運輸,主要與長管拖車搭配使用,也可用于加氫站儲氫,Ⅲ型和Ⅳ型瓶的車載應用已經較為廣泛;絕熱密封儲罐主要用于儲存液氫,大多為球形結構,采用多層真空隔熱技術,自帶制冷機主動進行絕熱過程,可實現高絕熱和低損耗。
(三)氫閥門
氫閥門作為氣氫/液氫開閉流動的重要“關節”,其性能和安全可靠性十分重要,是我國長期依賴進口“被卡脖子”的關鍵部件。氫閥門涉及多種零件的設計、生產、組裝、集成,同時需要流體機械背景、集成經驗和工藝累積。目前國內已有創業團隊開始推動氫閥門的國產化改造生產。
四、我司開展相關業務的思考
(一)行業前景
剛剛閉幕的“兩會”中的政府工作報告首次明確提出“加快前沿新興氫能、新材料、創新藥等產業發展”,將氫能視作培育新興產業的重要方向。值得注意的是,氫能源在 2019 年政府工作報告中是以“加氫”字眼首次出現,而今年則是“氫能”首次在政府工作報告中完整體現;另據中國氫能聯盟研究院統計,在今年初的地方兩會上,22個省級行政區將氫能寫入政府工作報告,預計到2025年國內氫能產業產值將達到萬億規模。
氫能儲運問題正在成為氫能產業中的“卡脖子”問題。目前國內與氫能儲運相關的基礎設施發展相對滯后,日益增長的氫能市場需求與基礎設施的不匹配性問題愈發突出,導致氫能的優勢得不到充分發揮;同時氫能儲運以高壓氣態方式為主,整體效率偏低,也限制了氫能的規模化應用。因此,從長期來看,隨著氫能產業下游應用場景的逐步豐富,氫能儲運問題會在系列政策的引導和“下游拉動上游”的合力下分階段得以解決。
(二)展業切入口
目前氫能儲存所用材料、設備比較特殊且價格高昂,融資租賃可以關鍵設備使用方及其上游設備制造商、材料/配件供應商作為目標客戶,選擇合適的業務方式介入;另外,擁有長管拖車、液氫槽罐車等氫能運輸工具的企業及其上游生產制造企業亦可作為目標客戶群體。