氫能:“21世紀的終極能源”
國際能源轉(zhuǎn)型一直沿著從高碳到低碳、從低密度到高密度的路徑進行,而被譽為“21世紀的終極能源”的氫氣是目前公認的最為理想的能量載體和清潔能源提供者。
氫能是一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的二次能源,可通過多種途徑獲取。且符合我國碳減排大戰(zhàn)略,同時有利于解決我國能源安全問題,是我國能源革命的重要媒介。
氫能的應(yīng)用可以廣泛滲透到傳統(tǒng)能源的各個方面,包括交通運輸、工業(yè)燃料、發(fā)電等,主要技術(shù)是直接燃燒和燃料電池技術(shù)。
根據(jù)國際氫能委員會預(yù)計,到2050年,氫能將承擔全球18%的能源終端需求,創(chuàng)造超過2.5萬億美元的市場價值,燃料電池汽車將占據(jù)全球車輛的20%-25%,屆時將成為與汽油、柴油并列的終端能源體系消費主體。
根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)計,2050年氫能在中國終端能源體系中占比至少達到10%,氫氣需求量接近6000萬噸,其中交通運輸領(lǐng)域用氫2458萬噸,約占該領(lǐng)域用能比例19%,燃料電池車產(chǎn)量達到520萬輛/年。
氫能產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋氫能端及燃料電池端。在氫能及燃料電池領(lǐng)域,我國已經(jīng)初步形成從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究到示范演示的全方位格局,布局了完整的氫能產(chǎn)業(yè)鏈。
與鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈相比,氫能源與燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈更長,復(fù)雜度更高,理論經(jīng)濟價值含量更大。
氫燃料產(chǎn)業(yè)鏈全景梳理:
氫能產(chǎn)業(yè)鏈指氫氣從生產(chǎn)到下游應(yīng)用的過程,包括制氫(電解水制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫等)、儲氫氫、運氫、加氫(加氫站加氫)等核心環(huán)節(jié)。
制 氫
目前制氫技術(shù)路線按原料來源主要分為化石原料制氫、化工原料制氫、工業(yè)尾氣制氫和電解水制氫幾種。
常規(guī)的制氫技術(shù)路線中以傳統(tǒng)化石能源制氫為主,全球范圍內(nèi)主要是使用天然氣制氫,我國由于煤炭資源比較豐富,因此主要使用煤制氫技術(shù)路線,占全國制氫技術(shù)的60%以上。
制氫路線上將由化石能源制氫逐步過渡至可再生能源制氫。大規(guī)模低成本氫氣是關(guān)鍵,路線由“灰氫”向“綠氫”發(fā)展。未來“可再生能源+水電解制氫”有望成為大規(guī)模制氫發(fā)展趨勢。
從三大工業(yè)氣體巨頭依托空分技術(shù)儲備及資源調(diào)配能力在氫能產(chǎn)業(yè)鏈的全方位布局的能力向國內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展推導,國內(nèi)具有氫的制備和純化技術(shù)儲備的本土空分設(shè)備及工業(yè)氣體公司,有望受益國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
儲 氫
氫氣的可大規(guī)模存儲和運輸是其區(qū)別于化學電池儲能的重要特性。在資源總量不受約束,制備成本中遠期可控的前提下,氫氣的儲存性能和運輸效率是氫能網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的瓶頸問題。
目前,氫氣的儲存主要有氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫和固體儲氫三種方式、高壓氣態(tài)儲氫已得到廣泛應(yīng)用,低溫液態(tài)儲氫在航天等領(lǐng)域得到應(yīng)用,有機液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫尚處于示范階段。
在儲氫環(huán)節(jié),國內(nèi)主要廠商包括深冷股份(深冷股液氫裝置、液氫儲罐、儲氫系統(tǒng));富瑞特裝(車載高壓供氫系統(tǒng)和加氣設(shè)備);京城股份(車載儲氣瓶、鋼質(zhì)無縫氣瓶,鋼質(zhì)焊接氣瓶,焊接絕熱氣瓶,碳纖維全纏繞碳復(fù)合氣瓶);中材科技(粗紗、細砂、短切纖維、耐堿纖維、縫編織物等玻璃纖維制品)。
運 氫
加氫站網(wǎng)絡(luò)化分布是氫燃料電池技術(shù)大規(guī)模商用化的基本保障,而解決加氫站網(wǎng)絡(luò)化分布的關(guān)鍵是解決氫氣運輸問題。
氫氣在常溫常壓下為氣態(tài),密度僅為0.0899千克/立方米。作為易燃氣體,它屬于?類危險品(非燃料),與空氣混合能形成爆炸性混合物,遇熱即發(fā)生爆炸,因此對運輸安全要求較高。
目前氫氣的輸運方式主要有氣態(tài)運輸、液態(tài)輸運和固體輸運三種方式。
我國氫能示范應(yīng)用主要圍繞工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫地附近(小于200公里)布局,氫能儲運以高壓氣態(tài)方式為主。
加氫站
產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施先行,加氫站和氫氣作為燃料電池車產(chǎn)業(yè)重要的原料及基礎(chǔ)設(shè)施,是氫能源產(chǎn)業(yè)上游制氫和下游用戶的聯(lián)系樞紐,其布局和建設(shè)是燃料電池汽車商業(yè)化發(fā)展的突破口。
加氫站的建設(shè)數(shù)量和普及程度,在很大程度上決定了氫燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化進程,而低價制氫和運輸也是氫燃料電池汽車進一步普及推廣的關(guān)鍵環(huán)節(jié),決定了行駛成本的經(jīng)濟性與否。
自從1999年5月全球第一座加氫站在德國慕尼黑機場建成以來,各國相繼推動加氫站建設(shè)。
截至2020年11月21日,全球主要氫能國家和地區(qū)共建成加氫站458座,另有255座在建或擬建的加氫站。
我國加氫站建設(shè)進度逐步加快,截止2020年底,加氫站建成128座。同時,中石油、中石化、國家能源集團等二十余家大型央企紛紛跨界發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)。
加氫站技術(shù)路線圖:
加氫站的營運方式:我國大部分采用外供高壓氫氣
從加氫站的營運模式來看,能否盈利主要取決于運營成本(氫氣的價格)、投資額(設(shè)備)、加氫站運行負荷(燃料電池汽車保有量)。
從目前國內(nèi)外加氫站的運營情況來看,目前供氫的方式主要分為兩種:站內(nèi)制氫和外供氫氣。
站內(nèi)制氫主要是水電解制氫,該技術(shù)已經(jīng)相當成熟并且在歐洲大多數(shù)加氫站獲得應(yīng)用;而外供氫氣則是大規(guī)模的利用天然氣重整制氫或者鋼廠、化工廠副產(chǎn)氫氣,在凈化之后使用高壓氧氣瓶集束拖車運輸至加氫站。
中國加氫站氫源絕大部分來自于外供高壓氫氣。
典型的外供氫的高壓氣氫加氫站投資組成中,除去土建及,設(shè)備費用占據(jù)最大比例,主要是壓縮機、儲氫瓶、加氫和冷卻系統(tǒng),由于國內(nèi)缺乏成熟量產(chǎn)的加氫站設(shè)備廠商,進口設(shè)備推高了加氫站建設(shè)成本。
由于燃料電池汽車還沒有實現(xiàn)大規(guī)模運營,目前加氫站建設(shè)成本和運營成本遠遠高于傳統(tǒng)加油站、加氣站。從全球范圍內(nèi)來看,政府和整車企業(yè)是加氫站建設(shè)的主體,政府補貼的幅度均超過50%。
外供高壓氫加氫站建設(shè)成本構(gòu)成:
加氫站國產(chǎn)化逐步開啟
雖然中國所生產(chǎn)的加氫站設(shè)備各項技術(shù)指標仍有欠缺,但是目前國產(chǎn)化已經(jīng)開啟,業(yè)內(nèi)企業(yè)在各領(lǐng)域均推出自主產(chǎn)品。
厚普股份提供加氫站成套設(shè)備,覆蓋設(shè)計到部件研發(fā)、生產(chǎn),成套設(shè)備集成、加氫站安裝調(diào)試和售后服務(wù);中集安瑞科2021年1月7日中標國家能源集團70MPa加氫站項目;鴻達興業(yè)已在務(wù),已在內(nèi)蒙古建設(shè)運營我國第一座民用液氫加工廠;嘉化能源副產(chǎn)氫提純、運輸、加氫站一體化運營企業(yè)、國投聚力合作。
從氫能實際應(yīng)用來看,氫燃料電池汽車是氫能高效利用的最有效途徑,當前我國已布局了較為完整的氫能產(chǎn)業(yè)鏈。
氫能燃料電池產(chǎn)業(yè)是電池產(chǎn)業(yè)中具有戰(zhàn)略性、前瞻性的一項綠色儲能技術(shù),代表著未來新能源的發(fā)展方向,具有良好的發(fā)展前景。
燃料電池的能量密度高,可達0.5-1.0kWh/kg,特別適合重載車。電堆與氫罐是分開的,提高了發(fā)動機的安全性,電堆不易產(chǎn)生爆炸。氫燃料電池車在續(xù)駛里程、加氫時間、駕駛舒適性均可與燃油車接近。
當前氫能產(chǎn)業(yè)鏈已初具雛形,且燃料電池系統(tǒng)性能已滿足商業(yè)化需求,但大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用依然受經(jīng)濟性及實用性制約。
燃料電池端包括其上游核心材料,如雙極板、膜電極及密封層等環(huán)節(jié);中游主要為燃料電池系統(tǒng)集成,包括電堆及供氣系統(tǒng)等;下游主要為燃料電池的應(yīng)用場景,目前重點應(yīng)用方向為交通領(lǐng)域的燃料電池汽車。
目前在燃料電池系統(tǒng)、電堆環(huán)節(jié),國產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)品批量供應(yīng),隨著膜電極國產(chǎn)化的逐步深入,燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)基本實現(xiàn)國產(chǎn)化。但產(chǎn)業(yè)鏈中質(zhì)子交換膜、碳紙等材料環(huán)節(jié)仍處于研發(fā)或小批量試制階段,持續(xù)引導國產(chǎn)化推進,實現(xiàn)技術(shù)獨立可控對成本下降意義重大。
催化劑
催化劑是膜電極的關(guān)鍵材料之一,在降低催化劑成本的方面,目前有兩條路徑,一條是降低鉑的使用量,另一條則是研發(fā)非鉑催化劑,兩者都已有所進展。
在工業(yè)化生產(chǎn)方面,日本、英國、比利時等國外供應(yīng)商的催化劑制備技術(shù)處于絕對的領(lǐng)先地位,已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)批量化生產(chǎn)(>10公斤/批次),而且性能穩(wěn)定,可靠性高。國內(nèi)目前幾乎沒有產(chǎn)業(yè)化催化劑制造企業(yè),催化劑產(chǎn)品也比較單一。該領(lǐng)域參與廠商主要有貴研鉑業(yè)等。
質(zhì)子交換膜
質(zhì)子交換膜是一種固態(tài)電解質(zhì)膜,其作用是隔離燃料與氧化劑、傳遞質(zhì)子(H+)。該環(huán)節(jié)主要廠商包括東岳集團和騰龍股份等。
氣體擴散層
氣體擴散層位于流場和催化層之間,其作用是支撐催化層、穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu),具有質(zhì)/熱/電的傳導功能。
國外大多數(shù)制造廠商都已實現(xiàn)氣體擴散層的規(guī)?;a(chǎn),且都有多款適應(yīng)不同應(yīng)用場景的產(chǎn)品銷售,包括日本東麗、德國SGL和加拿大AVCarb等。
國內(nèi)氣體擴散層還處于初級碳微孔層的制備階段。
雙極板
雙極板是燃料電池的陰極板和陽極板,其作用是傳導電子、分配反應(yīng)氣并帶走生成水。
燃料電池常采用的雙極板材料包括石墨碳板、復(fù)合雙極板、金屬雙極板三大類,由于車輛空間限制(尤其是乘用車),要求燃料電池具有較高的功率密度。
因此相對較薄的金屬雙極板有更好的應(yīng)用前景。
國內(nèi)石墨雙極板技術(shù)近年來發(fā)展迅速,技術(shù)水平與國外相當,但厚度通常在2mm以上。復(fù)合膜壓碳板在國外已突破0.8mm薄板技術(shù),具備與金屬板同樣的體積功率密度。
目前國內(nèi)薄碳板開發(fā)方面,國鴻有來自于加拿大巴拉德公司的授權(quán)技術(shù)。純國產(chǎn)復(fù)合膜壓碳板處于研制開發(fā)階段,預(yù)計2021年1mm薄板開始批量生產(chǎn)。
安泰科技在氣體擴散層和雙極板這兩個環(huán)節(jié)均有涉及。
對比國內(nèi)外燃料電池電堆,國內(nèi)電堆在核心材料與關(guān)鍵技術(shù)方面仍存在短板,也是造成燃料電池電堆成本居高不下的主要原因,其中膜電極層三大關(guān)鍵材料P/t催化劑、質(zhì)子交換膜、碳紙主要依賴進口,國產(chǎn)材料尚無法滿足高性能燃料電池電堆使用需求;集流體雙極板方面,石墨雙極板經(jīng)過多年開發(fā)已以國外技術(shù)水平相當,但低成本、輕薄的金屬雙板開發(fā)仍為空白。
燃料電池中游:燃料電池電堆從成本端來看,系統(tǒng)中最核心的部分是燃料電池電堆和空壓機,根據(jù)DOE對80KW系統(tǒng)的成本測算,在年產(chǎn)50萬套的規(guī)?;瘲l件下,電堆已占據(jù)燃料電池系統(tǒng)約一半成本,可以說是燃料電池心臟,而空壓機占比超過四分之一,這兩部分也是降低燃料電池系統(tǒng)綜合成本的關(guān)鍵。
燃料電池系統(tǒng)成本構(gòu)成:
燃料電池電堆主要廠商包括億華通、騰龍股份、大洋電機、雄韜股份、濰柴力。
氫氣循環(huán)系統(tǒng)廠商方面,雪人股份是空壓機的主要供應(yīng)商、漢鐘精機自主研發(fā)螺桿空氣壓縮機。
但由于產(chǎn)業(yè)規(guī)模尚小,同時MEA等部件國產(chǎn)化時點較晚,造成目前除了系統(tǒng)、電堆龍頭企業(yè)外,大部分國產(chǎn)化產(chǎn)品尚未能形成大規(guī)模,長周期應(yīng)用,政策扶持期將提供國產(chǎn)部件的規(guī)?;瘧?yīng)用及技術(shù)提升的空間。
氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈梳理示意:
《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》指出,交通領(lǐng)域?qū)⑹菤淠芟M的重要突破口,在商用車領(lǐng)域,2030年燃料電池商用車銷量將達到36萬輛,占商用車總銷量的7%(樂觀情景將達到72萬輛,占商用車總銷量13%);2050年銷量有望達到160萬輛,占比37%(樂觀情景下銷量300萬輛,占比70%以上)。
當前我國燃料電池汽車已進入商業(yè)化初期,截止2020年底,我國燃料電池汽車保有量7352輛。
2020年9月,財政部、工業(yè)和信息化部、科技部等5部門聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》,明確燃料電池汽車示范期間,將采取“以獎代補”方式,對入圍示范的城市群按照其目標完成情況給予獎勵。
在4年補貼扶持期間,補貼后燃料電池汽車基本實現(xiàn)對標燃油車平價,刺激市場化整車采購需求,推動產(chǎn)業(yè)邁出規(guī)?;谝徊?,進入降本放量的良性循環(huán),加速平價階段的到來。
氫燃料電池車輛的推廣應(yīng)用前景除了取決于整車技術(shù)的先進性、成熟度與成本外,也和包含制氫、儲氫、運氫和加氫站在內(nèi)的氫能源鏈發(fā)展的完備程度及發(fā)展?jié)摿γ芮邢嚓P(guān)。
要實現(xiàn)無補貼的燃料電池車商業(yè)化,必須大幅度降低燃料電池發(fā)動機的成本和氫氣的成本,同時降低加氫站的建設(shè)費用。
德勤分析數(shù)據(jù)顯示,中國氫燃料電池公交車的總成本(TCO,購買成本和運營成本)在2019年為178美元/百公里,預(yù)計到2029年TCO將下降至55美元/百公里,將低于純電動公交和燃油公交車的成本。
以目前燃料電池的購車和使用成本來看,除了燃料電池系統(tǒng)等車輛相關(guān)部件成本有較大下降空間外,制氫儲氫環(huán)節(jié)的技術(shù)進步和基礎(chǔ)設(shè)施的推廣也是推廣燃料電池汽車的重要把手。
因此,產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期的政策扶持顯得尤為重要,政策扶持下產(chǎn)業(yè)進入規(guī)?;?降本-開拓市場的良性內(nèi)循環(huán),此外,持續(xù)的技術(shù)進步也將反哺解決各環(huán)節(jié)核心技術(shù)的成本制約,進一步提升商業(yè)化競爭力。
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