氢能行业专题研究之四：液态储氢大规模长距离运输理想方案，产业化持续推进

证券研究报告|2023年7月30日 氢能行业专题研究之四：液态储氢 大规模长距离运输理想方案，产业化持续推进 行业研究·行业专题 电力设备新能源·氢能超配·（维持评级） 证券分析师：王蔚祺 010-88005313 wangweiqi2@guosen.com.cnS0980520080003 联系人：徐文辉 021-60375426 xuwenhui@guosen.com.cn 氢的储运是当前我国氢能行业大规模发展的痛点，低温液态储氢和有机液态储氢技术均适用于大规模长距离氢气运输。氢储运环节处于氢能产业链中游，连接制氢和用氢端，我国氢能供需存在错配，供给端我国氢气资源“西富东贫，北多南少”而在需求方面呈现相反状况，同时目前氢储运环节存在成本高、储氢难的问题，因而高效、低成本的氢气储运技术是大力发展氢能产业的必要保障。液态储氢技术主要包含低温液态储能技术和有机液态储能技术，其优势在于：1）相较于高压气态储氢密度23.5-40kg/m3，低温液态储氢体积密度为70.6kg/m3，有机液态储氢体积密度为47-60kg/m3，液态储氢密度更大；2）液态储氢在常压下储存，储运安全性较好；3）液态储氢储运成本对运输距离不敏感，适合大规模长距离运输。 国内低温液氢产业化积极推进，核心设备国产化是关键。近年来国内规划中的液氢工厂项目达到十余项，国内整体产液氢规模正在迅速提升，产业化积极推进。从产业链上看，1）氢液化环节占低温液氢产业链成本比例较高，该环节未来呈现两大趋势，一方面降低系统综合能耗，当规模扩大时，氢液化的能耗和单位成本将显著降低，液氢达到足够的规模后将更具经济性；另一方面核心设备国产化，透平膨胀机和正仲氢转化器等设备国产化仍需攻克难点。2）车载液氢供氢系统，整体特点在于大储氢量，供应长续航，与高压气瓶相比，当容量相等时装载液氢瓶的运输车装载质量更轻。3）液氢加注环节，液氢泵是提高能效、降低成本并适用于液氢产业市场化和大规模应用的关键核心设备。目前国际上掌握高压液氢泵技术的企业主要包括美国ACD公司，德国林德公司和法国Cryostar公司，国内部分公司和科研院所开展了对高压液氢泵的研制，正在进行国产化替代。 有机液态储氢技术在大规模氢储运中方面有较好发展潜力。有机液氢技术原理在于通过液体有机物与氢结合以实现氢的储存，通过可逆反应实现氢的释放。随着技术不断发展，甲基环己烷体系、乙基咔唑体系和二苄基甲苯体系储氢材料逐步体现商用潜力。在产业化应用中，海外方面已将有机液氢技术应用于远洋贸易运输、工业和电网领域。国内技术起步稍晚，以武汉氢阳能源为代表的企业已在加氢站、建筑供热、工业等多领域推进有机液态储氢应用。 低温液氢产业链相关企业：蜀道装备、冰轮环境、杭氧股份、雪人股份、中泰股份、厚普股份、富瑞特装、致远新能，京城股份，航天晨光，鸿达兴业，嘉化能源，中集安瑞科，国富氢能，中科富海等。 有机液氢产业链相关企业：金宏气体、中国化学、武汉氢阳能源、陕西氢易能源、陕西御氢等。 风险提示：全球氢能政策推进不及预期，液氢产业化推进不及预期，关键材料和装备国产化进程不达预期。 01 储氢方式介绍 02 低温液态储氢分析 03 有机液态储氢分析 04 总结 第一章储氢方式介绍 氢能是传统化石燃料的理想替代。为应对全球气候变化，满足可持续发展的要求，世界各主要经济体均加快了低碳转型进程，目前已有超过130个国家及地区提出制定碳中和目标，多数国家将在2030年实现中期减碳并于2050或者2060年实现碳中和。在碳中和的大背景下，世界各国加速寻求清洁能源的开发和利用。氢能是传统化石燃料的理想替代，正逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一。 氢能特点：清洁环保，热值高，安全性好，应用场景丰富。 图1：氢能优势与应用场景 01 无碳排、无污染 氢气燃烧过程无碳排放、无污染物产生 02 热值高 氢气是常见燃料中热值最高的（143kJ/g），是石油的约3倍，煤炭的4.5倍 03 安全性好 氢气在发生泄露后极易扩散，爆炸下限浓度高于汽油和天然气 04 应用场景丰富 资料来源：国鸿氢能，国信证券经济研究所整理 交通运输领域：氢燃料电池汽车 交通运输业排放占全球碳排放量的1/3。燃料电池车具有零排放、续航里程长等特点，是交运行业减碳的最佳选择 建筑领域：分布式热-电联供系统 氢气供燃料电池发电，燃料电池发电产生热量用于供暖与热水供应 储能领域：氢储能参与电网辅助 氢储能系统耦合风光等可再生能源参与电网削峰填谷、调峰调频等作用 工业领域：氢能炼钢 利用氢气的高还原性，代替焦炭作为高炉还原剂，以避免钢铁生产中的碳排放 2021年我国氢气产量达到3300万吨，从当前的终端需求来看，90%以上用于工业领域，其中合成氨和合成甲醇对氢气需求合计占比超过60%，炼厂用氢、煤化工等其他工业领域对氢气需求超过30%。中国氢能联盟预计，在2060年碳中和情景下，我国氢气的年需求量将增至1.3亿吨左右，在终端能源消费中占比约为20%。其中，工业领域用氢占60%，约为7794万吨，交通运输领域占比31%，约为4051万吨，建筑领域和电力领域合计占比约为9%。 图2：2021年氢气下游需求结构图3：2060年氢气下游需求结构 其他 现代煤化工6% 10% 建筑领域 4% 电力领域 5% 甲醇29% 焦炭和兰炭尾气综合利用11% 交通领域31% 炼厂用氢12% 工业领域60% 合成氨32% 资料来源：杨铮,田桂丽《我国氢气市场分析及发展前景研判》[J]化学工业，2022第 40卷第4期：51-57，国信证券经济研究所整理 资料来源：中国氢能联盟《中国氢能源及燃料电池产业白皮书2020》，国信证券经济研究所整理 氢储运为氢能产业发展痛点。氢的储存-运输环节处于氢能产业链中游，连接制氢和用氢端，我国氢能供需存在错配，供给端我国氢气资源“西富东贫，北多南少”而在需求方面呈现相反状况，同时目前氢储运环节存在成本高、储氢难的问题，因而高效、低成本的氢气储运技术是大力发展氢能产业的必要保障。 图4：氢能全产业链图示 成本高：氢气储运环节成本约占产业链所有环节的30%-40%。随着降本诉求的不断提升，储运环节将成为氢能降本的关键环节。储运难：氢的储存和运输高度依赖技术进步和基础设施建设，是产业发展的难点。 资料来源：中国氢能联盟《中国氢能及燃料电池产业手册2020年版》、国信证券经济研究所整理 低温液态储氢 液态储氢技术是采用低温技术将氢气冷却到液化温度（标准大气压下，-253℃）以下，以液体形式储存在高度真空的绝热容器中。 优点：质量储氢密度高（大于5%），常温常压下液氢的密度为气氢的845倍，适用于距离较远、运输量较大的场合 缺点：成本高，能效低，存在泄露问题，每天损失可能达到1-2%；绝热系统复杂。 商业化应用情况 •低温液态储氢技术目前美国、日本等已经实现了大规模的商业应用，国内应用最早起步于军事、航天等领域。随着近年来国内氢能产业兴起，民用液氢领域现已汇聚中科富海、航天101所、国富氢能、鸿达兴业等一批科研机构和企业，在相关技术上屡获重大突破；同时国家已发布液氢生产、贮存和运输的国家标准，这使液氢民用有标可依，实现了我国液氢产业民用领域标准零突破，为液氢进入市场化发展提供重要支撑。 图5：低温液态储氢示例 资料来源：中集安瑞科、搜狐财经 有机液态储氢（LOHC） 图6：有机液态储氢 有机液态氢即利用某些不饱和有机物与氢气进行可逆加氢和脱氢反应，实现氢的储存与运输，有机化合物以甲基环己烷（MCH）、二苄基甲苯（DBT）或十氢萘/萘酚为主。 优点：储氢容量大，储氢密度高（5-7.5wt%)，储氢过程可逆。 缺点：能耗高，设备费用高，脱氢反应温度高，催化剂活性不稳定。 商业化应用情况 •目前国外德国、日本等处于LOHC技术开发和应用的前列，参与企业包括日本千代田、德国HydrogeniousTechnologies等。国内处于研究和示范阶段，参与企业包括武汉氢阳能源，陕西御氢，南通久格，中船七一二所等。 •目前示范应用场景包括交通领域（商用车、氢能船舶、铁路机车），分布式储能和加氢站供氢等。 资料来源：德国HydrogeniousTechnologies，国信证券经济研究所整理 甲醇载氢 甲醇载氢技术是指将一氧化碳与氢气在一定条件下反应生成液体甲醇，作为氢能的载体进行利用。在一定条件下，甲醇可分解得到氢气。 优点：储氢密度高（12.5wt%），储存、运输稳定，材料来源广泛，成本低缺点：环保、安全问题，存在效率损耗，催化剂技术有待突破 商业化应用情况：可应用于商用车、船舶、无人机、加氢站，分布式储 能，目前多以示范性项目推进。目前甲醇载氢参与企业包括中船七一二所、中石化、上海博氢新能源、广东能创等。 液氨储氢 液氨，室温下是一种无色，带有强烈刺激性气味的有毒液体，对气态氨加压或冷却后得到液氨 优点：储氢密度高（17.7wt%），合成/分解技术成熟，储存、运输稳定缺点：环保、安全问题，存在效率损耗，催化剂技术有待突破，氨分解制 氢能耗高，设备要求高 商业化应用情况：可应用于商用车、船舶、铁路机车、加氢站，分布式储能，目前多以示范性项目推进。目前液氨储氢参与企业包括福大紫金氢能、辉丰石化与宝武清能等。 图7：甲醇载氢图示 资料来源：李星国,《氢与氢能》,科学出版社,2022:93-95，国信证券经济研究所整理 图8：液氨储氢图示 资料来源：李星国,《氢与氢能》,科学出版社,2022:392-395，国信证券经济研究所整理 高压气态储氢 气态储氢技术通过高压是将氢气压缩于高压容器中，来实现氢气的储存，通常由钢、铝、碳/玻璃纤维、高分子材料等制成。 优点：压力容器容易制造；制备压缩氢的技术简单；成本较低缺点：能耗高；安全性隐患高，加氢站成本高。 商业化应用情况 •高压气态储氢技术成熟，应用广泛。目前高压气态储氢技术主要应用在运输领域，加氢站和燃料电池车上均应用高压储氢瓶作为储氢装置。 •加氢站通常使用纯钢制造的I型瓶和II型瓶（钢制内胆，纤维环向缠绕），工作压力在17.5-30MPa，体积较大。加氢站配置250kg的储氢装置成本约为170-200万元以上，折合单位储氢价格约为6000-8000元/公斤。 图9：高压气态储氢示例 •车载储氢瓶主要分III型瓶和IV型瓶两种。III型瓶压强为35MPa，内胆采用铝合金/钢，包裹材料为碳纤维或者混合碳/玻璃纤维复合材料。IV型瓶压强为70MPa，内胆采用聚合物（一般包括尼龙，高密度聚乙烯（HDPE），PET聚酯塑料/PA聚酰胺），外部包裹材料主要是碳纤维或者混合碳/玻璃纤维复合材料。国内氢燃料电池汽车配备的储氢罐主要以35MPa的Ⅲ型瓶为主，而70MPa的IV型高压储氢罐，国外已经实应用，国内尚未批准。在燃料电池车上应用的高压储氢瓶按照储氢质量折算，35MPa的单 所整理 价3500-5000元/kg，70MPa的8000-10000元/kg。资料来源：海珀尔氢能，丰田官网，国信证券经济研究 表1：各种高压气态储氢瓶、罐分类及特点 I型瓶II型瓶III型瓶IV型瓶 材质 压强（Mpa） 17.5-20 26-30 30-70 30-70 重量体积（kg/L) 0.9-1.3 0.6-1.0 0.35-1.0 0.3-0.8 成本 低 中等 高 高 使用寿命 15年 15年 15-20年 15-20年 应用场景 加氢站 等固定式储氢 燃料电池汽车 资料来源：国富氢能招股书，国信证券经济研究所整理 固态储氢 固态储氢技术是通过物理或化学方式使氢气与储氢材料结合，来实现氢气的储存。从材料分类上有金属合金、碳材料等。金属氢化物合金又可细分为稀土系、钛铁/锰系、钒系和镁系等。 优点：体积储氢率高，安全性能高、能效高，加氢站成本相对较低。 缺点：大多数材料质量密度低，镁系质量密度高，但放氢