2023中国氢能源产业-氢储运深度研究报告

2023ResearchReportonChinaHydrogenEnergyIndustry-Storage&Transportation ©2023.7SixsigmaResearch 「云点道林SixsigmaResearch」为精品投资银行「云道资本」下属研究机构 以专业的数据信息、敏锐的市场洞察和创造灼见的研究咨询服务赋能中国创业企业、产业 前言：氢储运环节在氢能产业中的意义与难点 氢的储存-运输环节，处于氢能源产业链的中游，连接着制氢和用氢两端 氢储运环节的研究意义与研究难点，主要鉴于以下2点： “贵” “难” 氢储运环节的成本约占终端用氢总成本的(30-40)%，储运环节就成为了降低终端用氢总成本的关键 氢气本身密度极小(0.089g/L)易逃逸、由气态转为液态的液化临界温度低(-253°C)、稳定性差等固有属性，使得氢的储运天然存在难度 目录 •气态储氢路线•气态储运主要会涉及到的关键设备•气态运输情况 •液态储氢路线•液态储运主要会涉及到的关键设备•液态运输情况 •固态储氢路线•固态储运主要会涉及到的关键设备•固态运输情况 目录 •氢的3种主要存在状态与运输方式之间的对应关系(2030预测) •氢的几种主要运输方式之间的横向对比 •不同①运距和②运量要求条件下的决策矩阵 •分阶段展望，我国氢储运方式的总体格局 •我国氢储运方式的展望时间表 •储氢承压设备体系 •输氢承压设备体系 •氢能承压设备技术标准体系 氢以气态储运 氢以气态储运 高压气氢的概况—制氢端多输出氢气，经压缩后以气态储运顺理成章，最为简易成熟 高压气态储氢运氢仍是我国目前最大的方式，技术较为简单成熟，充放氢速度快，压缩过程能耗较低。但经过压缩后的氢气密 度依然不到0.02kg/L，储氢密度和安全性仍是气氢储运的重大缺陷 气态 为主 气态 为主 气态 仍为气态 气态 为主 进一步加压 压 缩 制氢端 灰氢 蓝氢 绿氢高压气氢瓶 虽然可以通过进一步加压的方式继续提升储氢密度，但是压力越高，对储氢容器材质、结构的要求同步越高，成本亦会大幅增加，安全性也更加难以保障 ©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com 氢以气态储运 气态储运主要会涉及到的关键设备——氢气压缩机、高压气氢储瓶、氢阀门 用于制氢端压缩运输过程用储氢瓶 为管道输氢提供动力 车载储氢瓶 用于加氢站压缩加氢站用储氢瓶 非氢领域作气体增压 ③各类氢阀门 ②高压气氢储瓶 气氢储运加注系统 ①氢气压缩机 长管拖车 车载储供氢系统 燃料电池动力系统 ©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com 氢以气态储运 氢气压缩机—构造和原理简介 基础构造和原理 分类型的具体构造和原理 氢气压缩机工作原理类似于泵， 将系统低压侧的压力降低，并将系统高压侧的压力提高，从而使H2从低压侧向高压侧流动 隔膜压缩机、液驱活塞式压缩机是氢气压缩机中的目前两大主流，二者的构造和原理有所不同： 隔膜压缩机是靠隔膜在气缸中作往复运动来压缩和输送气体的往复压缩机。隔膜沿周边由气侧膜头和油侧膜头夹紧，隔膜由机械或液压驱动在气缸内往复运动，从而实现对气体的压缩和输送 液驱活塞式压缩机通过液压油驱动活塞作往复运动，往复运动的活塞直接作用于氢气，实现氢气的压缩和输送。液压油一般由液压泵提供，并通过电磁换向阀控制液压油流动方向，实现对活塞的往复作用。这种结构可以做成多列 ©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com 氢以气态储运 氢气压缩机—下游应用倒逼氢气压缩机提升压缩比、排量，“液驱+隔膜式”惊喜出现 下游应用倒逼：压缩比排量 传统隔膜式压缩机液驱式活塞压缩机最新型液驱隔膜式压缩机 特性 优势 尚需改进 用膜片将油气完全隔离， 可保证气体纯度、密封性好、单级压缩比大 无污染，确保了氢气压缩过程的洁净 密封性好，适合易燃易爆等危险气体的压缩压缩比大，容易实现低进气、高排气 等温压缩结合一体化冷却，排气温度低 膜头的穹形表面为特殊型面，加工比较困难难适用于频繁启停工况 价格高于一般活塞式压缩机 结构原理简单，多级串、并联压缩，布局灵活 结构紧凑操作简单控制简单 综合成本较低 密封性要求高，氢气受污染可能性较大 密封圈易损坏和老化，更换周期短，维修费用较高 液压泵直驱+高频换向阀代替传统的曲柄连杆+活塞、 皮带传动 整机模块化，适应变工况、频繁启停 创新性的技术方案，关键部件全自主研发，开发设计难度大，需要企业有强大的自主研发能力，只有极少数国内公司实现 兼具隔膜压缩机的优点： 无污染，确保了氢气压缩机过程的洁净兼具液驱压缩机的优点： 结构紧凑，占地小，能适应频繁启停、冷态开车、带载启停的加氢站工况，模块化设计，灵活升级切换 液压泵和换向阀是液驱隔膜式压缩机的关键核心零部件：液压泵的负载特点是高频脉动负载，液压泵既能承受高压，又能够适应高频脉动的特性，对液压泵内部零件的 膜片比较容易损坏，膜片安装过程对工人经验要求较高单级压缩比较低 排气量由于受到高的压比和气腔容积的限制而相对较小活塞结构，噪声较大 疲劳寿命要求高 换向阀既要满足膜片动作的高频率，又要减小流阻降低能量损失 ©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com 氢以气态储运 氢气压缩机—国内公司的研发突破进展迅速 上海羿弓氢能科技首创了“液驱+隔膜”技术设备方案，取消了曲轴连杆传动机构，整机布局紧凑，体积仅为同类传统隔膜式压缩机的50%左右 液驱方案可适应“频繁启停、冷态开车、带载启停”的加氢站特殊工况，通过驱动、增压单元多级串并联，实现超大排量、超大压比 1% 29% 80% 70% 20% 液驱、隔膜压缩机目前仍有较多部件依赖进口，下游对压缩机性价比及产品售后维修要求也会不断提高，技术突破性国产团队具备国产化市场机会，如：青岛康普锐斯、海德利森、东德实业等 最新型液驱隔膜式 液驱活塞式 隔膜式 国外国内 ©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com 氢以气态储运 高压气氢储瓶—高压储氢容器向高压、轻量、降成本、无氢脆发展，V型尚需时间 I型气瓶II型气瓶III型气瓶IV型气瓶V型气瓶 有无内胆 / 有 有 有 无 内胆材料 / 钢 铝/铝合金 塑料 目前国外正在研究V型储氢瓶，但尚未实现商业化，该气瓶仍然使用碳纤维复合材料缠绕，不使用任何内胆。V型瓶工作压力可达70~100MPa、无氢脆、无腐蚀性、使用寿命可达30年以上、成本中等等优点，亦可用于航天及车载领域 瓶壁的厚度 比Ⅱ型减薄 比Ⅱ型减薄 有无瓶身包裹物 无 有部分包裹物 瓶身全包裹 瓶身全包裹 包裹缠绕方式 / 环向缠绕 全缠绕 全缠绕 压力压强（兆帕） 17.5~20 26~30 30~70 30~70 储氢质量密度（wt/%） ≈1% ≈1.5% ≈2.4%(50L瓶) ≈4.1%(50L瓶) 规格型号 主要为35MPa、70MPa两种 主要为35MPa、70MPa两种 应用场景 加氢站等固定场景 国内车载 国际车载 ©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com 氢以气态储运 高压气氢储瓶—内衬材料、纤维缠绕方式及成型工艺是进一步迭代方向 从内衬材料入手从纤维缠绕方式、成型工艺入手 内衬材料的基本要求是抗氢渗能力强，且具备良好的抗疲劳性。金属内衬阶段多采用铝合金，为了进一步减轻高压储氢容器的自重，提高系统储氢密度，同时降低成本，将金属内衬替换为塑料内衬，复合材料一般为高密度聚乙烯，这种材料使用温度范围较宽，延伸率高达700%，冲击韧性和断裂韧性较好。如添加密封胶等添加剂，进行氟化或硫化等表面处理，或用其他材料通过共挤作用的结合，还可提高气密性。未来找出性能更为理想适宜的材料，是迭代入手的方向之一 (1)纤维缠绕方式开始时有环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕(测地线缠绕)，最新采用了几种相结合的方式—使得纤维均匀地缠满芯模表面，构成双层纤维层，保证缠绕后的气瓶满足使用的压力要求 (2)纤维缠绕成型工艺开始时有湿法缠绕、干法缠绕2种，最新采用了半干法缠绕的方式—在浸胶碳纤维缠绕到芯模之前通过烘干设备将浸胶碳纤维纱线中的溶剂除去，提高制品质量。与干法缠绕相比省却了预浸胶工序和设备；与湿法相比只是增加了一套烘干设备，却可以大幅降低制品中的气泡含量以及孔隙 ©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com 氢以气态储运 氢阀作为氢气/液氢开闭流动的重要“关节”十分重要，核工业、航天等流体机械�景的团队降维跨界而来 ①分子小，易逃逸扩散，易渗透， 一旦泄露可能引发燃烧和爆炸 氢分子H2 ②易融入金属的原子晶格并在有缺陷 的原子晶格中重新聚合成氢分子，造成应力集中，超过金属的强度极限，导致材料脆化甚至开裂，即常说的 “氢脆现象” 阀门作为氢气、液氢开闭流动的重要“关节处”其性能和安全可靠性十分重要 是我国长期依赖进口“被卡脖子”的关键部件 国内进展 1个阀门涉及多种零件的设计、生产、组装、集成，需要流体机械背景、集成经验和工艺积累。流体机械技术最为前沿的当数核工业领域、航天领域，目前国内已有从这两大领域出身的创业团队进入推动氢阀的国产化，还分别进行了一些自主原创性改造。在拥有自主知识产权的基础上配备完善的售后服务，产品的后期运行维护费用、组件更换费用比进口产品大幅节省，具有产品全生命周期成本优势 ©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com 河北定州至高碑店氢气常输管道，管道全长约145km，输量量10万吨一年 济原-洛阳输氢管道，总长度 25km，年输氢量达10.04万吨 氢以气态储运 玉门油田输氢管道，长度 5.77km、输氢能力1万标方 /小时 辽宁朝阳天然气管道掺氢示范， 掺氢比例10%，安全运行1年有余 我国输氢管网仍将由国家主导，是全国性跨区域、长距离、大规模集中运氢终极目标 宁夏天然气掺氢降碳示范，国内首个燃气管网掺氢试验 宁夏能源化工基地输氢管道，长1.2km，输氢能力为200万标方/年 张家口天然气掺氢应用示范，输氢量为440立方米/年 通辽纯氢示范，管道全长7.8km，年输氢量达10万吨 陕煤干线掺氢，全长97km， 掺氢比例5% 巴陵-长岭氢气输送管道，总长度42km，4MPa 纯氢管道 广东掺氢海底管道，线路全长55km，掺氢比20%，设计输量40亿方/年 金陵-扬子氢气管道，氢气纯度 99.9%，全场32km 达茂工业区氢气管道工程，计划2022年7月开工，一期年输送能力10万吨，二期30万吨 天然气掺氢管道 ©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com 氢以液态储运 氢以液态储运 氢以液态储运的概况—按照技术原理的不同，可分为物理法、化学法两种 氢的液态储运，是指将氢能从气态转化为液态再进行储存运输的方法。按照技术原理的不同，可分为物理法、化学法两种 物理法 氢以液态储运 化学法 低温液化氢：将氢冷却到液化临界温度21K(-253°C)以下而形成液氢，储 存于低温绝热液氢罐进行储运 液氨储氢：3H2+N2=2NH3 (反应条件：高温500℃、高压40-60Mpa、催化剂铁触媒) 甲醇储氢：3H2+CO2＝CH3OH+H2O(反应条件：一定的温度和催化剂) 2H2+CO→CH3OH(反应条件：高温、高压、一定的催化剂) 有机液体储氢LOHC：对不饱和液体有机物(如：甲烷TOL等芳香族有机化合物)在催化剂作用下进行加氢反应，形成分子内结合有氢的甲基环乙烷MCH等饱和环状化合物，生成稳定化合物，从而可在常温常压下液态储运，当需要氢气