一、我國氫能源發(fā)展利用前景廣闊

 

1、氫能源：下一代基礎性能源材料

 

國際能源轉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。氫氣無毒無害，反應物為水，綠色清潔，熱值高， 相當于汽油的三倍，被譽為“21 世紀的終極能源”。

 

? 短期：降低汽車尾氣排放，城市環(huán)境保護。以北京市為例，機動車排放了全市 58％的氮 氧化物、40％的揮發(fā)性有機物和 22％的細顆粒物。氫能源自柴油發(fā)動機應用的車輛市場 具有推廣價值，而柴油發(fā)動機車輛在港口/碼頭、城市公交、跨城貨運等領域帶來顯著的 污染。

 

? 中長期：降低石化能源對外依賴。中國石油集團經(jīng)濟技術研究院發(fā)布《2018 年國內(nèi)外油 氣行業(yè)發(fā)展報告》中提到，2018 年中國的石油進口量為 4.4 億噸，石油對外依存度升至 69.8％；天然氣進口量 1254 億立方米，對外依存度升至 45.3%。

 

2、我國具有全球最大規(guī)模的氫資源

 

工業(yè)氫氣提純具備充足的氫資源，我國氫氣產(chǎn)能規(guī)模全球最大。從氫氣生產(chǎn)來源來看， 化石資源制氫居主導地位，全球主要人工制氫原料的 96%以上都來源于傳統(tǒng)化石資源的熱化學 重整，僅有 4%左右來源于電解水。從地域分布上看，亞太地區(qū)的氫氣產(chǎn)能最大，而我國是目 前氫氣產(chǎn)能最大的國家，也是氫氣生產(chǎn)分布最廣的國家。目前國際制氫年產(chǎn)量 6300 萬噸左右， 我國每年產(chǎn)氫約 2200 萬噸，占世界氫產(chǎn)量的三分之一，是世界第一產(chǎn)氫大國。

 

我國的煤炭和天然氣資源儲備豐富，以上兩者也是我國人工制氫的主要原料，占比分別 為 62%和 19%。隨著煤制合成氣、煤制油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，煤制氫產(chǎn)量逐年增多，其規(guī)模較大、成 本較低，制氫成本約 20 元/kg，煤氣化制氫具有較大發(fā)展?jié)摿?。電解水制氫在我國氫氣占比?僅占約 4%，但在日本氫工業(yè)中占有特殊的地位，其鹽水電解制氫的產(chǎn)能占日本所有人工制氫 總產(chǎn)能的 63%。

 

我國氫能資源在全球范圍具有一定性價比優(yōu)勢。目前我國加氫氣成本大約在 70 元/kg， 較美國和日本在成本上仍較高，然而我國的汽油成本顯著高于美國，從氫油比（氫氣成本/汽 油成本）角度考慮有一定性價比優(yōu)勢。

 

我國氫能源的使用仍有極大待開發(fā)潛力。當前我國大部分氫氣應用于工業(yè)領域，主要被 合稱氨、合成甲醇、石油煉化、回爐助燃燈消耗，屬于自產(chǎn)自消的模式。每年僅有不到 500 噸的氫氣對外部市場供應和銷售，氫資源利用潛力巨大。

 

各類氫氣來源存在一定的技術和成本差別，電解制氫與煤炭、天然氣制氫成本仍有較大 差距。氫氣的制備主要可分為制取氫氣和提純氫氣兩大類，煤炭制氫成本最低，為 0.8～1.1 元/立方米，天然氣制氫成本為 0.9～1.5 元/立方米，我國的電解制氫發(fā)展仍處早期，成本在 3 元/立方米左右，未來還有較大下降空間。

 

地方政府和能源企業(yè)對于工業(yè)氫氣的利用有切實的發(fā)展意愿。我國每年棄光、棄風、棄 水等大約有 1000 億度電，工業(yè)副產(chǎn)氫也有 1000 萬噸以上，對于這兩個“1000”的利用，全國 多地政府和能源企業(yè)都已積極開展相應布局。

 

我國氫能利用已具備一定技術基礎，從航天、軍用逐漸向民用推廣，在華北、華東和華 南等地區(qū)形成了氫能源區(qū)域產(chǎn)業(yè)集群。

 

? 航天領域：航天科技集團六院北京 11 所研制的 YF-75 氫氧發(fā)動機。迄今為止，YF-75 發(fā) 動機已參加 97 次飛行任務。2004 年探月工程正式開展后，YF-75 發(fā)動機是嫦娥系列任務 中主力裝備。2019 年嫦娥四號探測器首次在月球背面預選區(qū)域著陸，也由來自裝備 YF-75 氫氧發(fā)動機的長三甲系列火箭完成。

 

? 軍用領域：中國船舶重工集團開發(fā)的燃料電池潛艇，從斯特林發(fā)動機替換為氫燃料電池， 基于質子交換膜燃料電池和金屬儲氫技術。

 

? 先進技術的民用化推廣。航天科技集團六院長期致力于氫能在火箭發(fā)動機領域的研究和 應用，在燃料電池技術領域，擁有質子交換膜燃料電池系統(tǒng)動力應用、可再生能源儲能 應用及泵閥關鍵部件技術，具備了百千瓦級氫氧/氫空及再生燃料電池系統(tǒng)研制能力。中 船重工七一二所研發(fā)的首臺 58 千瓦燃料電池發(fā)動機， 2019 年 5 月順利通過中汽中心天 津汽車檢測中心的強制性檢驗，這款型號為 CSIC712-FCE58A 的發(fā)動機，采用氫空質子交 換膜燃料電池電堆，是七一二所面向城市客車開發(fā)的燃料電池發(fā)動機。

 

二、燃料電池是氫能源的重要應用

 

1、氫能源的重要應用-燃料電池

 

氫能源為電力能源的重要載體。電能替代是社會能源消費的長期趨勢 ，氫能源最終通過 電力能源實現(xiàn)。合理利用氫能，一方面能提高能源利用效率，減少能源浪費，另一方面可以控 制環(huán)境污染，降低大氣污染和溫室氣體排放。從中長期來看，加大氫能的發(fā)展利用將進一步保 障我國能源安全。 氫能源的單位熱值遠高于汽油、柴油、焦炭等，將滿足電力能源的供給需求錯配。

 

氫能 源的熱值較高，通過大型移動的運輸設備，未來將會使能源消耗錯配做到極致。氫能既可作為 化學能源形式的長周期儲備，又可于交通領域應用在長途運輸、大卡車、海洋運輸?shù)拳h(huán)節(jié)，還 可以應用在高溫加熱的工藝產(chǎn)業(yè)上。清華大學教授毛宗強在氫能行業(yè)會議上表示，氫能的應用 是多方面的，也是未來有望代替石油和天然氣的清潔能源。

 

燃料電池汽車是氫能源利用極具成長性的下游行業(yè)。雖然氫燃料電池汽車（ FCEVs ）在 我國目前處于起步階段，但燃料電池汽車性能的優(yōu)秀不可否認，目前國外大規(guī)模銷售的 FCEVs 各方面性能與內(nèi)燃機汽車不相上下，有些遠優(yōu)于電動汽車（BEVs）。燃料電池具有環(huán)境友好、 發(fā)電效率高、噪音低、可用燃料范圍廣等優(yōu)點，當前我國燃料電池產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展瓶頸在于生 產(chǎn)成本高（鉑催化劑價格高昂）、技術水平較國際落后以及氫產(chǎn)業(yè)鏈配套設施不夠成熟，遠期 的發(fā)展空間巨大。

 

燃料電池汽車具有能源補給的時間優(yōu)勢和經(jīng)濟性劣勢，運營市場將會是起步階段重點發(fā) 展領域。燃料電池汽車的續(xù)航里程普遍在 500 公里以上，和目前中高端純電動汽車續(xù)航相當， 而從能源補給時間角度，燃料電池汽車加氫僅需不到 3 分鐘，遠低于插電混動或純電動汽車。 由于目前燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍處于初期階段，加氫站等基礎設施投入以及整車制造成本都 較高，短期來看燃料電池汽車比較適合的應用場景預計會是運營市場。

 

質子交換膜燃料電池對我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展更具有現(xiàn)實意義。氫燃料電池按不同電解質可 分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池和質子交換膜 燃料電池(PEMFC)。其中，質子交換膜燃料電池的工作溫度最低，還具有響應速度快和體積小 等特點，目前最契合新能源汽車的使用，被認為是未來燃料電池汽車最重要的發(fā)展方向之一。

 

鋰電池在乘用車領域更具優(yōu)勢。鋰電池產(chǎn)品較燃料電池有更簡單的產(chǎn)品結構，更清晰的 發(fā)展路徑和更成熟的產(chǎn)業(yè)化分工，當前產(chǎn)品系列性能也區(qū)域豐富。鋰電池性能的不斷提升，正 逐漸蠶食眾多原本燃料電池具有領先優(yōu)勢的應用領域。在 2019 年燃料電池行業(yè)會議中，上海 捷氫科技有限公司系統(tǒng)開發(fā)部總監(jiān)表示，他們對比了純電動車型和氫燃料電池汽車型在未來的 競爭優(yōu)勢，從成本上來說，乘用車續(xù)航里程 400 公里以下，燃料電池相對純電動是沒有優(yōu)勢的。

 

燃料電池的產(chǎn)業(yè)化應用，尚處于中長期能源戰(zhàn)略布局的地位。

 

? 商用車領域燃料電池驅動定位為輔助能源：濰柴動力董事長譚旭光表示：發(fā)展新能 源車并不是要完全取代柴油車，而是應用在適合采用新能源車輛的工況中。比如城 市公交、港口牽引車等，推廣新能源車輛，使其與柴油車搭配工作，能夠兼顧經(jīng)濟 效益與社會環(huán)保。他甚至預言，未來 20-30 年，氫將成為能源結構的重要組成部分， 但市占率不會超過 10%。

 

? 當前船舶動力 95%是柴油體系，尚未實現(xiàn)天然氣化，燃料電池中長期或存增長空間。 受成本、安全、壽命等多種因素影響，燃料電池在民用船舶領域目前尚不具備大規(guī) 模商業(yè)化應用的條件，但是隨著國際公約法規(guī)對船舶排放要求的日益嚴格，燃料電 池系統(tǒng)卓越的排放性能有可能將其推向船舶動力市場的新風口，尤其是豪華游輪在 船舶行業(yè)逐漸崛起的今天，燃料電池系統(tǒng)噪音低的優(yōu)勢完美滿足了豪華游輪對舒適 度的要求。

 

2、氫能源利用涉及到的關鍵技術

 

氫能源制取-混合氣體的變壓吸附技術（PSA）。

 

? 基本原理：變壓吸附的基本原理是：利用吸附劑對氣體的吸附有選擇性，即不同的 氣體（吸附質）在吸附劑上的吸附量有差異和一種特定的氣體在吸附劑上的吸附量 隨壓力變化而變化的特性，實現(xiàn)氣體混合物的分離和吸附劑的再生。

 

? 當前應用：變壓吸附技術在石油化工、醫(yī)藥、食品飲料等行業(yè)具有廣泛應用，四川 天一科技、上?；ぱ芯克捅贝笙蠕h公司是國內(nèi)領先的變壓吸附系統(tǒng)設計建設機 構。在石化領域，PSA 法得到的氫氣純度可達到 99.9%以上水平（燃料電池需求純度 為 99.99%）。上市公司：天科股份（西化院下屬）。

 

氫能源運輸-從拖車輸送到管道輸送。目前鋼企副產(chǎn)氫氣是加氫站氫氣的主要來源，其被 使用高壓氫氣瓶集束拖車運輸。舉例來說，若 1 輛拖車裝有 18 個高壓氫氣瓶，每次可以以 20MPa 的壓力運送 4000Nm3的氫氣。平時站區(qū)里停泊 2 輛拖車，另有 1輛拖車往返加氫站和氫源之間， 運送氫氣，并替換站內(nèi)空車?；?200km 左右運輸距離和每天 10 噸的運輸規(guī)模來測算，氣氫 拖車的成本可以達到 2.02 元/kg。

 

氫能源運輸-從高壓氣罐到管道輸送。

 

? 高壓氣罐：依托 LNG 產(chǎn)業(yè)基礎，一般長管儲氫壓為 15～20MPa，一般單管儲氫量為 17～20k，將 CNG 儲氣管進行產(chǎn)品升級可實現(xiàn)。

 

? 液氫儲罐：依托航天工業(yè)技術基礎，單次送氫量為氣罐 10 倍以上。額外增加氫氣液 化和液氫罐成本，目前測算單日加氫量達到 1000kg 以上具有比較經(jīng)濟性。

 

? 管道運輸：依托天然氣產(chǎn)業(yè)基礎，瓶頸在成本。在美國，現(xiàn)有的氫氣管道系統(tǒng)約為 2400 公里，而在歐洲已有近 1600 公里，中國的管道運氫量在 400 公里。中石油管道 局 2014年完成國內(nèi)最大氫氣管道建設施工：投資1.54億，長度25km，設計壓力 4Mpa， 年輸氫量 10.04 萬噸。單位投資為天然氣管道 2 倍左右。

 

氫能源儲存加注：加氫站內(nèi)的儲氫罐通常采用低壓(20～30MPa)、中壓(30～40MPa)、高 壓(40～75MPa)三級壓力進行儲存。有時氫氣長管拖車也作為一級儲氣(10～20MPa)設施，構成 4 級儲氣的方式。國外市場大多采用的 70MPa 氫氣，國內(nèi)大部分采用了 35MPa 氫氣壓力標準。 目前中國的加氫站加氫能力最高的為 1000-2000kg/d，最低的為 100kg/d。

 

? 站內(nèi)制氫：原材料為天然氣，重整制氫氣。單個站投資規(guī)模會在 300~500 萬美元的 水平。

 

? 外供加氫：中國主要的加氫站方式。單個站投資規(guī)模在<200 萬美元的水平。

 

根據(jù)中國電池聯(lián)盟網(wǎng)報道，加氫量在 500kg/天時，高壓儲氫加氫站比液氫儲氫加氫站設 備投資方面更有優(yōu)勢；加氫量規(guī)模超 1000kg/天時，液氫儲氫加氫站比高壓儲氫加氫站設備投 資要低 20%左右。

 

氫能源儲存加注-高壓儲氫罐：國內(nèi)高壓儲氫最大壓力為 75MPa，海外部分加氫站可達到 100MPa 以上。全球高壓儲氫罐主要生產(chǎn)企業(yè)有美國 AP 公司、CPI 公司，國內(nèi) 75Mpa 加氫站依 賴進口。國內(nèi)企業(yè)包括巨化裝備（45MPa 和 98MPa 產(chǎn)品已經(jīng)應用）、安瑞科（中集集團下屬， 45MPa 已開始應用，85MPa 產(chǎn)品剛剛通過技術認證）等。

 

? 氫脆：長期在高壓和常溫氫氣環(huán)境中工作，儲氫容器材料可能會產(chǎn)生高壓氫環(huán)境氫 脆，導致塑性損減、疲勞裂紋擴展速率加快和耐久性下降。

 

? 金屬低周期疲勞：由于儲氫管壓力波動較大（設計壓力的 20%~80%），容易使得儲氫 罐使用壽命縮短。

 

? 儲氫特殊材料：目前加氫站儲氫罐用的主要材料有為 Cr-Mo 鋼、6061 鋁合金、316L 等。對于 Cr-Mo 鋼，我國常用材料為 ASTM A519 4130X（相當于我國材料 30CrMo)、 日本為 SCM435 和 SNCM439、美國為 SA372Gr.J。

 

氫能源儲存加注-隔膜壓縮機：隔膜壓縮機是氣體壓縮領域最高級別壓縮方式，海外生產(chǎn) 隔膜壓縮機企業(yè)包括美國 PDC，PPI 等。PPI 隔膜式壓縮機是兩個系統(tǒng)的結合——液壓油系統(tǒng) 和氣體壓縮系統(tǒng)，通過金屬膜片將兩個體系的完全隔離開。北京天高自主生產(chǎn)隔膜壓縮機已應 用于國內(nèi)近 10 個加氫站項目，最近產(chǎn)品已達到 100MPa 水平。國內(nèi)與海外設備性能差別主要包 括隔膜（金屬膜）使用壽命，以及設備故障率等，但國產(chǎn)設備具有良好的性價比和售后服務能 力，國產(chǎn)化替代可將壓縮機設備成本降低超過 50%。

 

氫能源儲存加注-加注設備：氫氣加注機加注原理與天然氣加注類似，只是加注壓力有所 區(qū)別：天然氣加注壓力 25MPa，國內(nèi)加注壓力 35MPa，海外 70MPa。所以對密封性、安全性等 有更高要求。為了降低壓縮機功耗，加氫站一般通過分級加氫方式，從低壓罐加氫到高壓罐加 氫，最后到壓縮機加氫，所以加氫機可看作是對各級加氫設備的加氫功率分配。加氫機上裝有 壓力傳感器、溫度傳感器、計量裝置、取氣優(yōu)先控制裝置、安全裝置等。全球氫氣加注機生產(chǎn) 企業(yè)有德國林德(Linde)、美國 AP 等。國內(nèi)企業(yè)中，富瑞氫能可實現(xiàn) 45MPa 環(huán)境下的的加氫功 能，設備已應用于數(shù)個加氫站；上海舜華新能源 75MPa 加氫機應用于大連加氫站；其他還有厚 普股份等公司。

 

氫能的使用-催化劑。燃料電池催化劑價格較高是影響電堆成本的一個重要因素，但鉑的 單位用量將持續(xù)降低。目前電堆成本 120 美金/kw，美國能源局預測，當達到 50 萬臺規(guī)模時 將降至 19 美金/kw 的水平。從鉑的需求來看，短期資源不稀缺，鉑合金在尾氣處理裝置中扮 演氣體反應催化劑角色，每年汽車用量鉑量約 110 噸。燃料電池汽車用鉑量將逐步降至 0.2g/kW， 10 年下降 75%-80%，單車用量未來將降至 20g 左右，和燃油車相當。

 

氫能的使用-車載儲氫。由于“氫氣很輕”，其質量能量密度很大,但反過來說，如果從單 位體積燃氣釋放的能量來看，氫氣的熱值是常見燃料里最低的，僅為 12.74MJ/Nm^3，是甲烷 的 1/3，汽油的 1/10。這就意味著，如果要釋放同樣的能量，汽車需要消耗巨量體積的氫氣， 因而氫燃料電池車上都有高壓儲氫罐來壓縮儲存氫氣。車載高壓儲氫罐一般可以儲存 6kg 左右 高壓氫氣，總體積在 150L-200L 上下，有些大的儲氫罐甚至會擠壓車內(nèi)空間。目前對于 70Mpa 的車載儲氫罐,只有豐田和挪威 Hexagon 具備商業(yè)化生產(chǎn)能力。