氫能產業規?;l展仍需突破瓶頸
核心提要
●近年來,我國堿性電解水制氫技術路線已相對成熟,設備基本實現國產化,在國內得到大規模應用
●與國際先進水平相比,我國自主產品在儲氫密度和安全性等性能參數方面存在一定差距
●加氫站的建設布局對于氫燃料電池行業乃至我國新能源車行業的整體發展都會產生較大影響
近年來,氫能在全球能源轉型中發揮著越來越重要的作用。我國氫能產業發展積累了豐富的供給經驗和產業基礎,但氫能產業仍處于發展初期,支撐產業發展的基礎性制度不夠完善,產業發展有待進一步提升。
制備:降低工藝成本邁向“清潔化”
在能源綠色低碳轉型的大背景下,推動制氫流程從化石能源制氫、工業副產氫向電解水制氫轉變,將是行業發展必然。如何降低電解水制氫工藝的生產成本,使其價格具有市場競爭力,成為綠氫規?;M程提速的關鍵。
從工藝本身來看,電解水制氫的成本水平主要取決于固定資產投資、電費和固定生產、運維四個方面。其中,電費占到總成本的60%~70%。如果想要電解水制氫在開放市場與化石能源制氫競爭,其上游電價每千瓦時至少需降到0.05元,短期內還很難實現。在此情況下,提升電解水技術水平成為降低生產成本的唯一路徑。
我國電解水制氫系統由電解槽、電力轉換模塊、水循環系統、氫氣處理系統等部分組成。電解槽是電解水制氫工藝的核心設備,其成本占到總成本的四到五成。
我國堿性電解水制氫技術路線已相對成熟,設備基本實現國產化,得到大規模應用。如能通過增加電流密度、降低隔膜厚度等方式延長設備使用壽命,還可進一步降低成本。質子交換膜電解槽技術正處于技術攻堅階段,雖已在小范圍內投入使用,但由于質子交換膜、鉑電極催化劑等關鍵組件尚未實現國產化,質子交換膜電解槽的制造成本為相同規模堿性電解槽的3~5倍,還需通過技術研發及更多的項目驗證來推動成本加速下行。據統計,在地區相關政策的支持下,近年來,新建綠氫項目中選擇質子交換膜電解槽技術路線的項目占比正在持續提升。
儲運:關鍵設備國產化率待提升
氫氣的儲存、運輸,是整個產業鏈難度最大的環節。如何提升氫能儲運的安全性及效率,并持續降低成本,是當前我國氫能產業發展亟待突破的技術瓶頸。
氫能儲存主要分為高壓氣態、低溫液態、固態和有機氫化物四種方式。當前階段,我國儲存氫能以高壓氣態和低溫液態為主,后兩種方式尚處于研發試驗階段。
高壓氣態儲氫主要通過壓縮機將高壓氫氣儲存在儲氫瓶或儲氫罐中,容器結構簡單、充放氫速度快,是最為常見、技術成熟度最高的儲氫方式。得益于持續的技術研發和產品更新迭代,我國用于制造高壓儲氫瓶的關鍵原材料——碳纖維,進口占比已從2015年的超過80%下降到2020年的60%左右。伴隨碳纖維生產工藝的進一步完善以及規模效應的逐漸顯現,碳纖維國產化進程有望持續加快,帶動高壓氣態儲氫成本進一步下降。
目前,全球車載儲氫瓶主要可分為35兆帕和70兆帕兩個等級。我國自主生產的高壓儲氣瓶主要集中在35兆帕及以下壓強等級,僅有少數企業具備質量更輕、工作壓力更大、儲量更大的70兆帕儲氫罐的生產能力,而海外部分地區已能夠實現70兆帕高壓儲運。與國際先進水平相比,我國自主產品在儲氫密度和安全性等性能參數方面存在一定差距。
低溫液態儲氫是將氫氣深度冷凍至零下252.72攝氏度變為液體,再通過0.6兆帕的專用低溫絕熱槽罐進行運輸,其密度相當于氣態氫的800多倍。當前,我國透平膨脹機、液氫泵液等液氫關鍵設備大部分還需依賴進口,導致整體成本偏高,基本只能用于軍工及航天領域,無法啟動規?;瘧?。
國際能源署數據顯示,當運輸距離達到500千米時,高壓氣態運輸配送成本將上升5倍以上,接近每千克2美元;同樣距離下,液氫的配送成本每千克僅增加約0.3美元,展現了更高的經濟性。因此,從長期看,伴隨液氫技術研發能力進一步提升、生產規模不斷擴大,在逐漸實現規?;瘧煤?,液氫儲運將更具市場優勢。
氫氣儲運環節的技術研發將主要集中在兩個方面。一是在儲存容器方面,需加快關鍵材料研發,不僅要盡快提升70兆瓦儲氫罐的國產化水平,還要進一步研發儲氫密度更高、重量更輕的更大型儲罐,為氫能規?;l展提前打好基礎。二是持續開展儲氫路線的探索,推動液氫、固態儲氫等現有路線盡快實現規模化應用,并繼續探索能夠實現更高密度、更高放氫效率的儲氫方法。
加氫:建設布局與汽車行業發展相連
作為氫氣供應鏈的終端,加氫站是連接制氫端與用氫端的重要橋梁,其建設布局與氫燃料電池汽車行業發展緊密相連。
根據不同的氫氣來源,加氫站可分為站內制氫和外供氫兩種類型。外供氫加氫站又可分為高壓氫氣壓縮站、外供液氫加氫站和復產氫源站。盡管液氫加氫站的建設成本更低、存儲量更大、占地面積更小,但建設難度也相應提升,因此目前我國加氫站仍以高壓加氫站為主。
高壓加氫站主要由壓縮、儲存、加注、控制等工序組成。其中,壓縮機、儲氫系統、加氫機是最重要的三個核心設備,其性能和參數決定了加氫站的整體加注能力和儲氫能力,當前進口依賴度較高,也是我國技術研發的重點領域。
作為高壓加氫站的核心設備之一,壓縮機主要用于卸裝拖車內的氫氣并加壓至儲氫目標壓強,在密封性、承壓力方面具有較高要求。目前,國內壓縮機可分為隔膜式壓縮機、液驅式壓縮機兩個類型,市場占比分別約為70%、30%。經過多年發展,國內企業在隔膜式壓縮機領域已形成規?;a能力,市場份額2022年已超過30%,技術成熟度較高,達到全球領先水平。
由于關鍵設備仍需依賴于海外進口,我國高壓氫氣加氫站的造價成本偏高,一般要達到千萬元,遠高于傳統加油站。為提升加氫站的經濟性,并緩解地區供氫緊張及氫價過高等問題帶來的運營壓力,近年來油氫合建站、油氫氣電合建站等綜合能源站在我國新建站中的比例持續提升,其中油氫合建站在我國2021、2022年度新建站中的占比分別接近50%、60%。未來,伴隨核心設備國產化率和關鍵技術研發能力持續提升,以及加氫站規?;l展帶來的成本下降,國內高壓加氫站造價成本還有較大下行空間。
截至2022年底,我國已建設加氫站超300座,處于全球領先水平。除西藏沒有建設加氫站,我國其余省級行政區均已建設或發布加氫站建設計劃。尤其是示范應用政策發布后,市場情緒高漲,驅動加氫站建設不斷加快。從地區分布看,廣東省運營加氫站超50座,遠超其他地區。
作為氫燃料電池汽車的“加油站”,加氫站的建設布局對于氫燃料電池行業乃至我國新能源車行業的整體發展都會產生較大影響。目前,我國加氫站的高造價和長投資回報周期一定程度上阻滯行業發展,需要國家相關部門在政策、財政、技術研發等方面持續給予更多支持。