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新闻资讯

固态储氢专题研究报告:新兴技术优势凸显,从零到一前景广阔

发布时间:2023-04-14浏览:1580次

固态储氢技术基本介绍

我国氢能产业具备长期发展潜力

根据中国氢能联盟的预测,在2030年碳达峰愿景下,我国氢气的年需求量预期达到3,715万吨,在终端能源消费中占比约为5%;可再生氢产量约为500万吨,部署电解槽装机约80GW。在2060年碳中和愿景下,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,工业领域用氢占比仍然最大,约7,794万吨,占氢总需求量60%;交通运输领域用氢4,051万吨,建筑领域用氢585万吨,发电与电网平衡用氢600万吨。

储氢——气、液、固三种方式

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。

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/公斤。 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型瓶为主,而70MPaIV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 的单价3500-5000/kg70MPa8000-10000/kg

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。

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。 液氢槽罐车价格为350/台,可储存4300公斤液氢,液化过程耗电约为15KWh/kg 2021年月,清华联手北汽福田的全球首辆35吨级、49吨级分布式驱动液氢燃料电池重型商用车成功问 世,顺利通过综合测试。20212月,上海重塑、佛燃能源、国富氢能、泰极动力签署协议在佛山合作 推进液氢储氢加氢站项目。

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。

固态储氢从体积储氢密度、安全性等因素考虑,是最具商业化发展前景的储存方式之一。 固态储氢目前在交通领域起步相对较早,氢能自行车、两轮车、燃料电池叉车、加氢站均有示范项目;国 内企业如厚普股份也在开发车载固态储氢瓶,目前钛系储氢装置售价在2万元/kg,未来希望通过规模化生 产,降至8000/kg以内。 固态储氢在电力调峰领域也有示范项目,包括华电集团、云南电科院、有研科技集团等在四川泸定、昆明、 张家口建设了相关示范项目。 在备用电源领域,应用于数据中心、医院、社区等工商业的示范项目。 在工业领域:目前化工上使用的是高压储气罐,安全性存在挑战、复杂度很高。而固态储氢可以作为长期 的储存,减轻安全压力;还可以实现工业副产氢净化-储运一体化。一辆储运车可直接充装和纯化1.2吨氢 气,得到99.999%的高纯氢,有效降低储运成本。

固态储氢技术路线介绍

固态储氢技术路线主要可分为金属氢化物,配位氢化物,碳材料,金属有机骨架材料(MOFs)和水合物储氢等。 金属氢化物为固态储氢主流技术路线,涉及材料包括镁系、钛系、钒系、稀土系及复合储氢合金等;其中镁系合金储氢容量大(最高可达7.6%),但放氢温度高,通常需要300;钛系、钒系、稀土系储氢合金储氢容量为1.4%-2.4%不等,放氢温度明显较镁系合金低。配位氢化物路线需要碱金属(锂、钠、钾等)或碱土金属(镁、钙等)或第三主族元素(铝、硼等)。 碳材料路线需要活性炭、碳纳米纤维、碳纳米管等材料。

金属氢化物吸放氢基本原理

金属储氢材料通过金属氢化物的形式来将氢气储存在合金中。吸氢过程中,合金储氢材料在一定的温度和氢气压力下, 发生放热反应吸收氢气生成金属氢化物;放氢过程中,金属氢化物在加热的情况下发生吸热反应释放所吸收的氢气, 微观机理:氢分子首先吸附在金属表面, 随着氢键断裂而解离成氢原子, 氢原子通过内部扩散进入金属原子的间隙形成金属固溶体,之后固溶体中的氢原子进一步向金属内部扩散, 达到固溶转化为化学吸附的活化能后从而形成氢化物。

储氢运氢——三种形式的结合应用前景

对于高压气态储运,当运输距离为50km时,运输成本为3.6/kg,随着距离的增加长管拖车运输成本大幅上升,当运输距离为500km时,氢气的运输成本达到29.4/kg。因此,长管拖车只适合短距离运输(小于200km)。固态储氢车与液氢槽罐车运氢成本对距离不敏感,当加氢站距离氢源点50-600km时,运输价格约在10-13/kg范围内,成本变动与储运氢过程中耗电费用,载氢量有关,在长距离运输下,固态储氢车与液氢罐车都具备成本优势。 管道运氢成本主要来源于与输送距离正相关的管材折旧及维护费用,当输送距离为100km时,运氢成本仅为0.5/kg。但管道运氢成本很大程度上受到需求端的影响,在当前加氢站尚未普及、站点较为分散的情况下,管道运氢的成本优势并不明显。

固态储氢市场分析

固态储氢技术拥有广阔的应用前景

对于不同的储氢方式,都有不同的适合场景。固态储氢适用的场景有:

工程车载应用:1)叉车对重量不敏感,固态储氢较为合适。相比高压储气罐,固态储氢能够储存两倍以上的氢气,续航时间翻倍,叉车加氢一次工作可以连续工作一整天。2)固态储氢可以用于港区、煤矿井下进行短途输运的物流车,这种场景下用高压气罐有安全风险,用固态储氢更合适。3)地铁施工中的机械施工车辆也适合使用固态储氢装置,这些列车建站很小很少,但对体积和重量的承受力强一些。4)固定路线的重卡、环卫车等等也非常适合。

乘用车载应用:目前燃料电池乘用车主要是高压储氢,主流车型采用三个罐,一横两竖的摆放方式,比较占用空间,如果使用固态储氢装置,可以与底盘进行一体式设计,类似电动车,空间利用率会大大提高,同时汽车的重心会降低,汽车的阻力降低,能效提高;同时固态储氢安全性更好,车辆可以放心进入地下车库停放。目前存在的问题是需要在乘用车使用还需要提高质量储氢密度到2%以上,并且降低制造成本。

通信基站的备用电源:例如我国2008年汶川地震后,一些单位开发了燃料电池和固态储氢装置组成的备用电源,一次能够供给通信基站运行17个小时左右。

分布式供能:固态储氢装置可以和光伏或风电配套使用。因为固态储氢需要的氢气压力低,光伏电解水制取的氢气可以直接存储在固态储氢装置中。固态储氢装置平时常温常压储存,使用时跟燃料电池配套使用,燃料电池余热可以放氢时使用,固态储氢装置可以作为换热系统的一部分。近年来更大规模的分布式储能,广州南沙和云南昆明的分布式供能,一方面可以直接跟燃料电池热电联供结合使用,另一方面可以把氢气增压后给氢能汽车加氢,形成综合能源站。

绿氢和化工相结合:化工需要持续的氢气供给,单独的光伏制氢因为具有间歇性,因此不合适独立运行。目前化工上使用的是高压储气罐,安全性存在挑战、复杂度很高。而固态储氢可以作为长期的储存,减轻安全压力。

电力调峰电站:固态储氢和200MW以上的燃料电池配套,可用作调峰电站,能够供电45个小时以上。这种电站储氢量很大,例如我国张家口的新能源基地,设计单日放氢量可达到50吨以上,这种应用非常适合固态储氢。按照一周以上的储存时间估算,固态储氢单位造价可低至1.0/wh,略低于当前锂电池的系统价格1.1-1.2/wh的水平,但相对于锂电池系统,固态储氢系统的长时储能在安全性方面的优点更为明显。

应急电源:应用于数据中心、医院、社区等工商业。

固态储氢罐产品介绍

与高压气态储氢方式相比,固态储氢罐具有安全可靠的优势,对设备要求较低。目前主流的固态储氢罐主要由固态储氢材料、不锈钢/铝制壳体、气管通道、过滤器、散热鳍片、阀门和加热/散热管道组成。因固态储氢罐压力一般低于5MPa,故不需要成本较高的高压阀门。

固态储氢罐成本主要受规模、壳体材料、储氢合金等因素影响,各家工艺有所不同,成本差异较大。根据有研工研院资料显示,目前固态储氢装置成本约为8000/kgH2,而辚萧科技生产的金属氢化物固态储氢罐成本约为1200/L。当前固态储氢装置处于早期示范阶段,未来随着产线规模的扩大和自动化程度的提高,制造成本有望大幅降低。同时,失效储氢罐中的储氢材料可以实现回收,进一步压缩制造成本。

固态储氢罐产业化进程

有研工研院开发的一系列固态储氢罐产品涵盖便携式、大容量、固定式等多种规格,容量覆盖0.1-1000Nm3,处于行业领先地位。浩运金能固态储氢罐产品可实现快速大容量吸放氢,且工作压力低于3MPa,为多种应用场景提供便利。目前国内生产固态储氢罐的企业有浩运金能、有研工研院、华硕能源、安泰创明、永安行、氢枫能源、辚萧科技和华硕能源。

目前主流固态储氢罐生产企业均有具备商业化潜能的产品面市。浩运金能开发的储氢罐容量最高可达800L,同时具备超过200L/min的快速大流量放氢性能。有研工研院开发的固态储罐已应用在与云浮飞驰、佳华利道等合作项目的冷链物流车、大巴车上。安泰创明开发的固态储氢瓶应用于两轮车上,续航可达80km;氢枫能源开发的镁合金固态储氢运输车上搭载14个储氢罐,可以实现1.2吨的氢气运载量。永安行固态低压储氢瓶生产线已实现规模化生产。

政策:多部门支持氢能产业发展

20193月氢能被首次写入政府工作报告后,国务院、国家发改委、国家能源局等多部门陆续印发了支持、规范氢能源行业的发展政策,主要包括氢能发展技术路线、氢能基础设施建设、燃料电池汽车发展等内容。

三大氢燃料电池示范城市群落地,推动氢能跨区域发展

20218月,财政部、工业和信息化部、科技部、国家发展改革委和国家能源局《关于启动燃料电池汽车示范应用工作的通知》正式印发,宣告京津冀、上海、广东成为国内三大氢燃料电池汽车示范城市群,示范期为期四年。国家将采取以奖代补的方式,按照示范城市群任务目标完成情况给予奖励。示范城市群的落地,将加快燃料电池关键核心技术自主化与产业化进程,有助于探索氢能商业化模式和燃料电池产业政策的建立,推动氢能跨省跨区域协同发展。

多省市发布氢能产业建设目标

全国已有20个省份公开发布到2025年的氢能规划,从我国各省市出台政策来看,二十省规划2025年氢燃料电池汽车保有量合计将超过十万辆、加氢站保有量合计超过1300座,二十省至2025年氢能产业规模合计将突破万亿大关。

氢燃料电池汽车市场展望

从全球氢燃料电池汽车保有量来看,近几年实现快速增长,由2019年的2.4万辆增长至2022年底6.75万辆,CAGR41%;从我国我国情况来看,至2022年底国内氢燃料电池汽车保有量达到1.23万辆,数量占全球比例约18.2%

从全球氢燃料电池汽车销量来看,2022全年实现销量17926辆,其中我国实现销量3367辆,占比18.8%,随着燃料电池系统生产规模化与燃料电池电堆核心零部件国产化推动成本下降,在2025年燃料电池汽车保有量达超10万辆政策指引下,我们预计未来几年我国氢燃料电池汽车产销量迅速上升。

固态储氢发展现状

总结

固态储氢为储氢环节新兴技术,相较于高压气体储能和低温液态储氢具备高安全性、高体积储氢密度、快速充放氢、运输便捷等优势,并为业界所重视。目前主流固态储氢路线为金属氢化物,包括镁系、钛系、钒系、稀土系及复合储氢合金等。

固态储氢技术应用前景广阔。1)车载储氢环节,伴随氢燃料电池汽车的推广和车载固态储氢系统成本下降,固态储氢系统市场空间将会打开,我们预计车载固态储氢瓶2030年市场规模突破百亿元;2)加氢站环节,固态储氢相较于高压气态和液态储氢不需要压缩机或液化装置即可完成充氢,在加氢站建设成本上较低,具备较好的经济性,我们估计当前固态储氢加氢站整体成本约为800万元,我们预计2022-2026年固态储氢加氢站建设累计新增投资约将增加14.3亿元,至2025/2026年新增投资额分别为4.5/5.3亿元;3)其他领域:如分布式供能,通信基站的备用电源,电力调峰电站等,氢储能的存储规模更大,存储时间更长可以满足长周期、大容量储能要求,同时固态储氢安全性强,运输灵活性高,在长时储能领域有广泛应用空间。

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