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一、氫氣產(chǎn)儲
氫能源是氫燃料電池汽車的核心動力來源，其生產(chǎn)方案較多，主要有：1）化石燃料制氫：天然氣制氫、煤炭制氫等；2）富氫氣體制氫：合成氨生產(chǎn)尾氣制氫、煉油廠回收富氫氣體制氫、氯堿廠回收副產(chǎn)氫制氫、焦?fàn)t煤氣回收氫等；3）甲醇制氫：甲醇分解制氫、甲醇水蒸氣重整制氫、甲醇部分氧化制氫、甲醇轉(zhuǎn)化制氫；4）水解制氫：電解水、堿性電解、聚合電解質(zhì)薄膜電解、高溫電解、光電解、生物光解、熱化學(xué)水解；5）生物制氫：生物質(zhì)通過氣化和微生物催化脫氫制氫。
目前全球主要制氫方法來源于化石燃料（66%）和甲醇重整（30%），電解水成本較高，僅4%氫氣來源于電解水。國內(nèi)方面，我國氫氣主要來源于焦?fàn)t煤氣（66%）、氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫、天然氣、甲醇、液氨重整。焦?fàn)t煤氣中含硫量較高，會引起催化劑中毒從而減少電堆壽命，加裝脫硫裝置會大幅增加系統(tǒng)成本，因此目前氫燃料電池的氫氣主要來源于氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫。但是長期來看，隨著可再生能源在我國發(fā)電占比逐漸升高，且新能源電力成本持續(xù)降低后，低成本高純度氫氣依然來源于電解水。
目前我國氯堿副產(chǎn)氫產(chǎn)能約76萬噸/年，完全滿足目前氫燃料電池汽車需求，疊加天然氣、甲醇、液氨裂解的氫氣產(chǎn)能，合計278萬噸/年，可供68萬輛氫燃料電池汽車使用，其中氯堿副產(chǎn)氫即可供應(yīng)19萬輛汽車的氫氣需求，因此短期內(nèi)氯堿副產(chǎn)氫完全滿足氫氣用量。
2014-2020年氫氣需汽車產(chǎn)量及預(yù)測
數(shù)據(jù)來源：公開資料整理
2014-2020年氫氣需求量及預(yù)測
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隨著未來氫燃料電池汽車的快速增長，遠(yuǎn)期氫氣供應(yīng)依然不足，我們認(rèn)為電解水制氫有望成為未來氫氣生產(chǎn)的主要來源。電解水制氫目前唯一缺點是耗電量大導(dǎo)致成本過高，約在2.5~3.5元/Nm3之間，而氯堿副產(chǎn)氫氫氣成本僅1.3~1.5元/Nm3。電解水制氫成本來源主要是電耗，能耗水平約為4.5~5.5kwh/Nm3，能效在72%~82%之間，成本相當(dāng)于30~40元/kg，用電解法生產(chǎn)氣態(tài)氫的價格比汽油約高65%，如果生產(chǎn)液態(tài)氫，則比汽油高約260%以上。
制氫方法成本比較（元/Nm3）
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我國電力裝機(jī)及消費(fèi)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，可再生能源高速增長，光伏風(fēng)電占比逐漸擴(kuò)大，低成本可再生能源將逐漸成為我國電力消費(fèi)結(jié)構(gòu)的重要來源：1）2019年光伏風(fēng)電已經(jīng)開始進(jìn)入平價時代，部分風(fēng)電光伏項目已經(jīng)滿足平價要求，未來有望進(jìn)一步降本，從而產(chǎn)生大量低成本低價可再生電力；2）近年來，降低棄風(fēng)棄光率是國家發(fā)展新能源的重要目標(biāo)之一，2018年棄光棄風(fēng)率分別為3%和7%，另外棄水率為5%，合計浪費(fèi)可再生能源909.45億度電，對應(yīng)可產(chǎn)生氫氣617萬噸，是目前氫氣產(chǎn)能的一倍，若將這一部分浪費(fèi)的資源用于電解制氫，可產(chǎn)生邊際成本極低的氫能源。
二、氫氣儲運(yùn)
氫氣使用和生產(chǎn)地域的不匹配造成了儲運(yùn)問題。相對生產(chǎn)環(huán)節(jié)，氫氣儲運(yùn)問題相對更大：我國氫氣輸運(yùn)技術(shù)仍不足，存儲和運(yùn)輸企業(yè)較少，產(chǎn)業(yè)化水平低。氫氣生產(chǎn)后的儲存方式與車載儲氫方式基本相同，均為高壓氣態(tài)、低溫液態(tài)和固態(tài)儲氫，加氫站的氣源也多采用外供高壓氣氫。
氫氣儲運(yùn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)
關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié) | 主要制造商 | 國內(nèi)技術(shù)水平 | |
低溫液態(tài)氫儲運(yùn)裝備 | 大容積液氨圓柱形儲罐、液氫球罐 | 中國航天科技、中集安瑞科、美國MVE、日本JCI、Chart公司、JSCCryogenmash、林德公司 | 大容積液氫球罐、罐車技術(shù)與國外存在差距、關(guān)鍵零部件仍依賴進(jìn)口 |
液氫運(yùn)輸及加注設(shè)備 | |||
液氫罐車 | |||
高壓氣態(tài)氫儲運(yùn)裝備 | 車載高壓氫氣瓶 | 意大利FaberIndustries、美國HexagonLincoln、日本SAMTECH、富瑞氫能、北京有色金屬研究總院、沈陽斯林達(dá)安、浙江大學(xué)、巨化集團(tuán) | 與國際先進(jìn)水平存在一定差距 |
固定式高壓儲氫容器 | |||
移動式高壓儲氫容器 | |||
儲氫新材料 | 金屬氧化物儲氫材料、有機(jī)液體儲氫材料、多孔材料吸附存儲材料等 | 美國Brookhaven實驗室、日本AKIBA實驗室、德國紐倫堡能源研究中心、北京有色金屬研究總院、中國地質(zhì)大學(xué)、荷蘭飛利浦、日本三德、美國OVONIC公司、日本松下電器、日本福瑞能源、日本積水化學(xué)、氫陽能源 | 與國際先進(jìn)水平存在較大差距、但是大多處于研發(fā)試驗階 |
加氫站建設(shè)與運(yùn)營 | 35MPa、70MPa加氫站技術(shù)整備及建設(shè) | 奧地石油友天然氣集團(tuán)、法國道達(dá)爾、荷蘭皇家殼牌、德國林德、美國TrueZero公司、美國空氣產(chǎn)品公司、日本巖谷、上海舜華新能源系統(tǒng)有限公司、富瑞氫能 | 與國際先進(jìn)水平存在較大差距 |
氣態(tài)氫加注裝備、氣態(tài)氫品質(zhì) | |||
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儲運(yùn)氣瓶與車載氣瓶的差別在于壓力不同：儲運(yùn)氣瓶的壓力高于車載氫氣瓶。當(dāng)為燃料電池汽車加注時，以站內(nèi)儲氫瓶和車載瓶之間的壓差為驅(qū)動力，高壓氣態(tài)氫氣由站內(nèi)向車載儲氣瓶不斷加注，直到目標(biāo)加注質(zhì)量或者壓力則加注完畢。目前加氫站目標(biāo)加注壓力多為35MPa，站內(nèi)儲氣壓力為40~45MPa。為了滿足更長續(xù)駛里程的需求，70MPa的加氫站成為未來發(fā)展趨勢，其儲氣瓶壓力需要達(dá)到80~90MPa，因此儲運(yùn)氣瓶需要承擔(dān)更大的壓力，對強(qiáng)度和材質(zhì)要求相對更高。
液氫儲存問題與車載儲氫瓶相同。利用低溫鐵路槽車長距離運(yùn)輸液氫是一種既能滿足較大的輸氫量，又比較快速、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)氫方法。這種鐵路槽車常用水平放置的圓筒形低溫絕熱槽罐，其儲存液氫的容量可達(dá)100m3。特殊大容量的鐵路槽車甚至可運(yùn)輸120~200m3的液氫。液化氫氣所需能耗將近氫氣本身的40%，且需要保持低溫，在101千帕壓強(qiáng)下，溫度-252.87℃時，氫氣才可轉(zhuǎn)變成無色的液體，導(dǎo)致儲氫罐內(nèi)外溫差較大，因此其儲存的容器及輸液管道都帶有高度的絕熱性能。
固態(tài)儲氫材料是未來氫氣儲存與運(yùn)輸?shù)闹匾芯糠较?，包括物理吸附與金屬或非金屬氫化物儲氫三個方向，目前都處于研究或者小規(guī)模實驗狀態(tài)。
不同儲氫方式經(jīng)濟(jì)性比較（美元/GJ）
儲存方法 | 使用系統(tǒng)成本 | 儲存系統(tǒng)成本 | 能耗 | 總成本 |
液體灌裝（T=20K） | 1.46 | 2.36 | 15.37 | 19.02 |
金屬氫化物 | 0.6 | 7.844 | 5.41 | 13.85 |
氣體壓縮（P=20MPa） | 0.82 | 8.12 | 2.65 | 11.59 |
固體吸附（T=150K，P=5.4MPa） | 2.1 | 2.61 | 2.46 | 7.38 |
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針對氫氣的儲存方式，氫氣運(yùn)輸方式主要是三種：氣氫拖車、氣氫管道、液氫灌車。總體來說，300公里以下的短距離運(yùn)輸，液氫管道運(yùn)輸成本和氣氫拖車擁有成本優(yōu)勢，400公里以上的長距離運(yùn)輸則液氫罐車更具優(yōu)勢。
1） 氣氫拖車
由于高壓儲氫瓶中氫氣質(zhì)量約占儲氫瓶總質(zhì)量的5%，因此運(yùn)輸氣氫拖車運(yùn)輸效率非常低，在運(yùn)輸300公里左右時成本為7000元/噸。其成本主要包括：拖車折舊費(fèi)、維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)、氫氣壓縮耗電、人員工資及運(yùn)輸油耗等。目前國內(nèi)集裝管束拖車的價格約100萬/臺，使用年限10年。每輛拖車配備司機(jī)兩名，每人每年工資及福利費(fèi)共15萬。拖車滿載氫氣可達(dá)460kg，每百公里消耗柴油約25升。拖車平均運(yùn)行速度假設(shè)為50km/小時，兩端裝卸時間約5小時，年有效工作時間為4500小時，氫氣壓縮過程耗電1kwh/kg。
氣氫拖車單位氫氣運(yùn)輸成本（元/噸公里）
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2） 液氫罐車
液氫罐車的運(yùn)輸成本結(jié)構(gòu)與氣氫拖車類似，只是增加氫氣液化成本及運(yùn)輸途中液氫的沸騰損耗。槽罐車市場價格約45萬/輛，每次裝載液氫約4300kg，運(yùn)輸途中由于液氫沸騰平均每小時損耗0.01%，液化過程損耗0.5%。液化過程耗電11kwh/kg。槽罐車充卸一次約耗時6.5小時。
液氫罐車單位氫氣運(yùn)輸成本（元/噸公里）
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3） 氣氫管道
管道輸送的年運(yùn)輸能力取決于設(shè)計能力，而與運(yùn)輸距離基本無關(guān)。目前，氫氣管道使用的直徑都不大(多數(shù)直徑d＜200mm)，輸氫壓力不高(p＜7MPa)，管道輸送距離并不很長(最長的為208km)，故中間不設(shè)氫氣加壓站。按照φ502mm的管道計算，年輸送能力為10.04萬噸。管道運(yùn)輸?shù)膰嵐锍杀臼苓\(yùn)能利用率的顯著影響，隨著運(yùn)能利用率的下降，單位運(yùn)輸成本大幅度提升，在利用率提升到40%以上之后運(yùn)輸成本的變化幅度減緩。
三、加氫站
目前的加氫站主要集中在歐美和日本，采用的燃料形式主要分為液氫和壓縮氣體氫氣。多數(shù)氫氣加注需要利用高壓氫氣為原料，即壓縮氫氣的加氫站。此類加氫站主要包括氣體輸送和在站制氫兩種。在站制氫主要有兩種方式：天然氣水蒸氣重整和水電解制氫。目前國外已有的加氫站主要以水電解制氫為主，少部分采用天然氣水蒸氣重整制氫。各種制氫工藝中，以天然氣現(xiàn)場制氫的經(jīng)濟(jì)性最好，電解水制氫次之。考慮到燃料電池汽車對氫氣質(zhì)量的苛刻的要求，目前國外已有的加氫站主要以水電解制氫為主。
2018年末各國建設(shè)中加氫站數(shù)量統(tǒng)計
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2018年底，我國已建成或在運(yùn)營的加氫站有26座，前80%的加氫站集中在廣東、上海、江蘇、湖北、遼寧五個省份地區(qū)。加氫站投資主體主要是：1）政府投資、或國資能源企業(yè)：神華集團(tuán)、中石化、地方國資委等；2）汽車廠商：上汽、東風(fēng)特汽、豐田汽車、宇通、中通、奧新汽車、西安新青年、佛汽運(yùn)輸?shù)龋?）燃料電池或系統(tǒng)企業(yè)：新源動力、廣東國鴻、億華通、上海神力、愛德曼、明天氫能、大洋電機(jī)、武漢氫雄等；4）交通物流運(yùn)營商：氫車熟路、上海驛動、國能聯(lián)盛、國能聯(lián)盛、國聯(lián)氫能、新賓沐與康等；5）加氫站建設(shè)運(yùn)營企業(yè)：上海舜華、北京海德利森科技、氫楓能源、北京派瑞華氫等；6）加氫站設(shè)備集成供應(yīng)商：北京海德利森科技、富瑞氫能、厚普股份等；7）氣體公司：上海浦江特種氣體、南海燃?xì)狻⑺拇ㄈ細(xì)?、林德、空氣化工、順德興順燃?xì)狻⑷A昌化工、濱化集團(tuán)、廣東聯(lián)悅氫能等。
2018年末我國在建及在運(yùn)營加氫站地域分布
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中國單座加氫站投資規(guī)模為1200~1800萬元，500kg/d供氫能力加氫站的單站投資規(guī)模約為1510萬元，歐洲同等量級的加氫站所需成本約800~1000萬元。主要因為1）國內(nèi)加氫站的核心設(shè)備來自國外，設(shè)備價格占加氫站總價格的55%~65%；2）產(chǎn)業(yè)前期，為了保障加氫站的安全，國內(nèi)加氫站的占地面積大；3）中國加氫站建設(shè)數(shù)量少，相關(guān)法規(guī)、加氫站建設(shè)運(yùn)營管理辦法等還未有明確、正規(guī)的流程，加氫站的設(shè)計、審批、建設(shè)等周期較長，人力物力成本較高。
200kg日加氫能力加氫站成本分布
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我國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)發(fā)展路線
項目 | 2016年 | 2020年 | 2030年 | 2050年 |
制氫 | 工業(yè)副產(chǎn)氫氣回收天然氣制氫煤制氫電解水 | 可再生能源制氫CCS技術(shù) | 低碳煤基制氫技術(shù)可再生能源制氫多元化制氫體系 | 規(guī)?；稍偕茉粗茪涔I(yè)副產(chǎn)氫氣網(wǎng)收規(guī)模低碳煤制氫形成綠色氫能供應(yīng)體系 |
氫儲存與運(yùn)輸 | 35MPa氣態(tài)儲存液氫罐車長管拖車 | 20MPa氣瓶技術(shù)安全預(yù)測預(yù)警技術(shù)高效液態(tài)儲氫復(fù)合體系儲氫 | 高壓儲氫設(shè)備輕量化技術(shù)安全控制技術(shù)100MPa級氫安全儀器儀表 | 摻氫天然氣管道輸送技術(shù)長距離高壓氫氣管道技術(shù) |
氫能利 | 35MPa加氫4座加 | 70MPa加氫100座加氫 | 1000座加氫站氫能高速公路1億kw | 全國范圍氫能共計和利用設(shè) |
用設(shè)施 | 氫站 | 站20W1W發(fā)電1萬輛車 | 發(fā)電200萬輛車3000km氫氣管線 | 施1000萬輛車 |
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相關(guān)報告：智研咨詢發(fā)布的《2019-2025年中國氫能源行業(yè)市場前景分析及發(fā)展趨勢預(yù)測報告》
