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制氢、储运、加氢、检测,氢能设备产业链全解

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目前我国在氢能设备方面有极大的改善空间,在技术创新,降本增效,安全生产,国产替代方面,都存在着众多机会。

氢能设备前景广阔,未来万亿级市场

根据《中国氢能行业发展报告2020》,中国未来的氢能发展目标包括氢需求量、产业产值、终端销售价格、加氢站数量、氢燃料电池汽车保有量,以及从产业链环节的储氢路径、储运路径和加注模式的演化。

具体来看,这一目标要求中国在2050年氢的需求总量达到约6000万吨,产值达到12万亿元,氢终端价格明显下降,加氢站数量达到12000座,是当前数量的50倍以上,氢燃料汽车保有量达到3000万辆。

从最终的能源结构来看,当前中国氢气供应结构中有接近70%为化石能源制氢,未来更环保的可再生能源电解制氢以及生物制氢的途径将得到更大范围地普及与渗透,预计到2050年,电解制氢的比例将达到70%,生物制氢比例达到20%,而化石能源制氢比例将下降到20%。电解制氢和生物制氢的技术和设备将得到长足发展,未来氢能设备的市场未来也将是万亿级规模。

氢能设备行业全景图

从制氢端讲,我们重点关注电解水制氢。制氢的主要设备就是电解槽。从储运氢来讲,涉及到长管拖车、槽罐车、管道、货车。而在加氢站,核心设备就是储氢罐、压缩机、加氢机。最后在用氢端,目前的主要推动力就来自于氢燃料电池发动机,以及车载储氢罐。欲要生产,必先能检测,还需要有配套的检测设备。

电解水制氢是未来发展方向,核心设备电解槽市场集中度高

制氢分为石油煤制氢,天然气制氢,电解水制氢三种方式。从设备端来看,因化石燃料制氢往往依赖地域的高资源集中度和大规模生产带来的经济性,因此相关的制氢设备往往价格高昂,主要由头部的石化企业自制或相关的空分、深冷设备厂商提供。国内相关的设备厂商主要包括盈德气体集团、杭氧股份、中建五洲以及中泰股份等,此外海外巨头林德集团也广泛参与国内重要化石燃料制氢项目。

电解水制氢由于其环保的特性,是未来发展方向。中国现有的水电解市场主要采用碱性技术路线。总装机量约为1500~2000套,多数用于电厂冷却用氢制备。其中,碱性制备市场集中度较高,主要集中在718所、苏州竞立和天津大陆三家,三家占据市场份额的60%以上。

目前PEM技术路线只有718所、阳光电源和中电丰业等少数公司拥有。质子交换膜一般采用全氟磺酸膜,制备工艺复杂,长期被科慕、陶氏、戈尔等企业垄断。但国内东岳集团已研制出短链全氟磺酸膜,可用于水电解制氢和燃料电池。

《中国氢能发展报告2020》预计,碱性电解槽和PEM电解槽的能源转化率将分别达到78%和74%,PEM电解槽的规模占比将达到40%,设备价格将降低至800~2000元/kW,碱性电解槽的价格降低至600~1000元/kW。届时,电解水制氢的比例将达到70%,装机量将超过500GW,市场规模将达到7000亿元。

储运氢成本高昂,储运氢设备是未来技术突破的重点

氢气的高成本往往来自于储氢端而非制氢端,因此尽管制氢端的电解水制氢成本较高,且技术突破的路径较长,但传统化石燃料制氢的整体成本仍然并不高,这体现在氢气的出厂价和终端消费价的巨大差异,导致这一差异的主要瓶颈就在于储运氢的高成本。

为了将氢运送到使用端,需要对氢气进行变相存储,形成高压氢、液氢、金属固氢、有机液氢、管道氢的形态。氢液化的过程中,能耗也很大,理论上液化1kg氢的能耗约为14.4MJ,仅占其自身能量的10%,然而实际能耗却高出3倍以上。能够提供氢气液化并付诸商业化用途的主要为气体领域的国际巨头,如德国林德、法国液化空气、美国普莱克斯等,而这些公司提供的氢气液化装置,液化过程也会损耗氢气本身超过1/3的能量,相比天然气液化仅损失6%~8%的能量,氢气液化的成本依然过高。

在短距离运输中,相对成熟的长管拖车的气态运输尚有一定经济性,然而长距离运输中,因长管拖车的氢气运输重量仅占自重的1%,因此成本很高,只有期待氢气液化的可行性进一步提高,从而使用液氢槽罐车运输才能更有效地降本。

长距离运输中,管道运输方式也值得考虑,然而现有的天然气管道不能直接用于运输氢气,因为钢管运氢容易产生氢脆,即氢分子溶于钢中,造成应力集中,甚至超出钢的强度极限,所以要采用管道运输,需采用含碳量极低的材料,一般会是天然气管道材料的两倍,或者可采用天然气和氢气混合运输的方式,但氢气的含量占比不得超过20%。且建设管道投入成本过大,并非普通创业公司能够承受。

加氢站建设成本高,核心设备国产替代空间大

我国加氢站分布呈现较为明显的产业聚集效应,这主要归因于当前行业规模较小,分散的分布会使得氢气供应链拉长,大大提高储运成本。截至2020年底,全国共建成118座加氢站,同比增加了49座,主要集中在长三角、珠三角和环渤海地区。从成本结构来看,加氢站的成本主要包括压缩机、土地购置费、储氢罐、加氢机、工程设计及施工、工艺设计、设备安装和售后服务等。

其中,压缩机成本和土地购置费的成本占比最高,分别为34%和27%。

从设备层面来看,压缩机、储氢罐和加氢机三者占比合计达到55%,因此设备端技术的突破和广泛使用将是加氢站降本的关键所在。

此外,加氢站的成本还与本身的加注能力有关,一般一座加注能力达到500kg/d的35Mpa的固定加氢站,投资规模大约为1200万元(不包括土地成本),其中设备购置费用约为480万元,占比40%,而对于达到2000kg/d的35MPa的固定加氢站,投资规模大约2180万元,设备购置费用约为1200万元,占比55%。

赛迪顾问预计到2025年,中国将建成391座加氢站,加氢站设备市场规模将达到5.2亿元,2030年加氢站数量将达945座,设备市场规模将达8.7亿元。

在规模效应下,加氢站的设备成本也将呈现不断下降的趋势。根据车百智库,每年10套35MPa的加氢站和每年100套35MPa的加氢站相比,压缩机的成本将下降215%,储氢罐的成本将下降81.8%,与此同时,加氢站的总投资成本也将下降26.7%。

对于传统加氢站而言,压缩机和加氢机的建设成本比重最大,二者合计超过61%,而储氢罐的建设成本比重约为11.7%,居于第三。

压缩机设备国产替代任重道远

压缩机可分为机械式压缩和非机械式压缩两种,机械式压缩主要包括活塞式压缩、隔膜式压缩、线性压缩和离子压缩,目前仍然是氢气压缩的主流方式。

非机械式压缩分为低温液体泵、金属氢化物压缩机、电化学氢气压缩机和吸附性压缩机四类。

机械式压缩中,活塞压缩机和隔膜压缩机是最常用的两种机型。

活塞式压缩机出气量大,然而活塞反复运动的过程中可能会污染氢气,甚至造成氢气泄漏,因此更常见的仍然是隔膜压缩机,具有不受污染、无泄漏、压缩比大和排气压力大的特点。隔膜压缩机的特别之处在于压缩方式以及对应的密封部件。

相比活塞式压缩机,隔膜压缩机也有往复运动的活塞,但这个活塞主要作用于液压油,液压油进而推动膜片往复运动从而压缩气体。

由此可见,隔膜压缩机将活塞本身较低的密封性问题转移到膜片去解决,因此这种金属膜片本身需要超薄、密封且抗压性强。氢气压缩机的主要供应商包括美国PDC,英国豪顿华工程有限公司、德国AndreasHofer,国内具备隔膜压缩机生产能力的厂商主要有中鼎恒盛、北京天高和恒久机械。

目前来看,氢气的大规模应用的集中爆发点往往体现在下游的能源替代,因此传统的化工用氢份额将逐步被加氢站用氢替代,而国内加氢站使用的隔膜压缩机主要是海外产品,尤其是美国PDC几乎占据全球隔膜加氢机的70%-75%的份额,全球近一半的加氢站采用了美国PDC的压缩机。

国内氢气压缩机市场的国产替代仍任重道远。首先是国产氢气压缩机的设计压力不够大,平均在30MPa以下,无法满足加氢站的技术要求;其次是尽管部分国内厂商已经具备隔膜压缩机的制造技术,但设备内部的阀门和传感器等部件仍需外购;最后是国内加氢站数量少,下游需求基数低,因此加氢站为节省成本,不会让机器一直处于工作状态,而在没有缓冲罐的情况下频繁启停,对压缩机内部的金属膜片伤害极大,国产的隔膜压缩机很容易达到寿命上限(约2000小时),而PDC的隔膜压缩机往往能达到6000小时的寿命。

尽管如此,国产隔膜压缩机也正竞力提升自身的产品力,缩小和海外产品的差距。以中鼎恒盛为例,目前已经做到在45MPa级别的氢气压缩机对海外产品的进口替代,且在国内氢气充装厂大流量压缩机的市占率达到90%。此外,北京天高、恒久机械也在隔膜压缩机领域有了探索和应用。

加氢机设备有望打破国外垄断

加氢机是储氢设备的重要组成部分,成本占比接近10%。加氢机是指实现氢气加注的设备,一般装配有压力传感器、温度传感器、计量装置、安全装置等,其工作原理和加油站中的加油枪类似,压缩后的氢气经输送管道进入加氢机,经过各类阀门、计量器和软管,最终进入燃料电池车的气瓶中。

当前国产加氢机的重要部件依然严重依赖进口,主要为相关的管道阀门、流量计和加氢枪等,且鉴于当前国内市场应用面较窄,加氢机生产缺乏规模效应,加氢机厂商没有进行零部件国产替代的动力,因此成本依然高居不下。

国内生产加氢机主要的上市公司有厚普股份,公司的业务涵盖车用、船用、民用、核心零部件、互联网和氢能,其中氢能相关的产品主要包括加氢机、E系列、S系列、C系列加氢站、加氢撬装设备等。

当前公司已成功研发70Mpa的加氢机,而目前国内的高压氢气加注压力普遍是35MPa,单车加注量和续航里程较短;此外公司研发的氢气质量计量计已经处于样品试制阶段,成功量产后将打破国外在该领域的垄断。

储氢容器国内厂商奋起直追

储氢设备的另一重要部分是储氢容器,贯穿从制氢端到用氢端的全部环节,且是燃料电池车载供氢系统的重要组成部分。

根据赛迪顾问,2019年全国储氢设备市场有64.9%应用于车载供氢系统,剩余35.1%应用于加氢站设备,事实上,储氢设备中占比极大的一类便是储氢容器,尽管在加氢站中的占比相对较低,但在大量燃料电池车中,储氢容器毫无疑问是最份额最大的一类容器,其可靠性直接决定了燃料电池车的安全性、稳定性和续航能力。

一般来说,储氢容器包括金属储氢容器、碳纤缠绕金属内衬复合材料高压储氢容器(Ⅲ型瓶)以及全复合塑料储氢容器(Ⅳ型瓶)。

分种类来看,金属储氢瓶往往采用不易发生氢脆的铜、铝和奥式不锈钢,优点是易于加工且价格低廉,缺点是单位质量的储能密度低。因此在储氢领域,业内放弃了惯用的金属承压的思路,转而改为用纤维增强层承压,而较薄的金属内衬仅用于密封氢气,这就是Ⅲ型瓶。目前Ⅲ型瓶的平均压力可达到40MPa,是钢瓶的2-3倍,且质量密度远优于金属储氢瓶。提高储氢瓶压力的方式主要有改善纤维增强层的材料性质,以及改良纤维的缠绕方式。Ⅲ型瓶尽管已经实现了氢气质量密度的大幅提升,但内部的金属内衬仍有被取代的可能,这就催生了Ⅳ型瓶的开发和商业化应用。

基本思路为选取具备一定刚度的塑料(一般为高密度的聚乙烯)代替金属内胆,从而实现全瓶的轻质化,实现这一思路的是布伦瑞克公司,其在上世纪90年代成功研发出Ⅳ型瓶的初代产品。Ⅳ型瓶的优势很明显,其内胆除了塑料本身比金属密度低之外,塑料内胆还能兼做纤维缠绕的模具,且塑料内胆的冲击韧性、气密性、耐腐蚀性也要优于金属内胆。此外,Ⅳ型瓶相比于Ⅲ型瓶还有成本低(成本比约只有Ⅲ型瓶的64%)以及重容小(重容比也只有Ⅲ型瓶的77%)的优势,因此储能密度更高。

目前来看,储氢容器领域领先的生产技术仍由海外厂商把控,而国内厂商也在奋起直追。业内代表性的厂商较多,主要有法国的弗吉亚(通过收购国内最大的高压氢瓶制造商斯林达从而大幅提高市占率)、挪威的海克斯康(世界领先的Ⅳ型瓶制造商,已与中集安瑞科合作建立合营公司)、德国的NAPOXX、韩国的ILJINComposite、天海工业(京城机电的所属主要骨干企业)、中集安瑞科、奥扬科技等。

相比于海外公司,国内储氢瓶的生产公司主要产品仍为Ⅲ型瓶,主要存在的问题为:国内碳纤维、树脂短缺,性能不能满足Ⅳ型瓶的发展。经过国内外相关公司储氢瓶性能的比较,可见国内的制造企业仍存在代差,以及由此衍生的在重容比、储能密度等指标层面的相对落后,未来仍存在较大的改进空间。

氢燃料电池优点颇多,技术水平的限制依然是“硬伤”

截至2019年,全球83%的氢能源专利属于日本企业,其中丰田占比高达48%。日本对氢能源专利的垄断局面,迫使中美欧车企不得不放弃该技术路线,因为明显会被掐脖子,而日本本土市场小,凭一己之力根本撑不起氢能源车的整个产业链,在产业生态上与纯电动的距离越来越大。

氢燃料电池不仅和传统油车一样,加氢加油极为快捷(纯电动车充电效率慢得多),且因存在直接供能装置,因此续航也多有保证(相反对于纯电动车,锂电池的能量密度已经扩大到很高的位点,继续向上突破往往意味着放弃安全性,因此承载较大电池系统的车辆往往难以长距离续航行驶)。但也存在诸多问题。

首先,化石燃料制取的氢气是灰氢,内部含杂质较多,因此需要进一步提纯方可作为燃料电池的原料使用,这提高了氢气的使用成本;

其次,氢能尽管在液化状态下的能量密度高于燃油,远远高于锂电池,但氢气液化难度大,成本高,当前车用氢气仍主要是气态,需要极高的注射压力以及强度极高且能防止氢逃逸的储氢瓶材料;此外,氢燃料电池的发展仍相对滞后,国内自制的氢燃料电池的寿命较短,仅能满足数千小时的行驶,且包括膜电极等材料严重依赖进口;

我们认为,伴随用氢成本的不断下降以及加氢站网点的扩张,氢能将首先在氢燃料电池端多点开花,使得民用的氢能乘用车得到更大程度的普及。

当前氢轿车在燃料单价上甚至低于柴油车与汽油车,但行驶的百公里费用依然高于油车,更远远高于电动车。然而《中国氢能发展报告2020》预计2035年以后氢燃料电池乘用车的每公里TCO成本与同等续航条件下、同等行驶里程的纯电动乘用车的差距将缩小到0.1元/km,2050年氢燃料电池乘用车的成本将下降到0.59元/km。

尽管乘用车成本未来可能降至与锂电池车类似的水平,但是燃料电池车最初面临的推广条件较为困难。因为车规级的推广模式缺乏其他低级别消费品的消费先行(如智能手机和电动自行车在早期市场的发展),同时还缺乏必要的基础设施支持(需要建立大量的加氢站才能使其具备规模效应,而锂电池车可以依赖电网基础进行充电)。因此,尽管未来燃料电池车的发展趋势良好,但是其市场渗透率可能会相对缓慢。据《中国氢能发展报告2020》预测,燃料电池乘用车的市场渗透率将从2035年的2%上升到2050年的12%,增长速度缓慢,因为纯电动乘用车的市场渗透率从2015年的1%上升到截至2021年10月接近15%的水平。

氢能设备测试市场水涨船高,未来可期

近年来,国内出现了许多燃料电池测试设备的生产企业。目前,众多的从业企业中大部分为新注册企业,从业时间短,产品构成单一,设备实际运行时间短,专业技术人才短缺。另一类企业为其他测试产品线的延伸,比如原来搞锂电测试的,现在将产品线延伸到氢燃料电池测试产品,以求在该领域中分得一杯羹。还有一类是国外产品的国内代理经销商,代理设备处于小功率、燃料电池辅助性测试设备阶段;另一类属于高校、科研院所临时搭建的测试台架,并没有成为工业化的产品销售而国内目前正在长期专注于燃料电池测试设备的研发及生产企业则少之又少。

相对而言,燃料电池的测试设备领域,国内大功率测试设备的制备目前还有较多困难点,例如相对于小功率测试台架,大功率燃料电池测试设备要应对更为复杂的气路设计、对湿度以及响应时间有更高的要求、交流内阻测试以及快速压力动态测控等更具挑战。这些难题都需要企业投入更多的资源和资金来加快研发。

总体看来,目前国内测试设备市场中已经有锐格新能源、科威尔、氢导智能、群翌能源、律致新能源、宁波拜特、大连宇科等多家企业能够满足大功率燃料电池产品的测试,国产设备企业正在不断蚕食Greenlight、Feulcon、AVL等外资品牌在大功率领域的优势市场空间。

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编辑:敬之

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