固態(tài)儲氫技術基本介紹

我國氫能產(chǎn)業(yè)具備長期發(fā)展?jié)摿?/span>

根據(jù)中國氫能聯(lián)盟的預測，在2030年碳達峰愿景下，我國氫氣的年需求量預期達到3,715萬噸，在終端能源消費中占比約為5%；可再生氫產(chǎn)量約為500萬噸，部署電解槽裝機約80GW。在2060年碳中和愿景下，我國氫氣的年需求量將增至1.3億噸左右，在終端能源消費中占比約為20%。其中，工業(yè)領域用氫占比仍然最大，約7,794萬噸，占氫總需求量60%；交通運輸領域用氫4,051萬噸，建筑領域用氫585萬噸，發(fā)電與電網(wǎng)平衡用氫600萬噸。

儲氫——氣、液、固三種方式

氣態(tài)儲氫技術通過高壓是將氫氣壓縮于高壓容器中，來實現(xiàn)氫氣的儲存，通常由鋼、鋁、碳/玻璃纖維、 高分子材料等制成。

高壓氣態(tài)儲氫技術成熟，應用廣泛。目前高壓氣態(tài)儲氫技術主要應用在運輸領域，加氫站和燃料電池 車上均應用高壓儲氫瓶作為儲氫裝置。 加氫站通常使用純鋼制造的I型瓶和II型瓶（鋼制內膽，纖維環(huán)向纏繞），工作壓力在17.5-30MPa， 體積較大。加氫站配置250kg的儲氫裝置成本約為170-200萬元以上，折合單位儲氫價格約為6000- 8000元/公斤。 車載儲氫瓶主要分III型瓶和IV型瓶兩種。III型瓶壓強為35MPa，內膽采用鋁合金/鋼，包裹材料為碳纖 維或者混合碳/玻璃纖維復合材料。IV型瓶壓強為70MPa，內膽采用聚合物（一般包括尼龍，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纖維或者混合碳/玻璃纖維復合材料。國內氫燃料電池汽車配備的儲氫罐主要以35MPa的Ⅲ型瓶為主，而70MPa的IV型高壓儲氫 罐，國外已經(jīng)實應用，國內尚未批準。在燃料電池車上應用的高壓儲氫瓶按照儲氫質量折算，35MPa 的單價3500-5000元/kg，70MPa的8000-10000元/kg。

液態(tài)儲氫技術是采用低溫技術將氫氣冷卻到液化溫度（標準大氣壓下，-253℃）以下，以液體形式儲 存在高度真空的絕熱容器中。

低溫液態(tài)儲氫技術目前美國、日本等已經(jīng)實現(xiàn)了大規(guī)模的商業(yè)應用，國內應用最早起步于軍事、航天等 領域。隨著近年來國內氫能產(chǎn)業(yè)興起，民用液氫領域現(xiàn)已匯聚中科富海、航天101所、國富氫能、鴻達 興業(yè)等一批科研機構和企業(yè)，在相關技術上屢獲重大突破；同時國家已發(fā)布液氫生產(chǎn)、貯存和運輸?shù)膰?/span> 家標準，這使液氫民用有標可依，實現(xiàn)了我國液氫產(chǎn)業(yè)民用領域標準零突破，為液氫進入市場化發(fā)展提 供重要支撐。 液氫槽罐車價格為350萬/臺，可儲存4300公斤液氫，液化過程耗電約為15KWh/kg。 2021年月，清華聯(lián)手北汽福田的全球首輛35噸級、49噸級分布式驅動液氫燃料電池重型商用車成功問 世，順利通過綜合測試。2021年2月，上海重塑、佛燃能源、國富氫能、泰極動力簽署協(xié)議在佛山合作 推進“液氫儲氫加氫站項目。

固態(tài)儲氫技術是通過物理或化學方式使氫氣與儲氫材料結合，來實現(xiàn)氫氣的儲存。從材料分類上有金屬合金、 碳材料等。金屬氫化物合金又可細分為稀土系、鈦鐵/錳系、釩系和鎂系等。

固態(tài)儲氫從體積儲氫密度、安全性等因素考慮，是最具商業(yè)化發(fā)展前景的儲存方式之一。 固態(tài)儲氫目前在交通領域起步相對較早，氫能自行車、兩輪車、燃料電池叉車、加氫站均有示范項目；國 內企業(yè)如厚普股份也在開發(fā)車載固態(tài)儲氫瓶，目前鈦系儲氫裝置售價在2萬元/kg，未來希望通過規(guī)模化生 產(chǎn)，降至8000元/kg以內。 固態(tài)儲氫在電力調峰領域也有示范項目，包括華電集團、云南電科院、有研科技集團等在四川瀘定、昆明、 張家口建設了相關示范項目。 在備用電源領域，應用于數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、社區(qū)等工商業(yè)的示范項目。 在工業(yè)領域：目前化工上使用的是高壓儲氣罐，安全性存在挑戰(zhàn)、復雜度很高。而固態(tài)儲氫可以作為長期 的儲存，減輕安全壓力；還可以實現(xiàn)工業(yè)副產(chǎn)氫凈化-儲運一體化。一輛儲運車可直接充裝和純化1.2噸氫 氣，得到99.999%的高純氫，有效降低儲運成本。

固態(tài)儲氫技術路線介紹

固態(tài)儲氫技術路線主要可分為金屬氫化物，配位氫化物，碳材料，金屬有機骨架材料（MOFs）和水合物儲氫等。 金屬氫化物為固態(tài)儲氫主流技術路線，涉及材料包括鎂系、鈦系、釩系、稀土系及復合儲氫合金等；其中鎂系合金儲氫容量大（最高可達7.6%），但放氫溫度高，通常需要300℃；鈦系、釩系、稀土系儲氫合金儲氫容量為1.4%-2.4%不等，放氫溫度明顯較鎂系合金低。配位氫化物路線需要堿金屬（鋰、鈉、鉀等）或堿土金屬（鎂、鈣等）或第三主族元素（鋁、硼等）。 碳材料路線需要活性炭、碳納米纖維、碳納米管等材料。

金屬氫化物吸放氫基本原理

金屬儲氫材料通過金屬氫化物的形式來將氫氣儲存在合金中。吸氫過程中，合金儲氫材料在一定的溫度和氫氣壓力下, 發(fā)生放熱反應吸收氫氣生成金屬氫化物；放氫過程中，金屬氫化物在加熱的情況下發(fā)生吸熱反應釋放所吸收的氫氣,。 微觀機理：氫分子首先吸附在金屬表面, 隨著氫鍵斷裂而解離成氫原子, 氫原子通過內部擴散進入金屬原子的間隙形成金屬固溶體，之后固溶體中的氫原子進一步向金屬內部擴散, 達到固溶轉化為化學吸附的活化能后從而形成氫化物。

儲氫運氫——三種形式的結合應用前景

對于高壓氣態(tài)儲運，當運輸距離為50km時，運輸成本為3.6元/kg，隨著距離的增加長管拖車運輸成本大幅上升，當運輸距離為500km時，氫氣的運輸成本達到29.4元/kg。因此，長管拖車只適合短距離運輸（小于200km）。固態(tài)儲氫車與液氫槽罐車運氫成本對距離不敏感，當加氫站距離氫源點50-600km時，運輸價格約在10-13元/kg范圍內，成本變動與儲運氫過程中耗電費用，載氫量有關，在長距離運輸下，固態(tài)儲氫車與液氫罐車都具備成本優(yōu)勢。 管道運氫成本主要來源于與輸送距離正相關的管材折舊及維護費用，當輸送距離為100km時，運氫成本僅為0.5元/kg。但管道運氫成本很大程度上受到需求端的影響，在當前加氫站尚未普及、站點較為分散的情況下，管道運氫的成本優(yōu)勢并不明顯。

固態(tài)儲氫市場分析

固態(tài)儲氫技術擁有廣闊的應用前景

對于不同的儲氫方式，都有不同的適合場景。固態(tài)儲氫適用的場景有：

工程車載應用：1）叉車對重量不敏感，固態(tài)儲氫較為合適。相比高壓儲氣罐，固態(tài)儲氫能夠儲存兩倍以上的氫氣，續(xù)航時間翻倍，叉車加氫一次工作可以連續(xù)工作一整天。2）固態(tài)儲氫可以用于港區(qū)、煤礦井下進行短途輸運的物流車，這種場景下用高壓氣罐有安全風險，用固態(tài)儲氫更合適。3）地鐵施工中的機械施工車輛也適合使用固態(tài)儲氫裝置，這些列車建站很小很少，但對體積和重量的承受力強一些。4）固定路線的重卡、環(huán)衛(wèi)車等等也非常適合。

乘用車載應用：目前燃料電池乘用車主要是高壓儲氫，主流車型采用三個罐，一橫兩豎的擺放方式，比較占用空間，如果使用固態(tài)儲氫裝置，可以與底盤進行一體式設計，類似電動車，空間利用率會大大提高，同時汽車的重心會降低，汽車的阻力降低，能效提高；同時固態(tài)儲氫安全性更好，車輛可以放心進入地下車庫停放。目前存在的問題是需要在乘用車使用還需要提高質量儲氫密度到2%以上，并且降低制造成本。

通信基站的備用電源：例如我國2008年汶川地震后，一些單位開發(fā)了燃料電池和固態(tài)儲氫裝置組成的備用電源，一次能夠供給通信基站運行17個小時左右。

分布式供能：固態(tài)儲氫裝置可以和光伏或風電配套使用。因為固態(tài)儲氫需要的氫氣壓力低，光伏電解水制取的氫氣可以直接存儲在固態(tài)儲氫裝置中。固態(tài)儲氫裝置平時常溫常壓儲存，使用時跟燃料電池配套使用，燃料電池余熱可以放氫時使用，固態(tài)儲氫裝置可以作為換熱系統(tǒng)的一部分。近年來更大規(guī)模的分布式儲能，廣州南沙和云南昆明的分布式供能，一方面可以直接跟燃料電池熱電聯(lián)供結合使用，另一方面可以把氫氣增壓后給氫能汽車加氫，形成綜合能源站。

綠氫和化工相結合：化工需要持續(xù)的氫氣供給，單獨的光伏制氫因為具有間歇性，因此不合適獨立運行。目前化工上使用的是高壓儲氣罐，安全性存在挑戰(zhàn)、復雜度很高。而固態(tài)儲氫可以作為長期的儲存，減輕安全壓力。

電力調峰電站：固態(tài)儲氫和200MW以上的燃料電池配套，可用作調峰電站，能夠供電4、5個小時以上。這種電站儲氫量很大，例如我國張家口的新能源基地，設計單日放氫量可達到50噸以上，這種應用非常適合固態(tài)儲氫。按照一周以上的儲存時間估算，固態(tài)儲氫單位造價可低至1.0元/wh，略低于當前鋰電池的系統(tǒng)價格1.1-1.2元/wh的水平，但相對于鋰電池系統(tǒng)，固態(tài)儲氫系統(tǒng)的長時儲能在安全性方面的優(yōu)點更為明顯。

應急電源：應用于數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、社區(qū)等工商業(yè)。

固態(tài)儲氫罐產(chǎn)品介紹

與高壓氣態(tài)儲氫方式相比，固態(tài)儲氫罐具有安全可靠的優(yōu)勢，對設備要求較低。目前主流的固態(tài)儲氫罐主要由固態(tài)儲氫材料、不銹鋼/鋁制殼體、氣管通道、過濾器、散熱鰭片、閥門和加熱/散熱管道組成。因固態(tài)儲氫罐壓力一般低于5MPa，故不需要成本較高的高壓閥門。

固態(tài)儲氫罐成本主要受規(guī)模、殼體材料、儲氫合金等因素影響，各家工藝有所不同，成本差異較大。根據(jù)有研工研院資料顯示，目前固態(tài)儲氫裝置成本約為8000元/kgH2，而轔蕭科技生產(chǎn)的金屬氫化物固態(tài)儲氫罐成本約為1200元/L。當前固態(tài)儲氫裝置處于早期示范階段，未來隨著產(chǎn)線規(guī)模的擴大和自動化程度的提高，制造成本有望大幅降低。同時，失效儲氫罐中的儲氫材料可以實現(xiàn)回收，進一步壓縮制造成本。

固態(tài)儲氫罐產(chǎn)業(yè)化進程

有研工研院開發(fā)的一系列固態(tài)儲氫罐產(chǎn)品涵蓋便攜式、大容量、固定式等多種規(guī)格，容量覆蓋0.1-1000Nm3，處于行業(yè)領先地位。浩運金能固態(tài)儲氫罐產(chǎn)品可實現(xiàn)快速大容量吸放氫，且工作壓力低于3MPa，為多種應用場景提供便利。目前國內生產(chǎn)固態(tài)儲氫罐的企業(yè)有浩運金能、有研工研院、華碩能源、安泰創(chuàng)明、永安行、氫楓能源、轔蕭科技和華碩能源。

目前主流固態(tài)儲氫罐生產(chǎn)企業(yè)均有具備商業(yè)化潛能的產(chǎn)品面市。浩運金能開發(fā)的儲氫罐容量最高可達800L，同時具備超過200L/min的快速大流量放氫性能。有研工研院開發(fā)的固態(tài)儲罐已應用在與云浮飛馳、佳華利道等合作項目的冷鏈物流車、大巴車上。安泰創(chuàng)明開發(fā)的固態(tài)儲氫瓶應用于兩輪車上，續(xù)航可達80km；氫楓能源開發(fā)的鎂合金固態(tài)儲氫運輸車上搭載14個儲氫罐，可以實現(xiàn)1.2噸的氫氣運載量。永安行固態(tài)低壓儲氫瓶生產(chǎn)線已實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

政策：多部門支持氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展

繼2019年3月氫能被首次寫入政府工作報告后，國務院、國家發(fā)改委、國家能源局等多部門陸續(xù)印發(fā)了支持、規(guī)范氫能源行業(yè)的發(fā)展政策，主要包括氫能發(fā)展技術路線、氫能基礎設施建設、燃料電池汽車發(fā)展等內容。

三大氫燃料電池“示范城市群”落地，推動氫能跨區(qū)域發(fā)展

2021年8月，財政部、工業(yè)和信息化部、科技部、國家發(fā)展改革委和國家能源局《關于啟動燃料電池汽車示范應用工作的通知》正式印發(fā)，宣告京津冀、上海、廣東成為國內三大氫燃料電池汽車示范城市群，示范期為期四年。國家將采取“以獎代補”的方式，按照示范城市群任務目標完成情況給予獎勵。“示范城市群”的落地，將加快燃料電池關鍵核心技術自主化與產(chǎn)業(yè)化進程，有助于探索氫能商業(yè)化模式和燃料電池產(chǎn)業(yè)政策的建立，推動氫能跨省跨區(qū)域協(xié)同發(fā)展。

多省市發(fā)布氫能產(chǎn)業(yè)建設目標

全國已有20個省份公開發(fā)布到2025年的氫能規(guī)劃，從我國各省市出臺政策來看，二十省規(guī)劃2025年氫燃料電池汽車保有量合計將超過十萬輛、加氫站保有量合計超過1300座，二十省至2025年氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模合計將突破萬億大關。

氫燃料電池汽車市場展望

從全球氫燃料電池汽車保有量來看，近幾年實現(xiàn)快速增長，由2019年的2.4萬輛增長至2022年底6.75萬輛，CAGR41%；從我國我國情況來看，至2022年底國內氫燃料電池汽車保有量達到1.23萬輛，數(shù)量占全球比例約18.2%。

從全球氫燃料電池汽車銷量來看，2022全年實現(xiàn)銷量17926輛，其中我國實現(xiàn)銷量3367輛，占比18.8%，隨著燃料電池系統(tǒng)生產(chǎn)規(guī)?；c燃料電池電堆核心零部件國產(chǎn)化推動成本下降，在2025年燃料電池汽車保有量達超10萬輛政策指引下，我們預計未來幾年我國氫燃料電池汽車產(chǎn)銷量迅速上升。

固態(tài)儲氫發(fā)展現(xiàn)狀

總結

固態(tài)儲氫為儲氫環(huán)節(jié)新興技術，相較于高壓氣體儲能和低溫液態(tài)儲氫具備高安全性、高體積儲氫密度、快速充放氫、運輸便捷等優(yōu)勢，并為業(yè)界所重視。目前主流固態(tài)儲氫路線為金屬氫化物，包括鎂系、鈦系、釩系、稀土系及復合儲氫合金等。

固態(tài)儲氫技術應用前景廣闊。1）車載儲氫環(huán)節(jié)，伴隨氫燃料電池汽車的推廣和車載固態(tài)儲氫系統(tǒng)成本下降，固態(tài)儲氫系統(tǒng)市場空間將會打開，我們預計車載固態(tài)儲氫瓶2030年市場規(guī)模突破百億元；2）加氫站環(huán)節(jié)，固態(tài)儲氫相較于高壓氣態(tài)和液態(tài)儲氫不需要壓縮機或液化裝置即可完成充氫，在加氫站建設成本上較低，具備較好的經(jīng)濟性，我們估計當前固態(tài)儲氫加氫站整體成本約為800萬元，我們預計2022-2026年固態(tài)儲氫加氫站建設累計新增投資約將增加14.3億元，至2025/2026年新增投資額分別為4.5/5.3億元；3）其他領域：如分布式供能，通信基站的備用電源，電力調峰電站等，氫儲能的存儲規(guī)模更大，存儲時間更長可以滿足長周期、大容量儲能要求，同時固態(tài)儲氫安全性強，運輸靈活性高，在長時儲能領域有廣泛應用空間。