研究丨氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展仍需突破瓶頸
來源：中國能源新聞網(wǎng) 時間：2023-09-12 09:44
核心提要
●近年來，我國堿性電解水制氫技術(shù)路線已相對成熟，設(shè)備基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，在國內(nèi)得到大規(guī)模應(yīng)用
●與國際先進水平相比，我國自主產(chǎn)品在儲氫密度和安全性等性能參數(shù)方面存在一定差距
●加氫站的建設(shè)布局對于氫燃料電池行業(yè)乃至我國新能源車行業(yè)的整體發(fā)展都會產(chǎn)生較大影響
近年來，氫能在全球能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著越來越重要的作用。我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展積累了豐富的供給經(jīng)驗和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，但氫能產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展初期，支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)性制度不夠完善，產(chǎn)業(yè)發(fā)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(zhuǎn)型的大背景下，推動制氫流程從化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫向電解水制氫轉(zhuǎn)變，將是行業(yè)發(fā)展必然。如何降低電解水制氫工藝的生產(chǎn)成本，使其價格具有市場競爭力，成為綠氫規(guī)?；M程提速的關(guān)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(chǎn)投資、電費和固定生產(chǎn)、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(nèi)還很難實現(xiàn)。在此情況下，提升電解水技術(shù)水平成為降低生產(chǎn)成本的唯一路徑。
我國電解水制氫系統(tǒng)由電解槽、電力轉(zhuǎn)換模塊、水循環(huán)系統(tǒng)、氫氣處理系統(tǒng)等部分組成。電解槽是電解水制氫工藝的核心設(shè)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(shù)路線已相對成熟，設(shè)備基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，得到大規(guī)模應(yīng)用。如能通過增加電流密度、降低隔膜厚度等方式延長設(shè)備使用壽命，還可進一步降低成本。質(zhì)子交換膜電解槽技術(shù)正處于技術(shù)攻堅階段，雖已在小范圍內(nèi)投入使用，但由于質(zhì)子交換膜、鉑電極催化劑等關(guān)鍵組件尚未實現(xiàn)國產(chǎn)化，質(zhì)子交換膜電解槽的制造成本為相同規(guī)模堿性電解槽的3~5倍，還需通過技術(shù)研發(fā)及更多的項目驗證來推動成本加速下行。據(jù)統(tǒng)計，在地區(qū)相關(guān)政策的支持下，近年來，新建綠氫項目中選擇質(zhì)子交換膜電解槽技術(shù)路線的項目占比正在持續(xù)提升。
儲運：關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化率待提升
氫氣的儲存、運輸，是整個產(chǎn)業(yè)鏈難度最大的環(huán)節(jié)。如何提升氫能儲運的安全性及效率，并持續(xù)降低成本，是當(dāng)前我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟待突破的技術(shù)瓶頸。
氫能儲存主要分為高壓氣態(tài)、低溫液態(tài)、固態(tài)和有機氫化物四種方式。當(dāng)前階段，我國儲存氫能以高壓氣態(tài)和低溫液態(tài)為主，后兩種方式尚處于研發(fā)試驗階段。
高壓氣態(tài)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(jié)構(gòu)簡單、充放氫速度快，是最為常見、技術(shù)成熟度最高的儲氫方式。得益于持續(xù)的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品更新迭代，我國用于制造高壓儲氫瓶的關(guān)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(chǎn)工藝的進一步完善以及規(guī)模效應(yīng)的逐漸顯現(xiàn)，碳纖維國產(chǎn)化進程有望持續(xù)加快，帶動高壓氣態(tài)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(chǎn)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(shù)企業(yè)具備質(zhì)量更輕、工作壓力更大、儲量更大的70兆帕儲氫罐的生產(chǎn)能力，而海外部分地區(qū)已能夠?qū)崿F(xiàn)70兆帕高壓儲運。與國際先進水平相比，我國自主產(chǎn)品在儲氫密度和安全性等性能參數(shù)方面存在一定差距。
低溫液態(tài)儲氫是將氫氣深度冷凍至零下252.72攝氏度變?yōu)橐后w，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(dāng)于氣態(tài)氫的800多倍。當(dāng)前，我國透平膨脹機、液氫泵液等液氫關(guān)鍵設(shè)備大部分還需依賴進口，導(dǎo)致整體成本偏高，基本只能用于軍工及航天領(lǐng)域，無法啟動規(guī)模化應(yīng)用。
國際能源署數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)運輸距離達到500千米時，高壓氣態(tài)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(xiàn)了更高的經(jīng)濟性。因此，從長期看，伴隨液氫技術(shù)研發(fā)能力進一步提升、生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，在逐漸實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用后，液氫儲運將更具市場優(yōu)勢。
氫氣儲運環(huán)節(jié)的技術(shù)研發(fā)將主要集中在兩個方面。一是在儲存容器方面，需加快關(guān)鍵材料研發(fā)，不僅要盡快提升70兆瓦儲氫罐的國產(chǎn)化水平，還要進一步研發(fā)儲氫密度更高、重量更輕的更大型儲罐，為氫能規(guī)?；l(fā)展提前打好基礎(chǔ)。二是持續(xù)開展儲氫路線的探索，推動液氫、固態(tài)儲氫等現(xiàn)有路線盡快實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，并繼續(xù)探索能夠?qū)崿F(xiàn)更高密度、更高放氫效率的儲氫方法。
加氫：建設(shè)布局與汽車行業(yè)發(fā)展相連
作為氫氣供應(yīng)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(shè)布局與氫燃料電池汽車行業(yè)發(fā)展緊密相連。
根據(jù)不同的氫氣來源，加氫站可分為站內(nèi)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(fù)產(chǎn)氫源站。盡管液氫加氫站的建設(shè)成本更低、存儲量更大、占地面積更小，但建設(shè)難度也相應(yīng)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(tǒng)、加氫機是最重要的三個核心設(shè)備，其性能和參數(shù)決定了加氫站的整體加注能力和儲氫能力，當(dāng)前進口依賴度較高，也是我國技術(shù)研發(fā)的重點領(lǐng)域。
作為高壓加氫站的核心設(shè)備之一，壓縮機主要用于卸裝拖車內(nèi)的氫氣并加壓至儲氫目標(biāo)壓強，在密封性、承壓力方面具有較高要求。目前，國內(nèi)壓縮機可分為隔膜式壓縮機、液驅(qū)式壓縮機兩個類型，市場占比分別約為70%、30%。經(jīng)過多年發(fā)展，國內(nèi)企業(yè)在隔膜式壓縮機領(lǐng)域已形成規(guī)模化生產(chǎn)能力，市場份額2022年已超過30%，技術(shù)成熟度較高，達到全球領(lǐng)先水平。
由于關(guān)鍵設(shè)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(tǒng)加油站。為提升加氫站的經(jīng)濟性，并緩解地區(qū)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(xù)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(shè)備國產(chǎn)化率和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)能力持續(xù)提升，以及加氫站規(guī)?；l(fā)展帶來的成本下降，國內(nèi)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(shè)加氫站超300座，處于全球領(lǐng)先水平。除西藏沒有建設(shè)加氫站，我國其余省級行政區(qū)均已建設(shè)或發(fā)布加氫站建設(shè)計劃。尤其是示范應(yīng)用政策發(fā)布后，市場情緒高漲，驅(qū)動加氫站建設(shè)不斷加快。從地區(qū)分布看，廣東省運營加氫站超50座，遠超其他地區(qū)。
作為氫燃料電池汽車的“加油站”，加氫站的建設(shè)布局對于氫燃料電池行業(yè)乃至我國新能源車行業(yè)的整體發(fā)展都會產(chǎn)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(yè)發(fā)展，需要國家相關(guān)部門在政策、財政、技術(shù)研發(fā)等方面持續(xù)給予更多支持。
責(zé)任編輯：沈馨蕊
校對：許艷
