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固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)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(yù)測,在2030年碳達(dá)峰愿景下,我國氫氣的年需求量預(yù)期達(dá)到3,715萬噸,在終端能源消費(fèi)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(jī)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(fèi)中占比約為20%。其中,工業(yè)領(lǐng)域用氫占比仍然最大,約7,794萬噸,占?xì)淇傂枨罅?/span>60%;交通運(yùn)輸領(lǐng)域用氫4,051萬噸,建筑領(lǐng)域用氫585萬噸,發(fā)電與電網(wǎng)平衡用氫600萬噸。
儲(chǔ)氫——氣、液、固三種方式
氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)通過高壓是將氫氣壓縮于高壓容器中,來實(shí)現(xiàn)氫氣的儲(chǔ)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(chǔ)氫技術(shù)成熟,應(yīng)用廣泛。目前高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)主要應(yīng)用在運(yùn)輸領(lǐng)域,加氫站和燃料電池 車上均應(yīng)用高壓儲(chǔ)氫瓶作為儲(chǔ)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(nèi)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(chǔ)氫裝置成本約為170-200萬元以上,折合單位儲(chǔ)氫價(jià)格約為6000- 8000元/公斤。 車載儲(chǔ)氫瓶主要分III型瓶和IV型瓶兩種。III型瓶壓強(qiáng)為35MPa,內(nèi)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(fù)合材料。IV型瓶壓強(qiáng)為70MPa,內(nèi)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(fù)合材料。國內(nèi)氫燃料電池汽車配備的儲(chǔ)氫罐主要以35MPa的Ⅲ型瓶為主,而70MPa的IV型高壓儲(chǔ)氫 罐,國外已經(jīng)實(shí)應(yīng)用,國內(nèi)尚未批準(zhǔn)。在燃料電池車上應(yīng)用的高壓儲(chǔ)氫瓶按照儲(chǔ)氫質(zhì)量折算,35MPa 的單價(jià)3500-5000元/kg,70MPa的8000-10000元/kg。
液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)是采用低溫技術(shù)將氫氣冷卻到液化溫度(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,-253℃)以下,以液體形式儲(chǔ) 存在高度真空的絕熱容器中。
低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)目前美國、日本等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用,國內(nèi)應(yīng)用最早起步于軍事、航天等 領(lǐng)域。隨著近年來國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)興起,民用液氫領(lǐng)域現(xiàn)已匯聚中科富海、航天101所、國富氫能、鴻達(dá) 興業(yè)等一批科研機(jī)構(gòu)和企業(yè),在相關(guān)技術(shù)上屢獲重大突破;同時(shí)國家已發(fā)布液氫生產(chǎn)、貯存和運(yùn)輸?shù)膰?/span> 家標(biāo)準(zhǔn),這使液氫民用有標(biāo)可依,實(shí)現(xiàn)了我國液氫產(chǎn)業(yè)民用領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)零突破,為液氫進(jìn)入市場化發(fā)展提 供重要支撐。 液氫槽罐車價(jià)格為350萬/臺,可儲(chǔ)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(qū)動(dòng)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(dòng)力簽署協(xié)議在佛山合作 推進(jìn)“液氫儲(chǔ)氫加氫站項(xiàng)目。
固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)是通過物理或化學(xué)方式使氫氣與儲(chǔ)氫材料結(jié)合,來實(shí)現(xiàn)氫氣的儲(chǔ)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(xì)分為稀土系、鈦鐵/錳系、釩系和鎂系等。
固態(tài)儲(chǔ)氫從體積儲(chǔ)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(chǔ)存方式之一。 固態(tài)儲(chǔ)氫目前在交通領(lǐng)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(xiàng)目;國 內(nèi)企業(yè)如厚普股份也在開發(fā)車載固態(tài)儲(chǔ)氫瓶,目前鈦系儲(chǔ)氫裝置售價(jià)在2萬元/kg,未來希望通過規(guī)?;?/span> 產(chǎn),降至8000元/kg以內(nèi)。 固態(tài)儲(chǔ)氫在電力調(diào)峰領(lǐng)域也有示范項(xiàng)目,包括華電集團(tuán)、云南電科院、有研科技集團(tuán)等在四川瀘定、昆明、 張家口建設(shè)了相關(guān)示范項(xiàng)目。 在備用電源領(lǐng)域,應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、社區(qū)等工商業(yè)的示范項(xiàng)目。 在工業(yè)領(lǐng)域:目前化工上使用的是高壓儲(chǔ)氣罐,安全性存在挑戰(zhàn)、復(fù)雜度很高。而固態(tài)儲(chǔ)氫可以作為長期 的儲(chǔ)存,減輕安全壓力;還可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)副產(chǎn)氫凈化-儲(chǔ)運(yùn)一體化。一輛儲(chǔ)運(yùn)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(chǔ)運(yùn)成本。
固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)路線介紹
固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)路線主要可分為金屬氫化物,配位氫化物,碳材料,金屬有機(jī)骨架材料(MOFs)和水合物儲(chǔ)氫等。 金屬氫化物為固態(tài)儲(chǔ)氫主流技術(shù)路線,涉及材料包括鎂系、鈦系、釩系、稀土系及復(fù)合儲(chǔ)氫合金等;其中鎂系合金儲(chǔ)氫容量大(最高可達(dá)7.6%),但放氫溫度高,通常需要300℃;鈦系、釩系、稀土系儲(chǔ)氫合金儲(chǔ)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(chǔ)氫材料通過金屬氫化物的形式來將氫氣儲(chǔ)存在合金中。吸氫過程中,合金儲(chǔ)氫材料在一定的溫度和氫氣壓力下, 發(fā)生放熱反應(yīng)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(yīng)釋放所吸收的氫氣,。 微觀機(jī)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(nèi)部擴(kuò)散進(jìn)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(jìn)一步向金屬內(nèi)部擴(kuò)散, 達(dá)到固溶轉(zhuǎn)化為化學(xué)吸附的活化能后從而形成氫化物。
儲(chǔ)氫運(yùn)氫——三種形式的結(jié)合應(yīng)用前景
對于高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn),當(dāng)運(yùn)輸距離為50km時(shí),運(yùn)輸成本為3.6元/kg,隨著距離的增加長管拖車運(yùn)輸成本大幅上升,當(dāng)運(yùn)輸距離為500km時(shí),氫氣的運(yùn)輸成本達(dá)到29.4元/kg。因此,長管拖車只適合短距離運(yùn)輸(小于200km)。固態(tài)儲(chǔ)氫車與液氫槽罐車運(yùn)氫成本對距離不敏感,當(dāng)加氫站距離氫源點(diǎn)50-600km時(shí),運(yùn)輸價(jià)格約在10-13元/kg范圍內(nèi),成本變動(dòng)與儲(chǔ)運(yùn)氫過程中耗電費(fèi)用,載氫量有關(guān),在長距離運(yùn)輸下,固態(tài)儲(chǔ)氫車與液氫罐車都具備成本優(yōu)勢。 管道運(yùn)氫成本主要來源于與輸送距離正相關(guān)的管材折舊及維護(hù)費(fèi)用,當(dāng)輸送距離為100km時(shí),運(yùn)氫成本僅為0.5元/kg。但管道運(yùn)氫成本很大程度上受到需求端的影響,在當(dāng)前加氫站尚未普及、站點(diǎn)較為分散的情況下,管道運(yùn)氫的成本優(yōu)勢并不明顯。
固態(tài)儲(chǔ)氫市場分析
固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)擁有廣闊的應(yīng)用前景
對于不同的儲(chǔ)氫方式,都有不同的適合場景。固態(tài)儲(chǔ)氫適用的場景有:
工程車載應(yīng)用:1)叉車對重量不敏感,固態(tài)儲(chǔ)氫較為合適。相比高壓儲(chǔ)氣罐,固態(tài)儲(chǔ)氫能夠儲(chǔ)存兩倍以上的氫氣,續(xù)航時(shí)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(chǔ)氫可以用于港區(qū)、煤礦井下進(jìn)行短途輸運(yùn)的物流車,這種場景下用高壓氣罐有安全風(fēng)險(xiǎn),用固態(tài)儲(chǔ)氫更合適。3)地鐵施工中的機(jī)械施工車輛也適合使用固態(tài)儲(chǔ)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(qiáng)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(yīng)用:目前燃料電池乘用車主要是高壓儲(chǔ)氫,主流車型采用三個(gè)罐,一橫兩豎的擺放方式,比較占用空間,如果使用固態(tài)儲(chǔ)氫裝置,可以與底盤進(jìn)行一體式設(shè)計(jì),類似電動(dòng)車,空間利用率會(huì)大大提高,同時(shí)汽車的重心會(huì)降低,汽車的阻力降低,能效提高;同時(shí)固態(tài)儲(chǔ)氫安全性更好,車輛可以放心進(jìn)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(zhì)量儲(chǔ)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(chǔ)氫裝置組成的備用電源,一次能夠供給通信基站運(yùn)行17個(gè)小時(shí)左右。
分布式供能:固態(tài)儲(chǔ)氫裝置可以和光伏或風(fēng)電配套使用。因?yàn)楣虘B(tài)儲(chǔ)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(chǔ)在固態(tài)儲(chǔ)氫裝置中。固態(tài)儲(chǔ)氫裝置平時(shí)常溫常壓儲(chǔ)存,使用時(shí)跟燃料電池配套使用,燃料電池余熱可以放氫時(shí)使用,固態(tài)儲(chǔ)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(chǔ)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?zé)犭娐?lián)供結(jié)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(jié)合:化工需要持續(xù)的氫氣供給,單獨(dú)的光伏制氫因?yàn)榫哂虚g歇性,因此不合適獨(dú)立運(yùn)行。目前化工上使用的是高壓儲(chǔ)氣罐,安全性存在挑戰(zhàn)、復(fù)雜度很高。而固態(tài)儲(chǔ)氫可以作為長期的儲(chǔ)存,減輕安全壓力。
電力調(diào)峰電站:固態(tài)儲(chǔ)氫和200MW以上的燃料電池配套,可用作調(diào)峰電站,能夠供電4、5個(gè)小時(shí)以上。這種電站儲(chǔ)氫量很大,例如我國張家口的新能源基地,設(shè)計(jì)單日放氫量可達(dá)到50噸以上,這種應(yīng)用非常適合固態(tài)儲(chǔ)氫。按照一周以上的儲(chǔ)存時(shí)間估算,固態(tài)儲(chǔ)氫單位造價(jià)可低至1.0元/wh,略低于當(dāng)前鋰電池的系統(tǒng)價(jià)格1.1-1.2元/wh的水平,但相對于鋰電池系統(tǒng),固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)的長時(shí)儲(chǔ)能在安全性方面的優(yōu)點(diǎn)更為明顯。
應(yīng)急電源:應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、社區(qū)等工商業(yè)。
固態(tài)儲(chǔ)氫罐產(chǎn)品介紹
與高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫方式相比,固態(tài)儲(chǔ)氫罐具有安全可靠的優(yōu)勢,對設(shè)備要求較低。目前主流的固態(tài)儲(chǔ)氫罐主要由固態(tài)儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)氫罐成本主要受規(guī)模、殼體材料、儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)氫罐成本約為1200元/L。當(dāng)前固態(tài)儲(chǔ)氫裝置處于早期示范階段,未來隨著產(chǎn)線規(guī)模的擴(kuò)大和自動(dòng)化程度的提高,制造成本有望大幅降低。同時(shí),失效儲(chǔ)氫罐中的儲(chǔ)氫材料可以實(shí)現(xiàn)回收,進(jìn)一步壓縮制造成本。
固態(tài)儲(chǔ)氫罐產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程
有研工研院開發(fā)的一系列固態(tài)儲(chǔ)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(lǐng)先地位。浩運(yùn)金能固態(tài)儲(chǔ)氫罐產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)快速大容量吸放氫,且工作壓力低于3MPa,為多種應(yīng)用場景提供便利。目前國內(nèi)生產(chǎn)固態(tài)儲(chǔ)氫罐的企業(yè)有浩運(yùn)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(chǔ)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(yùn)金能開發(fā)的儲(chǔ)氫罐容量最高可達(dá)800L,同時(shí)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(chǔ)罐已應(yīng)用在與云浮飛馳、佳華利道等合作項(xiàng)目的冷鏈物流車、大巴車上。安泰創(chuàng)明開發(fā)的固態(tài)儲(chǔ)氫瓶應(yīng)用于兩輪車上,續(xù)航可達(dá)80km;氫楓能源開發(fā)的鎂合金固態(tài)儲(chǔ)氫運(yùn)輸車上搭載14個(gè)儲(chǔ)氫罐,可以實(shí)現(xiàn)1.2噸的氫氣運(yùn)載量。永安行固態(tài)低壓儲(chǔ)氫瓶生產(chǎn)線已實(shí)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(bào)告后,國務(wù)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(shù)路線、氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、燃料電池汽車發(fā)展等內(nèi)容。
三大氫燃料電池“示范城市群”落地,推動(dòng)氫能跨區(qū)域發(fā)展
2021年8月,財(cái)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(guān)于啟動(dòng)燃料電池汽車示范應(yīng)用工作的通知》正式印發(fā),宣告京津冀、上海、廣東成為國內(nèi)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(jiǎng)代補(bǔ)”的方式,按照示范城市群任務(wù)目標(biāo)完成情況給予獎(jiǎng)勵(lì)。“示范城市群”的落地,將加快燃料電池關(guān)鍵核心技術(shù)自主化與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)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(dòng)氫能跨省跨區(qū)域協(xié)同發(fā)展。
多省市發(fā)布?xì)淠墚a(chǎn)業(yè)建設(shè)目標(biāo)
全國已有20個(gè)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(jì)將超過十萬輛、加氫站保有量合計(jì)超過1300座,二十省至2025年氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模合計(jì)將突破萬億大關(guān)。
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(shí)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(nèi)氫燃料電池汽車保有量達(dá)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(shí)現(xiàn)銷量17926輛,其中我國實(shí)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(dòng)成本下降,在2025年燃料電池汽車保有量達(dá)超10萬輛政策指引下,我們預(yù)計(jì)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(chǔ)氫發(fā)展現(xiàn)狀
總結(jié)
固態(tài)儲(chǔ)氫為儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)新興技術(shù),相較于高壓氣體儲(chǔ)能和低溫液態(tài)儲(chǔ)氫具備高安全性、高體積儲(chǔ)氫密度、快速充放氫、運(yùn)輸便捷等優(yōu)勢,并為業(yè)界所重視。目前主流固態(tài)儲(chǔ)氫路線為金屬氫化物,包括鎂系、鈦系、釩系、稀土系及復(fù)合儲(chǔ)氫合金等。
固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。1)車載儲(chǔ)氫環(huán)節(jié),伴隨氫燃料電池汽車的推廣和車載固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)成本下降,固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)市場空間將會(huì)打開,我們預(yù)計(jì)車載固態(tài)儲(chǔ)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(chǔ)氫相較于高壓氣態(tài)和液態(tài)儲(chǔ)氫不需要壓縮機(jī)或液化裝置即可完成充氫,在加氫站建設(shè)成本上較低,具備較好的經(jīng)濟(jì)性,我們估計(jì)當(dāng)前固態(tài)儲(chǔ)氫加氫站整體成本約為800萬元,我們預(yù)計(jì)2022-2026年固態(tài)儲(chǔ)氫加氫站建設(shè)累計(jì)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(lǐng)域:如分布式供能,通信基站的備用電源,電力調(diào)峰電站等,氫儲(chǔ)能的存儲(chǔ)規(guī)模更大,存儲(chǔ)時(shí)間更長可以滿足長周期、大容量儲(chǔ)能要求,同時(shí)固態(tài)儲(chǔ)氫安全性強(qiáng),運(yùn)輸靈活性高,在長時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用空間。
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