固态储氢技术进展及市场情况分析.docx

固态储氢技术进展及市场情况分析氢的储运是当前我国氢能行业大规模发展的痛点，在此其中固态储氢优势凸显。储氢的技术有很多种，如液态储氢、气态储氢、固态储氢等。相比高压气态储氢、液态储氢方式，固态储氢的体积储氢密度非常高，固态储氢能够在常温常压下储存，使用方便，安全性更好。政策推动氢能产业高质量发展。从全球氢燃料电池汽车保有量来看，近几年已实现快速增长。固态储氢在车载储氢环节、加氢站环节、分布式供能、通信基站的备用电源、电力调峰电站等具备广阔的技术应用前景。本文为氢能专题研究报告，对固态储氢的技术、市场和发展现状做行业数据整理和深入了解。一、固态储氢技术基本介绍1.1氢能优势与应用场景氢气是常见燃料中热值最高的(143kJg),是石油的约3倍，煤炭的4.5倍；燃烧过程无碳排放、无污染物产生，发生泄漏后极易扩散，爆炸下限浓度高于汽油和天然气，具备无碳排、无污染、热值高、安全性好的特点。在应用场景方面：交通运输业排放占全球碳排放量的1/3,氢燃料电池汽车具有零排放、续航里程长等特点，是交运行业减碳的最佳选择；建筑领域中分布式热电联供系统采用氢气供燃料电池发电，燃料电池发电产生热量用于供，暖与热水供应；储能领域中氢储能参与电网辅助，氢储能系统耦合风光等可再生能源参与电网削峰填谷、调峰调频等作用；工业领域中氢能炼钢利用氢气的高还原性，代替焦炭作为高炉还原剂，以避免钢铁生产中的碳排放。1.2 我国氢能产业具备长期发展潜力根据中国氢能联盟的预测，在2030年碳达峰愿景下,我国氢气的年需求量预期达到3,715万吨，在终端能源消费中占比约为5%；可再生氢产量约为500万吨，部署电解槽装机约80GW。在2060年碳中和愿景下，我国氢气的年需求量将增至1.3亿吨左右，在终端能源消费中占比约为20%o其中,工业领域用氢占比仍然最大,约7,794万吨，占氢总需求量60%；交通运输领域用氢4,051万吨，建筑领域用氢585万吨，发电与电网平衡用氢600万吨。图：我国氢能年产量以及未来预期（万吨）建筑领域4%发电与电网平衡q%交通运输31%图：2060年我国氢能各领域用量展望1.3 储氢：气态、液态、固态高压气态储氢技术通过高压是将氢气压缩于高压容器中，来实现氢气的储存，通常由钢、铝、碳/玻璃纤维、高分子材料等制成。优点：压力容器容易制造；制备压缩氢的技术简单；成本较低；缺点：能耗高；安全性隐患高，加氢站成本高。目前高压气态储氢技术主要应用在运输领域，加氢站和燃料电池车上均应用高压储氢瓶作为储氢装置。低温液态储氢技术是采用低温技术将氢气冷却到液化温度（标准大气压下,-253。C）以下，以液体形式储存在高度真空的绝热容器中；优点：质量储氢密度高（大于5%）,常温常压下液氢的密度为气氢的845倍，适用于距离较远、运输量较大的场合；缺点：成本高，能效低，存在泄露问题，每天损失可能达到1-2%；绝热系统复杂。低温液态储氢技术目前美国、日本等已经实现了大规模的商业应用,国内应用最早起步于军事、航天等领域。固态储氢技术是通过物理或化学方式使氢气与储氢材料结合，来实现氢气的储存。从材料分类上有金属合金、碳材料等。金属氢化物合金又可细分为稀土系、钛铁/镒系、锐系和镁系等；优点：体积储氢率高，安全性能高、能效高，加氢站从成本低；缺点：大多数材料质量密度低，镁系质量密度高，但放氢需要消耗大量热，对热交换装置要求高；尚未达到产业化规模。固态储氢从体积储氢密度、安全性等因素考虑，是最具商业化发展前景的储存方式之一。1.3.1固态储氢的技术路线固态储氢技术路线主要可分为金属氢化物，配位氢化物，碳材料，金属有机骨架材料（MOFs）和水合物储氢等。1）金属氢化物为固态储氢主流技术路线，涉及材料包括镁系、钛系、锐系、稀土系及复合储氢合金等；其中镁系合金储氢容量大（最高可达7.6%）,但放氢温度高，通常需要30（TC;钛系、机系、稀土系储氢合金储氢容量为l4%-2.4%不等，放氢温度明显较镁系合金低。2）配位氢化物路线需要碱金属（锂、钠、钾等）或碱土金属（镁、钙等）或第三主族元素（铝、硼等）。3）碳材料路线需要活性炭、碳纳米纤维、碳纳米管等材料。分类金属氧化物储氢容量(wt%)放氢温度()MgH27.6>300镁系储氢合金Mg2NiH43.59>280Mg2FeH65.5>300钛系储氢合金FeTiH21.89>30钢系储氢合金VojTioiCro.22.4>20稀土系储氢合金LaNi5H61.4>100MgH2-LiAIH49.4>250复合储氢合金MgH2-NaAIH47.6>175MgH2-LiBH411.4>350表：不同金属氢化物相关性能对比1.3.2金属氢化物吸放氢基本原理金属储氢材料通过金属氢化物的形式来将氢气储存在合金中。吸氢过程中，合金储氢材料在一定的温度和氢气压力下，发生放热反应吸收氢气生成金属氢化物；放氢过程中，金属氢化物在加热的情况下发生吸热反应释放所吸收的氢气。微观机理：氢分子首先吸附在金属表面，随着氢键断裂而解离成氢原子，氢原子通过内部扩散进入金属原子的间隙形成金属固溶体，之后固溶体中的氢原子进一步向金属内部扩散，达到固溶转化为化学吸附的活化能后从而形成氢化物。图：金属氢化物吸放氢基本元力1.4.1储氢运氢：气、液、固三种方式比较储氢技术气态储运氢低温液态储运氢储氢质量分数(%)<2->5.7体积储氢密度(kg立方米)运输方式<230.09管道运输70特种长管束拖车专用特种槽车装载量(KG)250-460-360-4300温度(摄氏度)200应用情况广泛用于商品氢气的运输大规模、长距离运输国外应用广泛，国内目前仅用于航型军事领域优势充、放氢速率快，发展适用于大规模运输，体积比容量大，运输装载量大，应用期体积储氢密度低，单车单位能耗较低氢纯度高劣势装载量有限，不适用长距离运输建设成本较高能耗高，设备要求高，成本高，国内民用还未形成储氢技术高压气态35MPa储氢高压气态70MPa储氢稀土系合金固态储氢钛铁系合金固态储氢镁基合金固态储运氢储氢质量分数（%）3.05.51.51.8<7.6体积储氢密度（kg立方米）23.5401049694-110方式-三三模邮固态储装载量（KG/车）-目前单车最大1200温度（摄氏度）20202020205-290应用情况广泛应用于国内燃料电池车广泛应用于海外，国内有审批阻碍项目示范持续改进项目示范持续改进试验阶段，2023年4月国内将推出第T弋镁基固态储运氢车优势充、放氢速率快，发展应用成熟充、放氢速率快，发展应用成熟放氢平台更低，动力学性能好成本低储氢密度大，可快速充、放氢，运输方便劣势能耗高；安全性隐患高，加氢站成本高。能耗高；安全性隐患高，加氢站成本高。成本高放氢动力学热交换较困难，镁基疆固态储能需联较高温度下进行。表：不同氢储运方式比较1.4.2储氢运氢：三种形式的结合应用场景对于高压气态储运，当运输距离为50km时，运输成本为3.6元kg,随着距离的增加长管拖车运输成本大幅上升，当运输距离为50Okm时，氢气的运输成本达到29.4元/kg。因此，长管拖车只适合短距离运输（小于20Okm）o固态储氢车与液氢槽罐车运氢成本对距离不敏感，当加氢站距离氢源点50-600km时，运输价格约在10-13元kg范围内，成本变动与储运氢过程中耗电费用，载氢量有关，在长距离运输下，固态储氢车与液氢罐车都具备成本优势。管道运氢成本主要来源于与输送距离正相关的管材折旧及维护费用，当输送距离为100km时，运氢成本仅为0.5元kg°但管道运氢成本很大程度上受到需求端的影响，在当前加氢站尚未普及、站点较为分散的情况下，管道运氢的成本优势并不明显。不同输氢方式在不同运输距离下的成本对比（元kg）二、固态储氢市场分析2.1固态储氢技术拥有广阔的应用前景对于不同的储氢方式，都有不同的适合场景。固态储氢适用的场景有：工程车载应用、乘用车载应用、通信基站的备用电源、分布式供能、绿氢和化工相结合、电力调峰电站、应急电源。图：固态储氢与绿电结合的应用场景2.2固态储氢罐与高压气态储氢方式相比，固态储氢罐具有安全可靠的优势，对设备要求较低。目前主流的固态储氢罐主要由固态储氢材料、不锈钢/铝制壳体、气管通道、过滤器、散热鳍片、阀门和加热/散热管道组成。因固态储氢罐压力一般低于5MPa,故不需要成本较高的高压阀门。固态储氢罐成本主要受规模、壳体材料、储氢合金等因素影响，各家工艺有所不同，成本差异较大。根据有研工研院资料显示，目前固态储氢装置成本约为8000元kgH2,而裤萧科技生产的金属氢化物固态储氢罐成本约为1200元/L。当前固态储氢装置处于早期示范阶段，未来随着产线规模的扩大和自动化程度的提高，制造成本有望大幅降低。同时，失效储氢罐中的储氢材料可以实现回收，进一步压缩制造成本。铝醋散热器外壳铝衬图：固态储氢罐结构2.2 .1固态储氢罐产业化进程有研工研院开发的一系列固态储氢罐产品涵盖便携式、大容量、固定式等多种规格，容量覆盖0.1-1000Nm3,处于行业领先地位。浩运金能固态储氢罐产品可实现快速大容量吸放氢，且工作压力低于3MPa,为多种应用场景提供便利。目前国内生产固态储氢罐的企业有浩运金能、有研工研院、华硕能源、安泰创明、永安行、氢枫能源、辘萧科技和华硕能源。目前主流固态储氢罐生产企业均有具备商业化潜能的产品面市。浩运金能开发的储氢罐容量最高可达800L,同时具备超过200Lmin的快速大流量放氢性能。有研工研院开发的固态储罐已应用在与云浮飞驰、佳华利道等合作项目的冷链物流车、大巴车上。安泰创明开发的固态储氢瓶应用于两轮车上，续航可达80km；氢枫能源开发的镁合金固态储氢运输车上搭载14个储氢罐，可以实现1.2吨的氢气运载量。永安行固态低压储氢瓶生产线已实现规模化生产。项目指标浩运金能公司开发的固态储氢罐储氢容量30800L,可实现200Lmin的快速大流量放氢性能。有研工研院公司具备年产2万立方储氢装置的生产能力，产品范围覆盖便携式固态储罐、大容量固态储罐、备用电源固态储氢装置、分布式发电固态储氢装置等。安泰创明公司储氢合金材料示范线已投产，年产能500吨。公司开发固态储氢瓶，可用于两轮车（续航80km）、外卖车和共享车（续航12Okm）。公司镁合金高密度储氢技术产业化项目的首条生产线已投产，规划共6条生产线，氢枫能源全部达产后，可年产镁基固态储氢设备约720套。公司开发出镁合金固态储氢运输车，车内包含14个储氢罐，总储氢量高达1.2吨。永安行公司低压固态储氢瓶已用于氢能自行车，公司燃料电池生产线及固态低压储氢瓶生产线均为自行研发并实现规模化生产。璘萧科技公司开发的钛铁系固态储氢罐已用于电动踏板车，续航120km。固态储氢罐寿命可达20年，材料可回收循环使用。华硕能源公司产品包含0.01-2Okg各种容量的固态储氢装备。图：国内主要固态储氢罐生产企业介绍2.3 全球氢能产业规划汇总-生产端20202025203020352050氧气产量3342万吨中国电解槽