2023中国氢能源产业-氢储存&运输环节深度研究报告.pdf
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1、2023 Research Report on China Hydrogen Energy Industry-Storage&Transportation2023.7 Sixsigma Research云点道林 Sixsigma Research为精品投资银行云道资本下属研究机构以专业的数据信息、敏锐的市场洞察和创造灼见的研究咨询服务赋能中国创业企业、产业前言:氢储运环节在氢能产业中的意义与难点 氢储运环节的成本约占终端用氢总成本的(30-40)%,储运环节就成为了降低终端用氢总成本的关键氢气本身密度极小(0.089g/L)易逃逸、由气态转为液态的液化临界温度低(-253C)、稳定性差等固有属
2、性固有属性,使得氢的储运天然存在难度天然存在难度 氢的储存氢的储存-运输环节,处于氢能源产业链的中游,连接着制氢和用氢两端运输环节,处于氢能源产业链的中游,连接着制氢和用氢两端氢储运环节的研究意义与研究难点,主要鉴于以下氢储运环节的研究意义与研究难点,主要鉴于以下2点:点:“贵”“贵”“难”“难”目录气态储氢路线气态储运主要会涉及到的关键设备 气态运输情况液态储氢路线液态储运主要会涉及到的关键设备 液态运输情况固态储氢路线固态储运主要会涉及到的关键设备 固态运输情况目录氢的3种主要存在状态与运输方式之间的对应关系(2030预测)不同运距和运量要求条件下的决策矩阵氢的几种主要运输方式之间的横向对
3、比分阶段展望,我国氢储运方式的总体格局 我国氢储运方式的展望时间表储氢承压设备体系氢能承压设备技术标准体系输氢承压设备体系 氢以气态储运氢以气态储运2023.7 Sixsigma R仍为气态仍为气态氢以气态储运高压气氢的概况制氢端多输出氢气,经压缩后以气态储运顺理成章,最为简易成熟 灰氢灰氢蓝蓝氢氢绿氢绿氢制 氢 端制 氢 端气态气态为主为主气态气态为主为主气态气态为主为主压压缩缩进进一一步步加加压压气态气态虽然可以通过进一步加压的方式继续提升储氢密度,但是压力越高,对储氢容器材质、结构的要求同步越高,成本亦会大幅增加,安全性也更加难以保障高压气态储氢运氢仍是我国目前最大的方式,技术较为简单成
4、熟,充放氢速度快,压缩过程能耗较低。但经过压缩后的氢气密度依然不到0.02kg/L,储氢密度和安全性仍是气氢储运的重大缺陷高压气氢瓶高压气氢瓶2023.7 Sixsigma R氢以气态储运气态储运主要会涉及到的关键设备氢气压缩机、高压气氢储瓶、氢阀门氢气压缩机氢气压缩机长管拖车长管拖车高压气氢储瓶高压气氢储瓶各类氢阀门各类氢阀门用于制氢端压缩用于制氢端压缩为管道输氢提供动力为管道输氢提供动力用于加氢站压缩用于加氢站压缩非氢领域作气体增压非氢领域作气体增压气氢储运加注系统气氢储运加注系统车载储供氢系统车载储供氢系统燃料电池动力系统燃料电池动力系统运输过程用储氢瓶运输过程用储氢瓶车载储氢瓶车载储氢
5、瓶加氢站用储氢瓶加氢站用储氢瓶2023.7 Sixsigma R氢气氢气压缩机压缩机工作原理类似于泵,将系统低压侧的压力降低,并将系统高压侧的压力提高,从而使H2从低压侧向高压侧流动隔膜压缩机、液驱活塞式压缩机隔膜压缩机、液驱活塞式压缩机是氢气压缩机中的目前两大主流,二者的构造和原理有所不同:隔膜压缩机隔膜压缩机是靠隔膜在气缸中作往复运动来压缩和输送气体的往复压缩机。隔膜沿周边由气侧膜头和油侧膜头夹紧,隔膜由机械或液压驱动在气缸内往复运动,从而实现对气体的压缩和输送液驱活塞式压缩机液驱活塞式压缩机通过液压油驱动活塞作往复运动,往复运动的活塞直接作用于氢气,实现氢气的压缩和输送。液压油一般由液压
6、泵提供,并通过电磁换向阀控制液压油流动方向,实现对活塞的往复作用。这种结构可以做成多列基 础基 础 构 造 和 原 理构 造 和 原 理分 类 型 的 具 体 构 造 和 原 理分 类 型 的 具 体 构 造 和 原 理氢以气态储运氢气压缩机构造和原理简介2023.7 Sixsigma R氢以气态储运氢气压缩机下游应用倒逼氢气压缩机提升压缩比、排量,“液驱+隔膜式”惊喜出现传统隔膜式压缩机传统隔膜式压缩机液驱式活塞压缩机液驱式活塞压缩机最新型液驱隔膜式压缩机最新型液驱隔膜式压缩机特性特性用膜片将油气完全隔离,可保证气体纯度、密封性好、单级压缩比大结构原理简单,多级串、并联压缩,布局灵活液压泵直
7、驱+高频换向阀代替传统的曲柄连杆+活塞、皮带传动整机模块化,适应变工况、频繁启停优势优势无污染,确保了氢气压缩过程的洁净密封性好,适合易燃易爆等危险气体的压缩压缩比大,容易实现低进气、高排气等温压缩结合一体化冷却,排气温度低结构紧凑操作简单控制简单综合成本较低创新性的技术方案,关键部件全自主研发,开发设计难创新性的技术方案,关键部件全自主研发,开发设计难度大,需要企业有强大的自主研发能力,只有极少数国度大,需要企业有强大的自主研发能力,只有极少数国内公司实现内公司实现兼具隔膜压缩机的优点:兼具隔膜压缩机的优点:无污染,确保了氢气压缩机过程的洁净兼具液驱压缩机的优点:兼具液驱压缩机的优点:结构紧
8、凑,占地小,能适应频繁启停、冷态开车、带载启停的加氢站工况,模块化设计,灵活升级切换尚需改进尚需改进膜头的穹形表面为特殊型面,加工比较困难难适用于频繁启停工况价格高于一般活塞式压缩机膜片比较容易损坏,膜片安装过程对工人经验要求较高排气量由于受到高的压比和气腔容积的限制而相对较小密封性要求高,氢气受污染可能性较大密封圈易损坏和老化,更换周期短,维修费用较高单级压缩比较低活塞结构,噪声较大液压泵和换向阀是液驱隔膜式压缩机的关键核心零部件:液压泵和换向阀是液驱隔膜式压缩机的关键核心零部件:液压泵的负载特点是高频脉动负载,液压泵既能承受高压,又能够适应高频脉动的特性,对液压泵内部零件的疲劳寿命要求高换
9、向阀既要满足膜片动作的高频率,又要减小流阻降低能量损失下游应用倒逼:压缩比下游应用倒逼:压缩比 排量排量2023.7 Sixsigma R氢以气态储运氢气压缩机国内公司的研发突破进展迅速上海羿弓氢能科技首创了“液驱+隔膜”技术设备方案,取消了曲轴连杆传动机构,整机布局紧凑,体积仅为同类传统隔膜式压缩机的50%左右液驱方案可适应“频繁启停、冷态开车、带载启停”的加氢站特殊工况,通过驱动、增压单元多级串并联,实现超大排量、超大压比液驱、隔膜压缩机目前仍有较多部件依赖进口,下游对压缩机性价比及产品售后维修要求也会不断提高,技术突破性国产团队 具备国产化市场机会,如:青岛康普锐斯、海德利森、东德实业等
10、20%70%80%29%1%国外国外国内国内最新型液驱隔膜式最新型液驱隔膜式液驱活塞式液驱活塞式隔膜式隔膜式2023.7 Sixsigma RI型气瓶型气瓶II型气瓶型气瓶III型气瓶型气瓶IV型气瓶型气瓶V型气瓶型气瓶有无内胆有无内胆/有有有无内胆材料内胆材料/钢铝/铝合金塑料目前国外正在研究 V 型储氢瓶,但尚未实现商业化,该气瓶仍然使用碳纤维复合材料缠绕,不使用任何内胆。V型瓶工作压力可达70100MPa、无氢脆、无腐蚀性、使用寿命可达30年以上、成本中等等优点,亦可用于航天及车载领域瓶壁的厚度瓶壁的厚度比型减薄比型减薄有无瓶身包裹物有无瓶身包裹物无有部分包裹物瓶身全包裹瓶身全包裹包裹缠
11、绕方式包裹缠绕方式/环向缠绕全缠绕全缠绕压力压强(兆帕)压力压强(兆帕)17.520263030703070储氢质量密度(储氢质量密度(wt/%)1%1.5%2.4%(50L瓶)4.1%(50L瓶)规格型号规格型号主要为35MPa、70MPa两种主要为35MPa、70MPa两种应用场景应用场景加氢站等固定场景国内车载国际车载氢以气态储运高压气氢储瓶高压储氢容器向高压、轻量、降成本、无氢脆发展,V型尚需时间2023.7 Sixsigma R氢以气态储运高压气氢储瓶内衬材料、纤维缠绕方式及成型工艺是进一步迭代方向内衬材料的基本要求是抗氢渗能力抗氢渗能力强,且具备良好的抗疲劳性抗疲劳性。金属内衬阶段
12、多采用铝合金,为了进一步减轻高压储氢容器的自重,提高系统储氢密度,同时降低成本,将金属内衬替换为塑料内衬,复合材料一般为高密度聚乙烯,这种材料使用温度范围较宽,延伸率延伸率高达700%,冲击韧性和断裂韧性较好。如添加密封胶等添加剂,进行氟化或硫化等表面处理,或用其他材料通过共挤作用的结合,还可提高气密性气密性。未来找出性能更为理想适宜的材料,是迭代入手的方向之一(1)纤维缠绕方式开始时有环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕(测地线缠绕),最新采用了几种相结合的方式使得纤维均匀地缠满芯模表面,构成双层纤维层,保证缠绕后的气瓶满足使用的压力要求(2)纤维缠绕成型工艺开始时有湿法缠绕、干法缠绕2种,最新采用
13、了半干法缠绕的方式在浸胶碳纤维缠绕到芯模之前通过烘干设备将浸胶碳纤维纱线中的溶剂除去,提高制品质量。与干法缠绕相比省却了预浸胶工序工序和设备;与湿法相比只是增加了一套烘干设备,却可以大幅降低制品中的气气泡含量泡含量以及孔隙孔隙从内衬材料入手从内衬材料入手从纤维缠绕方式、成型工艺入手从纤维缠绕方式、成型工艺入手2023.7 Sixsigma R氢以气态储运氢阀作为氢气/液氢开闭流动的重要“关节”十分重要,核工业、航天等流体机械背景的团队降维跨界而来氢分子H2分子小,易逃逸扩散,易渗透,一旦泄露可能引发燃烧和爆炸 易融入金属的原子晶格并在有缺陷的原子晶格中重新聚合成氢分子,造成应力集中,超过金属的
14、强度极限,导致材料脆化甚至开裂,即常说的“氢脆现象”阀门阀门作为氢气、液氢开闭流动的重要“关节处”“关节处”其性能和安全可靠性十分重要是我国长期依赖进口“被卡脖子”的关键部件 国内进展国内进展1个阀门涉及多种零件的设计、生产、组装、集成,需要流体机械背景、集成经验和工艺积累。流体机械技术最为前沿的当数核工业领域、航天领域,目前国内已有从这两大领域出身的创业团队进入推动氢阀的国产化,还分别进行了一些自主原创性改造。在拥有自主知识产权的基础上配备完善的售后服务,产品的后期运行维护费用、组件更换费用比进口产品大幅节省,具有产品全生命周期成本优势2023.7 Sixsigma R氢以气态储运我国输氢管
15、网仍将由国家主导,是全国性跨区域、长距离、大规模集中运氢终极目标通辽纯氢示范,管道全长7.8km,年输氢量达10万吨辽宁朝阳天然气管道掺氢示范,掺氢比例10%,安全运行1年有余河北定州至高碑店氢气常输管道,管道全长约145km,输量量10万吨一年济原-洛阳输氢管道,总长度25km,年输氢量达10.04万吨金陵-扬子氢气管道,氢气纯度99.9%,全场32km巴陵-长岭氢气输送管道,总长度42km,4MPa宁夏天然气掺氢降碳示范,国内首个燃气管网掺氢试验玉门油田输氢管道,长度5.77km、输氢能力1万标方/小时达茂工业区氢气管道工程,计划2022年7月开工,一期年输送能力10万吨,二期30万吨陕煤
16、干线掺氢,全长97km,掺氢比例5%广东掺氢海底管道,线路全长55km,掺氢比20%,设计输量40亿方/年宁夏能源化工基地输氢管道,长1.2km,输氢能力为200万标方/年张家口天然气掺氢应用示范,输氢量为440立方米/年纯氢管道天然气掺氢管道氢以液态储运氢以液态储运2023.7 Sixsigma R氢的液态储运,是指将氢能从气态转化为液态再进行储存运输的方法。按照技术原理的不同,可分为物理法、化学法两种氢以液态储运氢以液态储运的概况按照技术原理的不同,可分为物理法、化学法两种物理法物理法化学法化学法低温液化氢:低温液化氢:将氢冷却到液化临界温度21K(-253C)以下而形成液氢,储存于低温绝
17、热液氢罐进行储运 液氨储氢:液氨储氢:3H2+N2=2NH3(反应条件:高温500、高压40-60Mpa、催化剂铁触媒)甲醇储氢:甲醇储氢:3H2+CO2CH3OH+H2O (反应条件:一定的温度和催化剂)2H2+COCH3OH(反应条件:高温、高压、一定的催化剂)有机液体储氢有机液体储氢LOHC:对不饱和液体有机物(如:甲烷TOL等芳香族有机化合物)在催化剂作用下进行加氢反应,形成分子内结合有氢的甲基环乙烷MCH等饱和环状化合物,生成稳定化合物,从而可在常温常压下液态储运,当需要氢气时再在使用地点在催化剂作用下通过脱氢反应提取出所需量的氢气 氢氢以以液液态态储储运运2023.7 Sixsig
18、ma R低温液态储氢属于物理储存,将氢气压缩深冷到21K(约-253C)以下,使氢气变为液氢,然后存储到特制的绝热真空容器(杜瓦瓶)中(1)液化氢大大提高了氢的密度和储存运输效率,液氢密度可达到70.78kg/m,是标准情况下氢气密度(0.089g/L)的850倍,是80MPa复合高压下气态储氢密度(33kg/m)的大约2.2倍(2)液氢还能大大提高氢气的纯度,在液态温度下,氢中的大部分有害杂质被去除净化,从而可得到纯度99.9999%的超纯氢气,即可满足下游氢燃料电池的应用要求标准(1)由于氢气的液化临界温度极低(-253C)、沸点低(20.3K开尔文)、潜热低、易蒸发,与常温环境温差极大,
19、这就对液氢储存容器的隔温绝热性要求很高(2)由于目前液氢进口设备成本高,国产液氢总产能较低,导致液氢成本仍然较高液氢最早用于航天领域。液氢燃料在航天领域是一种难得的高能推进剂燃料,氢氧发动机的推进比冲I=391s,除了有毒的液氟外,液氢的比冲值是最高的,因此在航天领域得到重用。氢的能量密度高,是普通汽油的3倍,这意味着燃料的自重可降低2/3,这对飞机来讲是极为有利的。与常用的航空煤油相比,用液氢作航空燃料,能够大幅改善飞机各类性能参数。除了航天航空领域之外,液氢还可应用在高端制造、冶金、电子等产业领域。对于大规模、远距离的氢能储运,低温液态储氢运氢有较大优势氢以液态储运物理法深冷低温液态的概况
20、定义优点局限性运输情况2023.7 Sixsigma R基本原理就是焦耳-汤姆孙(J-T)效应。分为两步,先将氢气预冷,再通过J-T膨胀进一步冷却并液化。尽管原理简单和可靠,但是效率不高,整个流程处理复杂氢以液态储运氢液化使用的主流循环HampsonLinde 循环Claude 循环Collins 循环Helium Brayton 循环Magnetic Refrigeration/Liquefaction SystemCarnot 循环最基本也是最简单的氢气液化方法最基本也是最简单的氢气液化方法由由Claude 循环循环衍变而来衍变而来的氢气液化方法的氢气液化方法目前主要应用于实验室规模的制氢
21、目前主要应用于实验室规模的制氢、还未应用于大型的商业制氢工厂的氢气液化方法还未应用于大型的商业制氢工厂的氢气液化方法磁制冷系统是一个逆卡洛循环磁制冷系统是一个逆卡洛循环(Carnot cycle)大型液氢工厂为提高效率目前普遍采用的氢气液化方法大型液氢工厂为提高效率目前普遍采用的氢气液化方法通过引入膨胀机(Expansion machine)可以在J-T膨胀(与HampsonLinde Process第二阶段相同)之前获得更低的温度,从而提高转换效率Collins Process最初应用于氦气液化,由Claude Process变化而来,采用了两级不同工作温度的绝热膨胀机是一种热力学循环,是喷
22、气发动机和电厂的燃气轮机的工作原理。通过使用氦气作为制冷剂,由于氦气的液化温度要低于氢气,可以先将氦气冷却至低于氢气的液化温度,再通过换热器将氢气冷却并液化。氢气可以通过液氮预冷以减少压缩机做功磁制冷系统的原理是利用磁制冷材料在施加或移除磁场时的熵差(entropy difference)和绝热温度变化。目前应用于氢气液化还处于研发阶段,核心的问题是找到合适的磁制冷材料衍变而来衍变而来2023.7 Sixsigma R氢以液态储运从液氢运输成本构成来看,液化环节成本占总成本近70%,相关核心技术设备是关键氢的液化临界温度氢的液化临界温度常温常温以温度更低的气体或液体以温度更低的气体或液体作为制
23、冷剂通过热交换冷却作为制冷剂通过热交换冷却通过膨胀机做功的绝热膨胀通过膨胀机做功的绝热膨胀冷却冷却通过通过正系数的正系数的J-T膨胀冷却膨胀冷却压缩环节压缩环节预冷环节预冷环节低温冷却环节低温冷却环节催化正催化正-仲氢仲氢转化环节转化环节J-T膨胀环节膨胀环节压缩机压缩机Compressor热交换器热交换器Heat Exchanger膨胀机膨胀机Expander正仲氢转化器正仲氢转化器Catalyzed O-P Hydrogen ConversionerJ-T膨胀阀膨胀阀/节流阀节流阀Throttling valve2023.7 Sixsigma R我国的低温液氢起步较晚,且之前长期面临国外的
24、技术封锁,氢液化关键技术及设备的国产化应重点关注。美国一直对中国采取“严格禁运,严禁交流”的策略,同时还限制其同盟国的公司例如Air Liquide法液空、Linde林德等向中国出售设备和技术。国内目前液氢的问题是成本高,关键设备和系统仍依赖进口,成本过高也导致了目前民用液氢工厂较少,多为示范应用工程,目前不超过10台氢液化设备膨胀机,目前主要是根据示范项目、产业化项目的要求定制设计、制造和落地,能耗较低,但是不能灵活移动,并且需要连续运行不能随时启停。国内的大型氢液化装置,如国富氢能、中科富海主要需要突破低温氢工况材料选用、降低液化过程能耗、氢/氦透平膨胀机研制和正仲氢转化催化剂等技术难题,
25、随着技术突破大型氢液化装置的国产化将快速降低氢液化成本氢以液态储运液氢关键设备膨胀机2023.7 Sixsigma R将常温氢气液化要移除三部分的热量将常温氢气液化要移除三部分的热量,一是将常温氢气冷却至沸点散发的热量一是将常温氢气冷却至沸点散发的热量,二是氢气二是氢气冷凝液化所释放的热量冷凝液化所释放的热量,三是正三是正-仲氢转化所释放的热量仲氢转化所释放的热量。氢具有正、仲氢两种不同的形式,随着温度的降低,正氢会通过正-仲态转化成仲氢,由于正-仲转换放出的热量大于氢气的气化潜热,所以最后的液氢产品必须以仲氢的形式存在,规定要求仲氢含量必须大于95%。所以在氢液化过程中,需要在换热器或者中间
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