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一、氫氣產儲
氫能源是氫燃料電池汽車的核心動力來源，其生產方案較多，主要有：1）化石燃料制氫：天然氣制氫、煤炭制氫等；2）富氫氣體制氫：合成氨生產尾氣制氫、煉油廠回收富氫氣體制氫、氯堿廠回收副產氫制氫、焦爐煤氣回收氫等；3）甲醇制氫：甲醇分解制氫、甲醇水蒸氣重整制氫、甲醇部分氧化制氫、甲醇轉化制氫；4）水解制氫：電解水、堿性電解、聚合電解質薄膜電解、高溫電解、光電解、生物光解、熱化學水解；5）生物制氫：生物質通過氣化和微生物催化脫氫制氫。
目前全球主要制氫方法來源于化石燃料（66%）和甲醇重整（30%），電解水成本較高，僅4%氫氣來源于電解水。國內方面，我國氫氣主要來源于焦爐煤氣（66%）、氯堿工業副產氫、天然氣、甲醇、液氨重整。焦爐煤氣中含硫量較高，會引起催化劑中毒從而減少電堆壽命，加裝脫硫裝置會大幅增加系統成本，因此目前氫燃料電池的氫氣主要來源于氯堿工業副產氫。但是長期來看，隨著可再生能源在我國發電占比逐漸升高，且新能源電力成本持續降低后，低成本高純度氫氣依然來源于電解水。
目前我國氯堿副產氫產能約76萬噸/年，完全滿足目前氫燃料電池汽車需求，疊加天然氣、甲醇、液氨裂解的氫氣產能，合計278萬噸/年，可供68萬輛氫燃料電池汽車使用，其中氯堿副產氫即可供應19萬輛汽車的氫氣需求，因此短期內氯堿副產氫完全滿足氫氣用量。
2014-2020年氫氣需汽車產量及預測
數據來源：公開資料整理
2014-2020年氫氣需求量及預測
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隨著未來氫燃料電池汽車的快速增長，遠期氫氣供應依然不足，我們認為電解水制氫有望成為未來氫氣生產的主要來源。電解水制氫目前唯一缺點是耗電量大導致成本過高，約在2.5~3.5元/Nm3之間，而氯堿副產氫氫氣成本僅1.3~1.5元/Nm3。電解水制氫成本來源主要是電耗，能耗水平約為4.5~5.5kwh/Nm3，能效在72%~82%之間，成本相當于30~40元/kg，用電解法生產氣態氫的價格比汽油約高65%，如果生產液態氫，則比汽油高約260%以上。
制氫方法成本比較（元/Nm3）
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我國電力裝機及消費結構轉型，可再生能源高速增長，光伏風電占比逐漸擴大，低成本可再生能源將逐漸成為我國電力消費結構的重要來源：1）2019年光伏風電已經開始進入平價時代，部分風電光伏項目已經滿足平價要求，未來有望進一步降本，從而產生大量低成本低價可再生電力；2）近年來，降低棄風棄光率是國家發展新能源的重要目標之一，2018年棄光棄風率分別為3%和7%，另外棄水率為5%，合計浪費可再生能源909.45億度電，對應可產生氫氣617萬噸，是目前氫氣產能的一倍，若將這一部分浪費的資源用于電解制氫，可產生邊際成本極低的氫能源。
二、氫氣儲運
氫氣使用和生產地域的不匹配造成了儲運問題。相對生產環節，氫氣儲運問題相對更大：我國氫氣輸運技術仍不足，存儲和運輸企業較少，產業化水平低。氫氣生產后的儲存方式與車載儲氫方式基本相同，均為高壓氣態、低溫液態和固態儲氫，加氫站的氣源也多采用外供高壓氣氫。
氫氣儲運產業結構
關鍵技術環節 | 主要制造商 | 國內技術水平 | |
低溫液態氫儲運裝備 | 大容積液氨圓柱形儲罐、液氫球罐 | 中國航天科技、中集安瑞科、美國MVE、日本JCI、Chart公司、JSCCryogenmash、林德公司 | 大容積液氫球罐、罐車技術與國外存在差距、關鍵零部件仍依賴進口 |
液氫運輸及加注設備 | |||
液氫罐車 | |||
高壓氣態氫儲運裝備 | 車載高壓氫氣瓶 | 意大利FaberIndustries、美國HexagonLincoln、日本SAMTECH、富瑞氫能、北京有色金屬研究總院、沈陽斯林達安、浙江大學、巨化集團 | 與國際先進水平存在一定差距 |
固定式高壓儲氫容器 | |||
移動式高壓儲氫容器 | |||
儲氫新材料 | 金屬氧化物儲氫材料、有機液體儲氫材料、多孔材料吸附存儲材料等 | 美國Brookhaven實驗室、日本AKIBA實驗室、德國紐倫堡能源研究中心、北京有色金屬研究總院、中國地質大學、荷蘭飛利浦、日本三德、美國OVONIC公司、日本松下電器、日本福瑞能源、日本積水化學、氫陽能源 | 與國際先進水平存在較大差距、但是大多處于研發試驗階 |
加氫站建設與運營 | 35MPa、70MPa加氫站技術整備及建設 | 奧地石油友天然氣集團、法國道達爾、荷蘭皇家殼牌、德國林德、美國TrueZero公司、美國空氣產品公司、日本巖谷、上海舜華新能源系統有限公司、富瑞氫能 | 與國際先進水平存在較大差距 |
氣態氫加注裝備、氣態氫品質 | |||
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儲運氣瓶與車載氣瓶的差別在于壓力不同：儲運氣瓶的壓力高于車載氫氣瓶。當為燃料電池汽車加注時，以站內儲氫瓶和車載瓶之間的壓差為驅動力，高壓氣態氫氣由站內向車載儲氣瓶不斷加注，直到目標加注質量或者壓力則加注完畢。目前加氫站目標加注壓力多為35MPa，站內儲氣壓力為40~45MPa。為了滿足更長續駛里程的需求，70MPa的加氫站成為未來發展趨勢，其儲氣瓶壓力需要達到80~90MPa，因此儲運氣瓶需要承擔更大的壓力，對強度和材質要求相對更高。
液氫儲存問題與車載儲氫瓶相同。利用低溫鐵路槽車長距離運輸液氫是一種既能滿足較大的輸氫量，又比較快速、經濟的運氫方法。這種鐵路槽車常用水平放置的圓筒形低溫絕熱槽罐，其儲存液氫的容量可達100m3。特殊大容量的鐵路槽車甚至可運輸120~200m3的液氫。液化氫氣所需能耗將近氫氣本身的40%，且需要保持低溫，在101千帕壓強下，溫度-252.87℃時，氫氣才可轉變成無色的液體，導致儲氫罐內外溫差較大，因此其儲存的容器及輸液管道都帶有高度的絕熱性能。
固態儲氫材料是未來氫氣儲存與運輸的重要研究方向，包括物理吸附與金屬或非金屬氫化物儲氫三個方向，目前都處于研究或者小規模實驗狀態。
不同儲氫方式經濟性比較（美元/GJ）
儲存方法 | 使用系統成本 | 儲存系統成本 | 能耗 | 總成本 |
液體灌裝（T=20K） | 1.46 | 2.36 | 15.37 | 19.02 |
金屬氫化物 | 0.6 | 7.844 | 5.41 | 13.85 |
氣體壓縮（P=20MPa） | 0.82 | 8.12 | 2.65 | 11.59 |
固體吸附（T=150K，P=5.4MPa） | 2.1 | 2.61 | 2.46 | 7.38 |
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針對氫氣的儲存方式，氫氣運輸方式主要是三種：氣氫拖車、氣氫管道、液氫灌車?？傮w來說，300公里以下的短距離運輸，液氫管道運輸成本和氣氫拖車擁有成本優勢，400公里以上的長距離運輸則液氫罐車更具優勢。
1） 氣氫拖車
由于高壓儲氫瓶中氫氣質量約占儲氫瓶總質量的5%，因此運輸氣氫拖車運輸效率非常低，在運輸300公里左右時成本為7000元/噸。其成本主要包括：拖車折舊費、維護保養費、氫氣壓縮耗電、人員工資及運輸油耗等。目前國內集裝管束拖車的價格約100萬/臺，使用年限10年。每輛拖車配備司機兩名，每人每年工資及福利費共15萬。拖車滿載氫氣可達460kg，每百公里消耗柴油約25升。拖車平均運行速度假設為50km/小時，兩端裝卸時間約5小時，年有效工作時間為4500小時，氫氣壓縮過程耗電1kwh/kg。
氣氫拖車單位氫氣運輸成本（元/噸公里）
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2） 液氫罐車
液氫罐車的運輸成本結構與氣氫拖車類似，只是增加氫氣液化成本及運輸途中液氫的沸騰損耗。槽罐車市場價格約45萬/輛，每次裝載液氫約4300kg，運輸途中由于液氫沸騰平均每小時損耗0.01%，液化過程損耗0.5%。液化過程耗電11kwh/kg。槽罐車充卸一次約耗時6.5小時。
液氫罐車單位氫氣運輸成本（元/噸公里）
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3） 氣氫管道
管道輸送的年運輸能力取決于設計能力，而與運輸距離基本無關。目前，氫氣管道使用的直徑都不大(多數直徑d＜200mm)，輸氫壓力不高(p＜7MPa)，管道輸送距離并不很長(最長的為208km)，故中間不設氫氣加壓站。按照φ502mm的管道計算，年輸送能力為10.04萬噸。管道運輸的噸公里成本受運能利用率的顯著影響，隨著運能利用率的下降，單位運輸成本大幅度提升，在利用率提升到40%以上之后運輸成本的變化幅度減緩。
三、加氫站
目前的加氫站主要集中在歐美和日本，采用的燃料形式主要分為液氫和壓縮氣體氫氣。多數氫氣加注需要利用高壓氫氣為原料，即壓縮氫氣的加氫站。此類加氫站主要包括氣體輸送和在站制氫兩種。在站制氫主要有兩種方式：天然氣水蒸氣重整和水電解制氫。目前國外已有的加氫站主要以水電解制氫為主，少部分采用天然氣水蒸氣重整制氫。各種制氫工藝中，以天然氣現場制氫的經濟性最好，電解水制氫次之?？紤]到燃料電池汽車對氫氣質量的苛刻的要求，目前國外已有的加氫站主要以水電解制氫為主。
2018年末各國建設中加氫站數量統計
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2018年底，我國已建成或在運營的加氫站有26座，前80%的加氫站集中在廣東、上海、江蘇、湖北、遼寧五個省份地區。加氫站投資主體主要是：1）政府投資、或國資能源企業：神華集團、中石化、地方國資委等；2）汽車廠商：上汽、東風特汽、豐田汽車、宇通、中通、奧新汽車、西安新青年、佛汽運輸等；3）燃料電池或系統企業：新源動力、廣東國鴻、億華通、上海神力、愛德曼、明天氫能、大洋電機、武漢氫雄等；4）交通物流運營商：氫車熟路、上海驛動、國能聯盛、國能聯盛、國聯氫能、新賓沐與康等；5）加氫站建設運營企業：上海舜華、北京海德利森科技、氫楓能源、北京派瑞華氫等；6）加氫站設備集成供應商：北京海德利森科技、富瑞氫能、厚普股份等；7）氣體公司：上海浦江特種氣體、南海燃氣、四川燃氣、林德、空氣化工、順德興順燃氣、華昌化工、濱化集團、廣東聯悅氫能等。
2018年末我國在建及在運營加氫站地域分布
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中國單座加氫站投資規模為1200~1800萬元，500kg/d供氫能力加氫站的單站投資規模約為1510萬元，歐洲同等量級的加氫站所需成本約800~1000萬元。主要因為1）國內加氫站的核心設備來自國外，設備價格占加氫站總價格的55%~65%；2）產業前期，為了保障加氫站的安全，國內加氫站的占地面積大；3）中國加氫站建設數量少，相關法規、加氫站建設運營管理辦法等還未有明確、正規的流程，加氫站的設計、審批、建設等周期較長，人力物力成本較高。
200kg日加氫能力加氫站成本分布
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我國氫能產業基礎設施技術發展路線
項目 | 2016年 | 2020年 | 2030年 | 2050年 |
制氫 | 工業副產氫氣回收天然氣制氫煤制氫電解水 | 可再生能源制氫CCS技術 | 低碳煤基制氫技術可再生能源制氫多元化制氫體系 | 規模化可再生能源制氫工業副產氫氣網收規模低碳煤制氫形成綠色氫能供應體系 |
氫儲存與運輸 | 35MPa氣態儲存液氫罐車長管拖車 | 20MPa氣瓶技術安全預測預警技術高效液態儲氫復合體系儲氫 | 高壓儲氫設備輕量化技術安全控制技術100MPa級氫安全儀器儀表 | 摻氫天然氣管道輸送技術長距離高壓氫氣管道技術 |
氫能利 | 35MPa加氫4座加 | 70MPa加氫100座加氫 | 1000座加氫站氫能高速公路1億kw | 全國范圍氫能共計和利用設 |
用設施 | 氫站 | 站20W1W發電1萬輛車 | 發電200萬輛車3000km氫氣管線 | 施1000萬輛車 |
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相關報告：智研咨詢發布的《2019-2025年中國氫能源行業市場前景分析及發展趨勢預測報告》
