氢能专题研究之二：固态储氢新兴技术优势凸显，从零到一前景广阔

氢能专题研究之二：固态储氢新兴技术优势凸显，从零到一前景广阔行业研究 · 深度报告 电力设备新能源· 氢能投资评级：超配证券研究报告 | 2023年4月4日证券分析师：王蔚祺010-88005313wangweiqi2@guosen.com.cnS0980520080003 报告摘要 氢的储运是当前我国氢能行业大规模发展的痛点，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，其中固态储氢的优势： 1）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，液氢体积密度为70.6kg/m3，固态储氢在90-110kg/m3之间；2）固态储氢能够在常温常压下储存，使用方便，安全性更好。目前主流固态储氢技术路线为金属氢化物，通过加热 /放热实现金属放氢/吸氢，从而形成金属储氢，目前金属氢化物材料主要包含包括镁系、钛系、钒系、稀土系及复合储氢合金等。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，由2019年的2.4万辆增长至2022年底6.75万辆，CAGR41%；我国2022年底氢燃料电池汽车保有量为1.23万辆，数量占全球比例约18.2%。目前，我国各省市已陆续出台氢能产业发展政策以规划产业高质量发展，二十省规划2025年氢燃料电池汽车保有量合计将超过十万辆、加氢站保有量合计超过1300座，二十省至2025年氢能产业规模合计将突破万亿大关。固态储氢技术应用前景广阔。1）车载储氢环节，伴随氢燃料电池汽车的推广和车载固体储氢系统成本下降，固态储氢系统市场空间将会打开，我们预计车载固态储氢瓶2030年市场规模突破百亿元；2）加氢站环节，固态储氢相较于高压气态和液态储氢不需要压缩机或液化装置即可完成充氢，在加氢站建设成本上较低，具备较好的经济性，我们估计当前固态储氢加氢站整体成本约为800万元，我们预计2022-2026年固态储氢加氢站建设累计新增投资约将增加14.3亿元，至2025/2026年新增投资额分别为4.5/5.3亿元；3）其他领域：如分布式供能，通信基站的备用电源，电力调峰电站等，氢储能的存储规模更大，存储时间更长可以满足长周期、大容量储能要求，同时固态储氢安全性强，运输灵活性高，在长时储能领域有广泛应用空间。产业链相关公司：厚普股份、东方电气、圣元环保、厦钨新能、鸿达兴业、科新机电、九号公司、永安行、美锦能源、雄韬股份、横店东磁、云海金属。风险提示1、国家宏观氢能规划政策出台的时间和发展规模不达预期；2、关键材料和装备国产化进程不达预期；3、海外专利保护纠纷。 固态储氢技术基本介绍01固态储氢市场分析02固态储氢发展现状03目录 第一章：固态储氢技术基本介绍 氢能：来源广泛的二次能源资料来源：国鸿氢能，国信证券经济研究所整理应用场景丰富02030401交通运输领域：氢燃料电池汽车交通运输业排放占全球碳排放量的1/3。燃料电池车具有零排放、续航里程长等特点，是交运行业减碳的最佳选择热值高氢气是常见燃料中热值最高的（143 kJ/g），是石油的约3倍，煤炭的4.5倍建筑领域：分布式热-电联供系统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：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：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无碳排、无污染氢气燃烧过程无碳排放、无污染物产生安全性好氢气在发生泄露后极易扩散，爆炸下限浓度高于汽油和天然气图1：氢能优势与应用场景5 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%。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。数据来源：中国氢能联盟，国信证券经济研究所整理及预测3342371552769690130300200040006000800010000120001400020202030E2040E2050E2060E工业60%交通运输31%建筑领域4%发电与电网平衡5%图2：我国氢能年产量以及未来预期（万吨）图3：2060年我国氢能各领域用量展望数据来源：中国氢能联盟，国信证券经济研究所整理6 氢能产业链资料来源：亿华通，国信证券经济研究所整理制氢氢储运氢加注化石能源制氢高压气氢低温液氢有机液态储氢固态储氢加氢站煤制氢天然气制氢石油类燃料制氢工业副产氢焦炉气氯碱副产气丙烷脱氢副产气乙烷裂解副产气燃料电池动力系统燃料电池电堆催化剂质子交换膜气体扩散层双极板密封圈紧固件系统其他主要部件空压机氢气循环泵增湿器储气瓶散热器DC/DC泵与阀件等燃料电池应用交通汽车船舶轨道交通叉车固定式应用分布式电力系统家庭热电联产备用电源军用便携电源无人机舰艇动力系统备用电力系统航天火箭发动机上游中游（部分）下游图4：氢能产业链概览7 储氢——气、液、固三种方式高压气态储氢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。 商业化应用情况•高压气态储氢技术成熟，应用广泛。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。•加氢站通常使用纯钢制造的I型瓶和II型瓶（钢制内胆，纤维环向缠绕），工作压力在17.5-30MPa，体积较大。加氢站配置250kg的储氢装置成本约为170-200万元以上，折合单位储氢价格约为6000-8000元/公斤。•车载储氢瓶主要分III型瓶和IV型瓶两种。III型瓶压强为35MPa，内胆采用铝合金/钢，包裹材料为碳纤维或者混合碳/玻璃纤维复合材料。IV型瓶压强为70MPa，内胆采用聚合物（一般包括尼龙，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纤维或者混合碳/玻璃纤维复合材料。国内氢燃料电池汽车配备的储氢罐主要以35MPa的III型瓶为主，而70MPa的IV型高压储氢罐，国外已经实应用，国内尚未批准。在燃料电池车上应用的高压储氢瓶按照储氢质量折算，35MPa的单价3500-5000元/kg，70MPa的8000-10000元/kg。资料来源：海珀尔氢能，丰田官网图5：高压气态储氢示例 资料来源：国富氢能招股书，国信证券经济研究所整理9I型瓶II型瓶III型瓶IV型瓶材质压强（Mpa）17.5-2026-3030-7030-70重量体积（kg/L)0.9-1.30.6-1.00.35-1.00.3-0.8成本低中等高高使用寿命15年15年15-20年15-20年应用场景 加氢站 等固定式储氢 燃料电池汽车表1：各种高压气态储氢瓶、罐分类及特点储氢——气、液、固三种方式 储氢——气、液、固三种方式低温液态储氢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。 商业化应用情况•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。随着近年来国内氢能产业兴起，民用液氢领域现已汇聚中科富海、航天101所、国富氢能、鸿达兴业等一批科研机构和企业，在相关技术上屡获重大突破；同时国家已发布液氢生产、贮存和运输的国家标准，这使液氢民用有标可依，实现了我国液氢产业民用领域标准零突破，为液氢进入市场化发展提供重要支撑。•液氢槽罐车价格为350万/台，可储存4300公斤液氢，液化过程耗电约为15KWh/kg。•2021年月，清华联手北汽福田的全球首辆35吨级、49吨级分布式驱动液氢燃料电池重型商用车成功问世，顺利通过综合测试。2021年2月，上海重塑、佛燃能源、国富氢能、泰极动力签署协议在佛山合作推进“液氢储氢加氢站项目。资料来源：中集安瑞科、搜狐财经图6：低温液态储氢示例 储氢——气、液、固三种方式固态储氢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/锰系、钒系和镁系等。 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。 商业化应用情况•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。•固态储氢目前在交通领域起步相对较早，氢能自行车、两轮车、燃料电池叉车、加氢站均有示范项目；国内企业如厚普股份也在开发车载固态储氢瓶，目前钛系储氢装置售价在2万元/kg，未来希望通过规模化生产，降至8000元/kg以内。•固态储氢在电力调峰领域也有示范项目，包括华电集团、云南电科院、有研科技集团等在四川泸定、昆明、张家口建设了相关示范项目。•在备用电源领域，应用于数据中心、医院、社区等工商业的示范项目。•在工业领域：目前化工上使用的是高压储气罐，安全性存在挑战、复杂度很高。而固态储氢可以作为长期的储存，减轻安全压力；还可以实现工业副产氢净化-储运一体化。一辆储运车可直接充装和纯化1.2吨氢气，得到99.999%的高纯氢，有效降低储运成本。资料来源：九号公司，新氢动力，永安行官网，有研工研院官网，中国工程院图7：固态储氢示例 固态储氢技术路线介绍12图8：常见储氢材料结构示意图分类金属氢化物储氢容量（wt%）放氢温度（°C）镁系储氢合金MgH27.6>300Mg2NiH43.59>280Mg2FeH65.5>300钛系储氢合金FeTiH21.89>30钒系储氢合金V0.7Ti0.1Cr0.22.4>20稀土系储氢合金LaNi5H61.4>100复合储氢合金MgH2–LiAlH49.4>250MgH2–NaAlH47.6>175MgH2–LiBH411.4>350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。•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、钒系、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300°C；钛系、钒系、稀土系储氢合金储氢容量为1.4%-2.4%不等，放氢温度明显较镁系合金低。•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）。•碳材料路线需要活性炭、碳纳米纤维、碳纳米管等材料。表2：不同金属氢化物相关性能对比资料来源：ARIEMA Energía y Medioambiente S.L.，国信证券经济研究所整理资料来源：Muhammad R. Usman《Hydrogen storage methods: Review and current status》，Sanjay Kumar《Development of vanadium based hydrogen storage material: A review》，国信证券经济研究所整理 金属氢