2023ResearchReportonChinaHydrogenEnergyIndustry-Storage&Transportation©2023.7SixsigmaResearch「云点道林SixsigmaResearch」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氢储运环节的研究意义与研究难点，主要鉴于以下2点：“贵”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“难”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(-253°C)、稳定性差等固有属性，使得氢的储运天然存在难度目录•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mNuMpPnQnQsRxOoQpRqOpPbRbP8OsQnNnPtQlOoOyRiNsQoR8OnMvMMYmNwPNZtQoR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)•氢的几种主要运输方式之间的横向对比•不同①运距和②运量要求条件下的决策矩阵•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•输氢承压设备体系•氢能承压设备技术标准体系氢以气态储运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制氢端灰氢气态进蓝氢为主绿氢压气态一仍为气态气态步为主缩加气态为主压高压气氢瓶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©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com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、氢阀门用于制氢端压缩运输过程用储氢瓶车载储氢瓶为管道输氢提供动力加氢站用储氢瓶用于加氢站压缩非氢领域作气体增压③各类氢阀门②高压气氢储瓶长管拖车气氢储运加注系统车载储供氢系统①氢气压缩机燃料电池动力系统©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以气态储运分类型的具体构造和原理氢气压缩机—构造和原理简介隔膜压缩机、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：基础构造和原理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氢气压缩机工作原理类似于泵，油侧膜头夹紧，隔膜由机械或液压驱动在气缸内往将系统低压侧的压力降低，并将系复运动，从而实现对气体的压缩和输送统高压侧的压力提高，从而使H2从低压侧向高压侧流动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©2023.7SixsigmaResearch和输送。液压油一般由液压泵提供，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www.6sigmacapital.com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”惊喜出现下游应用倒逼：压缩比排量传统隔膜式压缩机液驱式活塞压缩机最新型液驱隔膜式压缩机特性用膜片将油气完全隔离，液压泵直驱+高频换向阀代替传统的曲柄连杆+活塞、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，布局灵活皮带传动整机模块化，适应变工况、频繁启停优势无污染，确保了氢气压缩过程的洁净结构紧凑创新性的技术方案，关键部件全自主研发，开发设计难密封性好，适合易燃易爆等危险气体的压缩操作简单度大，需要企业有强大的自主研发能力，只有极少数国压缩比大，容易实现低进气、高排气控制简单内公司实现等温压缩结合一体化冷却，排气温度低综合成本较低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：结构紧凑，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，灵活升级切换膜头的穹形表面为特殊型面，加工比较困难密封性要求高，氢气受污染可能性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：液压泵的负载特点是高频脉动负载，液压泵既能承受高尚需改进难适用于频繁启停工况密封圈易损坏和老化，更换周期短，维修费用较高压，又能够适应高频脉动的特性，对液压泵内部零件的价格高于一般活塞式压缩机疲劳寿命要求高换向阀既要满足膜片动作的高频率，又要减小流阻降低膜片比较容易损坏，膜片安装过程对工人经验要求较高单级压缩比较低能量损失排气量由于受到高的压比和气腔容积的限制而相对较小活塞结构，噪声较大©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以气态储运氢气压缩机—国内公司的研发突破进展迅速1%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29%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80%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、超大压比最新型液驱隔膜式液驱、隔膜压缩机目前仍有较多部件依赖进口，下游对压液驱活塞式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、东德实业等隔膜式70%20%国内国外©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com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型尚需时间有无内胆I型气瓶II型气瓶III型气瓶IV型气瓶V型气瓶内胆材料瓶壁的厚度/有有有无有无瓶身包裹物/钢铝/铝合金塑料包裹缠绕方式比Ⅱ型减薄比Ⅱ型减薄目前国外正在研究压力压强（兆帕）无有部分包裹物瓶身全包裹瓶身全包裹V型储氢瓶，但尚储氢质量密度（wt/%）/环向缠绕全缠绕未实现商业化，该规格型号17.5~2026~30全缠绕30~70气瓶仍然使用碳纤应用场景≈1%≈1.5%30~70≈4.1%(50L瓶)维复合材料缠绕，≈2.4%(50L瓶)主要为35MPa、70MPa两种不使用任何内胆。©2023.7SixsigmaResearch主要为35MPa、70MPa两种国际车载V型瓶工作压力可国内车载达70~100MPa、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加氢站等固定场景www.6sigmacapital.com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从内衬材料入手从纤维缠绕方式、成型工艺入手内衬材料的基本要求是抗氢渗能力强，且具备良好(1)纤维缠绕方式开始时有环向缠绕、纵向缠绕和螺的抗疲劳性。金属内衬阶段多采用铝合金，为了进旋缠绕(测地线缠绕)，最新采用了几种相结合的方一步减轻高压储氢容器的自重，提高系统储氢密度，式—使得纤维均匀地缠满芯模表面，构成双层纤同时降低成本，将金属内衬替换为塑料内衬，复合维层，保证缠绕后的气瓶满足使用的压力要求材料一般为高密度聚乙烯，这种材料使用温度范围较宽，延伸率高达700%，冲击韧性和断裂韧性较好。(2)纤维缠绕成型工艺开始时有湿法缠绕、干法缠绕2如添加密封胶等添加剂，进行氟化或硫化等表面处种，最新采用了半干法缠绕的方式—在浸胶碳纤理，或用其他材料通过共挤作用的结合，还可提高维缠绕到芯模之前通过烘干设备将浸胶碳纤维纱气密性。未来找出性能更为理想适宜的材料，是迭线中的溶剂除去，提高制品质量。与干法缠绕相代入手的方向之一比省却了预浸胶工序和设备；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泡含量以及孔隙©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com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H2①分子小，易逃逸扩散，易渗透，阀门作为氢气、液氢开闭流动的重要“关节处”一旦泄露可能引发燃烧和爆炸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②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，超过金属的强度极限，导致材料脆化甚至开裂，即常说的“氢脆现象”国内进展www.6sigmacapital.com1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©2023.7SixsigmaResearch氢以气态储运我国输氢管网仍将由国家主导，是全国性跨区域、长距离、大规模集中运氢终极目标宁夏天然气掺氢降碳示范，宁夏能源化工基地输氢张家口天然气掺氢应通辽纯氢示范，管道全长7.8km，国内首个燃气管网掺氢试验管道，长1.2km，输氢用示范，输氢量为440年输氢量达10万吨能力为200万标方/年立方米/年玉门油田输氢管道，长度辽宁朝阳天然气管道掺氢示范，5.77km、输氢能力1万标方掺氢比例10%，安全运行1年有余/小时河北定州至高碑店氢气常输管道，管道全长约145km，输量量10万吨一年达茂工业区氢气管道工程，广东掺氢海底管道，线路济原-洛阳输氢管道，总长度计划2022年7月开工，一期全长55km，掺氢比20%，25km，年输氢量达10.04万吨年输送能力10万吨，二期30设计输量40亿方/年万吨金陵-扬子氢气管道，氢气纯度99.9%，全场32km陕煤干线掺氢，全长97km，掺氢比例5%巴陵-长岭氢气输送管道，总长度42km，4MPa©2023.7SixsigmaResearch纯氢管道天然气掺氢管道www.6sigmacapital.com氢以液态储运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、化学法两种物理法低温液化氢：将氢冷却到液化临界温度21K(-253°C)以下而形成液氢，储氢以存于低温绝热液氢罐进行储运液态液氨储氢：3H2+N2=2NH3储运(反应条件：高温500℃、高压40-60Mpa、催化剂铁触媒)化学法甲醇储氢：3H2+CO2＝CH3OH+H2O(反应条件：一定的温度和催化剂)2H2+CO→CH3OH(反应条件：高温、高压、一定的催化剂)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©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以液态储运物理法—深冷低温液态的概况定义低温液态储氢属于物理储存，将氢气压缩深冷到21K（约-253°C）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)中优点(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/m³，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/m³)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局限性(1)由于氢气的液化临界温度极低(-253°C)、沸点低(20.3K开尔文)、潜热低、易蒸发，与常温环境温差极大，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运输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，除了情况有毒的液氟外，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©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以液态储运最基本也是最简单的氢气液化方法氢液化使用的主流循环基本原理就是焦耳-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Hampson–Linde循环大型液氢工厂为提高效率目前普遍采用的氢气液化方法Claude循环通过引入膨胀机(Expansionmachine)可以在J-T膨胀（与Hampson–LindeProcess第二阶段相同）衍变而来之前获得更低的温度，从而提高转换效率Collins循环由Claude循环衍变而来的氢气液化方法HeliumBrayton循环CollinsProcess最初应用于氦气液化，由ClaudeProcess变化而来，采用了两级不同工作温度的绝热膨胀机MagneticRefrigeration/LiquefactionSystem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Carnot循环是一种热力学循环，是喷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©2023.7SixsigmaResearch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是一个逆卡洛循环(Carnotcycle)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(entropydifference)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www.6sigmacapital.com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常温压缩环节压缩机预冷环节①以温度更低的气体或液体Compressor作为制冷剂通过热交换冷却热交换器②通过膨胀机做功的绝热膨胀低温冷却环节冷却HeatExchanger催化正-仲氢③通过正系数的J-T膨胀冷却转化环节膨胀机氢的液化临界温度J-T膨胀环节Expander正仲氢转化器CatalyzedO-PHydrogenConversionerJ-T膨胀阀/节流阀Throttlingvalve©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以液态储运液氢关键设备—膨胀机©2023.7SixsigmaResearch我国的低温液氢起步较晚，且之前长期面临国外的技术封锁，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AirLiquide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，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www.6sigmacapital.com氢以液态储运液氢关键设备—正仲氢转化器©2023.7SixsigmaResearch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，二是氢气冷凝液化所释放的热量，三是正-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加正仲转换器，以保证仲氢的含量达到标准常温常压下的常态氢气NormalHydrogen中含有75%的正氢和25%的仲氢，在氢气液化过程中要尽可能将正氢全部转化为仲氢。因为仲氢更不活跃，所含能量更低，如果正氢不能全部转化为仲氢，在存储过程中正氢在低温状态下会自发的缓慢转化为仲氢，转化过程中释放的热量可能使部分液氢气化，造成液氢储罐过压而出现破裂风险。因此上面介绍的各种的氢气液化循环都需要加入正-仲氢转化环节。而自发的正仲氢转化是比较缓慢的过程，通常需要几天的时间，液氢工厂一般采用催化剂加速这一过程国内对于正-仲氢转换催化剂研究已经取得一定成绩，北京航天试验技术研究所自制的正仲氢转化催化剂性能已达到国际先进水平www.6sigmacapital.com氢以液态储运液氢关键设备—液氢绝热隔温储罐根据使用形式，液氢储罐可分为：1）固定式：固定式液氢储罐可采用多种形状，常用的包括球形储罐和圆柱形储罐，一般用于大容积的液氢存储；2）移动式：由于移动式运输工具的尺寸限制，移动式液氢储罐厂采用卧式圆柱形，结构、功能与固定式液氢储罐并无明显差别，但需具有一定的抗冲击强度，以满足运输过程中的速度要求；3）罐式集装箱：液氢罐式集装箱与液化天然气罐式集装箱类似，可实现液氢工厂到液氢用户的直接储供，减少了液氢转注过程的蒸发损失，且运输方式灵活。大容积、低蒸发率的液氢储罐是液氢容器的重要研发方向按照绝热原理，可分为普通堆积绝热和真空绝热两大类。低温液氢储存的研究热点是无损储存，无损储存的关键在于由传统的被动绝热方式向主动绝热技术转变，将更低导热率、更高低温性能的新材料应用于液氢储罐©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以液态储运低温液态储运氢的最具价值攻克的一环，是氢液化核心设备的国产化和由此带来的降本降温液化·液氢制取是产业链最核心密度单位体积单位质量·制取的关键在降本能量密度能量密度·降本的关键在于【大型液化装置的国产化】712,417>34液氢储运液化机-液化能耗（90%）液氢罐+液氢罐车气化损kg/m³KWh/m³KWh/kg气氢拖车管道输氢+油费+人力费+保险费+过路费还原耗液氢©2023.7SixsigmaResearch加压压缩待进一步提高材料的绝热隔温性压缩机-压缩能耗高压瓶+气氢车损<1333.6耗气氢+油费+人力费+保险费+过路费kg/m³KWh/m³KWh/kg(注：1MJ=0.28KWh)待进一步提高材料的高度承压性管道的初始投资运行维护费损耗(勘查-设计-施工建造)待解决“氢脆”难题综合考虑：路径环节的多寡、技术难度、所需时间www.6sigmacapital.com氢以液态储运最早发展利用氢能源的发达国家，均沿着液氢路线诞生了一批液氢生产巨头北美：欧洲：亚洲：（已与林德合并）市值1460亿美元市值527亿美元市值665亿欧元市值160亿美元数据来源：雅虎财经www.6sigmacapital.com©2023.7SixsigmaResearch氢以液态储运液氢的运输情况—总体看适合运距较远、运量较大的情形液氢罐车：多走公路，超大容量辅以铁路液氢驳船：适用于跨国海洋运氢液氢罐是液氢车运的关键设备，常用水平放置的圆筒形低温绝液氢还可使用驳船运输，这和运输液热槽罐。公路用的液氢储罐其存储液氢的容量可以达到100m3，化石油气相似，驳船上装载容量很大铁路用的特殊大容量的槽车甚至可运输120~200m3的液氢。液氢的存储液氢的储罐，需要使用性能更存储密度和损失率与储氢罐的容积有较大关系，大储氢罐的储好的绝热材料。用于船运的液氢储罐氢效果要比小储氢罐好容积可达1000m3以上，且无需经过人液化过程的能耗及其它成本占整个液氢储运环节总成本的90%以口密集区域，更加安全、经济上，这也造就了液氢运输成本对于运输距离不敏感，运输距离越长经济性越高。未来降本方向为，液化设备的国产化、规模液氢驳船运输的发展由未来当地制氢效应的发挥、技术对液化能耗的进一步降低成本的高低决定。采用液氢驳船运输的氢气往往是进口的，这部分船舶进公路铁路口的氢能源将与当地生产的氢能源直接竞争，当地的制氢成本水平及其降本潜力将成决定性因素跨国海运0100m³120-200m³>1000m³单罐容积量©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以液态储运氢以液态储运的主要运输工具、运输方式—液氢罐车(公路、铁路)、液氢驳船(海洋运输)⚫公路日本川崎重工建造的全球首艘液氢运输船于(液氢罐车)：2021年12月开启首航，从日本驶往澳大利亚提取第一批货物，船上搭载了川崎重工播磨⚫铁路工厂制造的液氢储罐—长25米高16米的椭圆(液氢罐车)：形储罐能够储存1250m3的液氢。川崎重工还将斥资5.78亿美元建造全球首艘大型液化氢⚫海洋运输船，将配备4个可分别储存4万m3液化氢(液氢驳船)：的储罐，预计2026年完工©2023.7SixsigmaResearch川崎重工建造的世界上第一艘液氢运氢船SuisoFrontierwww.6sigmacapital.com氢以液态储运液氢开始直接作为大宗燃料，为各类大型交通工具供给动力能源国家长征系列运载火箭空客氢动力飞机©2023.7SixsigmaResearch氢动力船舶戴姆勒梅赛德斯奔驰GenH2燃料电池重卡www.6sigmacapital.com氢以液态储运化学法—本质是氢通过化学反应，生成含氢的液态化合物，作为氢的储运载体加氢反应合成化合物(储运载体)+N2NH3脱氢直接利用化肥农药原料+CO2/COCH3OH脱氢燃料直接利用火箭导弹的推进剂+不饱和液体有机物饱和环状化合物脱氢化工中间原料农药(如：甲烷TOL等芳香族有机化合物)(如：甲基环乙烷MCH)日化©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以液态储运液氨储氢：H2+N2→NH3定义将氢气H2与氮气N2在特定的反应条件下反应生成液氨，液氨就作为了氢的载体进行储运。液氨有直接下游使用方向—燃料、化工原料，液氨也可以在到达特定使用地点之后通过脱氢剂再还原成氢气，供给使用。如上节“液氢”所述，氢气直接液化需要冷却深冷至-253°C以下，为了解决这一点，液氨方法得以被关注优点氨作为一种含氢质量分数达到17.6％的富氢物质，仅需常温加压（0.86MPa）或常压低温（240K开尔文）即可液化，其储存条件缓和于液氢，与丙烷类似，可直接利用丙烷的技术基础设施，大大降低了设备投入；液氨储氢中体积储氢密度高于液氢约1.7倍，液氨燃烧涡轮发电系统的效率(69%)与液氢系统效率(70%)近似。并且后续在脱氢过程中，液氨在常压、400°C条件下即可得到氢气，能耗水平低。根据中石油安环院发表的名为《氨能应用现状与前景》的论文测算，100km内液氨的储运成本为150元/吨，500km内液氨的储运成本为350元/吨，仅为液氢储运成本的1.7%局限性存在腐蚀性、有强烈气味、有毒性，易挥发，因此其对燃料电池也有毒性，部分未被分解的液氨混入氢气中，也会造成燃料电池的严重恶化。所以，这点限制了液氨储氢的适用范围技术突破主要在于提升液氨的后续脱氢纯度重点方向传统上，氨总是与化肥联系在一起，是常见的一种化学肥料，也广泛应用于化工、制药、制冷和食品等多个工业领域。运输目前全球80%以上的氨用于生产化肥，并且通过专用船舶运输到世界各地。现在氨的更多功能被开发出来：氨是无碳情况燃料；氨与氢可以互相转化；而绿氨×绿氢，还可大幅减少化石能源消耗，真正实现绿色低碳。绿氨联动绿氢，可使每公斤氢气利润率接近50%，经济效益很明显。从当前日本、澳大利亚等多国布局来看，氨-氢运输这一方式在大型氢出口项目领域具有优势—利用可再生能源发电电解水制氢后，通过“氢-氨-氢”流程完成“绿氢”储存运输©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以液态储运如氢同理，根据主要制取原料的碳足迹，合成氨也被定义分为了灰氨、蓝氨和绿氨正如根据不同的原料和制取方法对氢进行了不同的分类一样，根据主要原料氢气的碳足迹，合成氨也分为了灰氨、蓝氨和绿氨：3H2+N2=2NH3以化石能源作为主要原料定义•国际以天然气作为主要原料灰氢灰氨(传统制氨)•国内以煤炭作为主要原料在灰氢的基础上定义对工艺流程进行碳捕集与封存(CCS)蓝氢蓝氨以可再生能源为动力定义进行电解水制氢绿氢绿氨©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以液态储运如氢同理，根据主要制取原料的碳足迹，合成氨也被定义分为了灰氨、蓝氨和绿氨灰氨(传统制氨)灰氨(传统制氨)“灰氨”主要由天然气蒸汽重整氢气及空气分离的氮气，再通过传统哈伯法(Haber-Bosch)进行合成，传统的Haber-Bosch合成氨工艺包括使用蒸汽甲烷重整(SMR)生产氢气，其占全球每年能耗的(1-2)%，导致每年约2.35亿吨CO2排放，这些CO2排放中约80%源自氢的生产(通过能源密集型SMR工艺与空气中的N2反应生成氨)。传统的Haber-Bosch工艺已经沿用上百年了，已经对环境的温室效应造成了很大的影响。传统制氨法，国际上主要以天然气为合成氨的主要生产原料。但中国的天然气价格高昂且产量匮乏，对外依赖度较高，中国的合成氨工业主要以煤炭为主要生产原料，大概77%的合成氨来自于煤炭。而从碳排放的角度来讲，每吨煤制合成氨释放的碳排放也要高出每吨天然气合成氨释放的碳排放。煤气化反应会形成一氧化碳和氢气为主的粗合成气。合成氨行业做原料的氢气几乎都是化石原料生产的灰氢，一部分来自于煤气化过程，另一部分来自于变换反应。合成氨主要是用氢气和氮气作为合成原料，变换反应仍然是碳排放的主要源头蓝氨蓝氨绿氨工艺与灰氨基本相似，但会对工艺流程进行碳捕集与封存(CCS)。如果天然气转化过程中排放的二氧化碳能够被捕集进而储存住，那么生产的氨通常称为“蓝氨”绿氨以可再生能源为动力进行电解水制氢，再与氮通过热催化或电催化等技术合成，即“以绿氢制备绿氨”。如果中国目前所有的合成氨都采用绿氢生产，每年碳排放量可以减少一亿吨以上©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以液态储运目前绿氨主要有5条生产路径，成熟路径都是以绿氢为起点再配以哈伯-博施合成工艺⚫路径1-3将可再生氢生产技术与哈伯-博施合成工艺相结合⚫路径4将可再生氢技术与创新性合成工艺(非热等离子体合成)相结合⚫路径5(电化学合成氨)不需要分离氢生产步骤(注：Air空气用于生产氨合成工艺所需的氮气)www.6sigmacapital.com©2023.7SixsigmaResearch氢以液态储运在哈伯-博施合成工艺之外，新出现了“非热等离子体合成氨法”、“电化学合成氨”法路径1电解水制氢→哈伯-博施合成工艺为了将灰氨工厂转变为绿氨工厂，可以用3种电解器取代SMR装置，从而使氨生产的二氧化碳排放量减少78%(这取决于电力行业的二氧化碳排放强度)。此外，使用当前的电解技术将导致氢生产过程中的能量损失较大，但氨合成过程中的能量损失较小。与使用蒸汽甲烷转化天然气生产灰氨相比，生产绿氨需要更多的能量，但这些能量是可再生的路径2太阳能直接制氢→哈伯-博施合成工艺通过“太阳能直接制氢”(也称为光电化学制氢)，这是一种不使用电解装置直接从水中生产氢的工艺。这项技术利用光电化学电池，可以驱动水裂解氧化还原反应。太阳能制氢过程中，使用聚光太阳能热发电(使用反射镜或透镜汇聚阳光)(IEA，2017)、光伏(PV)电池(Bellini，2021)或光敏材料(Radowitz，2021)产生电能路径3生物质制氢→哈伯-博施合成工艺分解生物质中的碳氢化合物分子这种方法可通过不同的技术过程实现。暗发酵是一个厌氧过程(缺乏或不存在氧)，在此过程中使用细菌将生物质分解为氢、二氧化碳和其他副产物。一个研究领域着眼于通过将暗发酵工艺与其他工艺和技术，如光发酵、产甲烷、微生物电解池和微生物燃料电池耦合来提高氢产量。通过生物质热气化技术，木质生物质能够被分解成氢、一氧化碳和二氧化碳，然后可以用膜分离等方法将氢从气体混合物中分离出来。通过超临界水气化技术，高湿生物质原料，如有机废弃物和污水污泥可以被“气化”，形成氢和甲烷。其中甲烷可以在接下来的重整步骤中转化为氢。热气化已经投入商用，但规模不大。超临界水气化还没有经过市场检验路径4非热等离子体合成氨哈伯-博施法的替代方法是非热等离子体合成。这种合成工艺也处于研究和开发阶段，在低温(约50℃)和低压(约1bar)下运行，不使用化石燃料，资金成本低，适用于小规模氨生产。然而开发这项技术面临3个方面挑战：氮的固定、逆反应和提高转换和能源效率。弗吉尼亚大学研究公司开发的一项等离子体技术可以通过等离子体激发的方式将可再生能源电力、水和空气转化为氨。这一技术利用微波等离子体工艺激活氮和氢，产生离子和自由基，催化反应后形成氨。该工艺也可以在低温和低压下进行，并且操作灵活路径5电化学合成氨电化学合成氨是一种不需要分离工艺的绿氨生产路径。这项技术仍处于研究和开发阶段，利用电化学电池从氮气、水和电力中生产氨。将电压施加到电池的电极上，释放出的离子通过分离膜和电解质到达带相反电荷的电极。化学反应产生，水被分解成氧气和氢气，氢气与氮气反应形成氨；或者氢离子(H+)被转移到氮气中形成氨，而无需先形成氢分子(H2)与哈伯-博施法相比，电化学合成氨有以下优势：能源效率(LHV)较高；选择率较高(减少了净化需求)；温度和压力较低；以及模块化。不过电化学合成法也存在氨生产率低和膜不稳定的问题©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以液态储运可再生能源电力电量的波动性，呼唤“柔性制氨”技术的进一步发展和细化可再生能源电力电量的波动性，难以适配传统合成氨生产过程对平稳性的要求，大规模可再生能源电解水制氢合成氨的设计与运行依然存在诸多挑战，亟需在①合成氨工艺柔性优化与调控、②大规模电解水制氢平稳运行、③制氢负荷参与电网调控和全系统技术经济性等方面展开研究，以突破适应可再生能源波动特性的大规模电解水制氢合成氨系统的集成与调控关键技术。大规模可再生能源电解水制氢合成氨的设计、控制与运营涉及电气工程、化学工程、能源动力等学科之间的交叉柔性制氨，未来需主要突破的技术包括：可再生能源波动条件下的“电–热–质”耦合的可再生能源波动性与化工多稳态特性的合成氨工艺流程优化大规模电解水制氢系统的“源—网—氢—氨”的和柔性调控技术全系统协同控制技术等模块化集成和集群动态控制技术©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以液态储运甲醇储氢：H2+CO2/CO→CH3OH定义甲醇储氢技术，是指将氢气H2与二氧化碳CO2/一氧化碳CO在特定的反应条件下反应生成液态甲醇，甲醇就作为优点了氢的载体进行储运。液氨有直接下游使用方向—燃料、化工原料，液氨也可以在到达特定使用地点之后再分解出氢气，供给使用。如上节“氨储氢”所述，液氨具有腐蚀性、有强烈气味、有毒性，易挥发，不适合对接用于燃料电池，为了解决这一点，甲醇方法也被产业开始采用1个CH3OH分子中含有4个H，CH3OH是含氢量最高的碳氢化合物，1kg甲醇可产生0.125kg氢气。甲醇储氢密度高，理论质量储氢密度高达12.5wt%。甲醇分子没有C-C键，在反应过程中催化剂上会产生较少的焦炭。甲醇的储存条件为常温常压，且没有刺激性气味，存储条件进一步缓和于液氨。甲醇在常温常压下即为液态，储运无需低温或加压，同等体积下携带能量是35MPa高压储氢的4倍局限性甲醇需突破点在于二氧化碳CO2单程转化率和甲醇产率较低，导致目前的经济性较低技重术点突方破向开发同时满足二氧化碳CO2单程高转化率(>20%)和高甲醇选择性(>90%)的催化剂，改善催化剂寿命运输全球范围来看，CO2加氢合成甲醇已有不少成功案例：情况•欧洲2012年已经建成了当时全球最大的CO2基甲醇制造厂(年产4000吨甲醇/消耗5600吨CO2/利用地热电厂电解水制氢)•日本2021年建成日产20吨的碳回收甲醇合成装置©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以液态储运伴随甲醇储氢的发展，甲醇制备行业也正在快速从“传统甲醇”向“绿色甲醇”进化传统甲醇第一代煤制甲醇现状是甲醇的制取正从第二CH3OH第二代煤气或页岩气制甲醇代向第三代过渡。在天然气暂时还无法被完全替代的实第三代际情况下，大幅降低生产甲醇带来的碳排放，成为现今退而求其次的研究方向灰氢蓝氢以极低排放或零排放技术用煤或气制甲醇生物质制甲醇绿色甲醇第四代以空气中的CO2和水通过人工光合作用合成甲醇“液态阳光”第五代CH3OH绿氢最早由中国科学院液态阳光研究组提出，并于2018年9月水经太阳光光解制氢在国际杂志《焦耳》上公开发表，得到了国际学术界和同空气中的二氧化碳再加氢©2023.7SixsigmaResearch行的一致认可合成得到“液态阳光”绿色甲醇www.6sigmacapital.com氢以液态储运不断寻找液储介质过程，本身就是在密度效率、安全性、反应条件宽泛性之间不断优化气氢液氢液氨甲醇标准情况/常温常压常温加压(70MPa)深冷降温(-253℃)常温加压(0.86MPa)无需加压或降温常压降温(-33.34℃)常温常压，即为液态自身密度0.089kg/m³40kg/m³70.6kg/m³体积储氢密度617kg/m³792kg/m³含氢质量分数富氢物质含氢量最高的碳氢化合物优势108kg/m³99kg/m³局限性未来技术突破方向•大大提高氢气的纯度，在液态•17.7%12.5%温度下，氢中的大部分有害杂和液氢相比，液化条件进一步放•和液氨相比，甲醇没有刺激宽性气味，使用范围进一步放质被去除净化，可得到纯度•氨与丙烷类似，可直接利用丙烷宽的技术基础设施，大大降低了设•甲醇分子没有C-C键，在反应>99.9999%的超纯氢气，即可备投入过程中催化剂上会产生较少总成本对运输距离不敏感，所以的焦炭满足下游氢燃料电池的应用要非常适合氢的长距离、大规模运•总成本对运输距离不敏感，输所以非常适合氢的长距离、求标准•大规模运输甲醇高度易燃，不宜距离人•液氢体积密度更高，储罐更轻，员密集区过近需要进行多次的能源形态转在航天/航海/航空/轨道等交通化耗能，故而总成本对电价敏感领域比压缩氢气都更有优势开发同时满足CO2单程高转化•由于氢气的液化临界温度极低(-•氨气/液氨主要存在腐蚀性、有强•率(>20%)和高甲醇选择性烈气味、有毒性，易挥发，不宜(>90%)的催化剂，改善催化剂253°C)、沸点低(20.3K)、潜热寿命低、易蒸发，与常温环境温差布署于住宅等人员密集区•极大，这就对液氢储存容器的•对燃料电池也有毒性，部分未被隔温绝热性要求很高分解的液氨混入氢气中会造成燃料电池的严重恶化•液化技术设备•/•IV型、V型瓶•隔温绝热储罐•提升液氨的后续脱氢纯度©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以液态储运液氨/甲醇载氢均需裂解脱氢，经过多次状态转换耗能，均可直接用于化工原料等用途液氨载氢【液氨槽车】甲醇载氢【甲醇罐车】异：步骤成本步骤成本⚫液氨可运至在加氢站内进行裂解(1)氢合成液氨占比占比制氢(2)液氨运输33%(1)氢合成甲醇(3)至加氢站内，液氨裂解还原出氢5%(2)甲醇运输13%⚫与液氨载氢不同的是甲醇载氢的62%(3)在配套工厂，甲醇裂解还原出氢10%甲醇裂解环节所需设备占地面积合计(4)气氢提纯34%较大，不适宜加氢站内裂解，因100%(5)高纯度气氢压缩18%此甲醇载氢场景设定为在甲醇长(6)气氢运输至各加氢站8%距离运输至用氢地的甲醇裂解工17%厂（母站）进行统一制氢，再由合计气氢拖车运输至周边各个加氢站100%（短距离运输气氢拖车更为经济）同：⚫因氨有强烈刺激性气味/有毒性/易挥发、甲醇则高度易燃，同属于危化品，都并不适合距离人群密集区太近⚫这两种载氢方式均需要进行多次的能源形态转化耗能，故而总成本对电价敏感，但总成本对运输距离不敏感，所以均适合氢的长距离大规模运输©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以液态储运我国同时是氨和甲醇的世界最大生产国和消耗国，已经开始大力提升绿氨、绿醇的比重中国作为氨、甲醇的世界最大生产消耗国，在“氢氨醇联动”方面正在积极发力，力争在国际能源产业创新前沿占据一席之地。2022年，国家能源局提出，积极探索绿氢、甲醇、氨能等替代化石能源的新方式、新途径。已有国内企业深度投身于“氢氨醇联动”的项目建设，截至目前我国规划在建的绿氨/绿醇项目已接近50个，其中有国家能源集团、国电投、中国能建等国家队的身影，也有中国天楹、远景科技集团等民企加入鉴于西部、东北部分地区优越的风、光、水资源禀赋，秉持贯彻“绿氢消纳绿电，绿氨/绿醇消纳绿氢”，打通“绿电—绿氢—绿氨/绿醇”一体化产业链绿氢消纳绿电，绿氨/绿醇消纳绿氢风力资源禀赋耦合绿电电解绿氢柔性我国是光照资源禀赋绿氨/绿醇世界最大的水力资源禀赋氨、甲醇消耗国©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以液态储运我国已在风光资源丰沛地区投建布局“绿电-绿氢-绿氨绿醇”项目，2-3年后陆续投产地点投资公司规模绿电绿氢绿氨绿醇内蒙古巴彦淖尔国家能源集团年产约30万吨绿氨√√√√内蒙古鄂尔多斯中国氢能、盈德年产约5万吨绿氨√√√内蒙古锡林郭勒盟北京能源国际控股年产约60万吨绿氨√√√内蒙古包头年产约10万吨绿氨√√内蒙古深丰绿氨化工有限公司年产约15万吨绿氢合成绿氨√√√内蒙古赤峰巴彦淖尔市乌拉特后旗绿氨技术√有限公司年产约30万吨绿氢合成氨√√√内蒙古巴彦淖尔宁夏宝丰能源集团股份有限公司√年产约10万吨合成氨√√√宁夏√√甘肃玉门中能建年产约60万吨绿氨/绿醇√√√(酒泉卫星发射基地)中能建年产约18万吨合成氨√吉林松原国家电投年产约50万吨绿醇√√吉林大安√√内蒙古兴安盟国富氢能年产约30万吨绿氨√√巴西√√内蒙古通辽远景能源、赤峰国资委年产约140万吨绿氨√内蒙古赤峰中国能建√摩洛哥南部大区©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以液态储运有机液态储氢技术LOHC—安全性高、成本较低难以被忽视，未来较具潜力定义有机液体储氢技术LOHC(LiquidOrganicHydrogencarriers)，是指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优点液态有机物储氢有望成为氢储运环节最有希望取得大规模应用的技术之一，这是因为加氢后的有机氢化物的稳定性、安全性大大提高。LOHC储氢方法可能是诸多储氢方式中稳定性最高、日常维护量最小、长周期储存成本最低的一种方式，也能够实现可再生能源、电网、大型发电和分布式发电、氢气加注市场等不同领域的交互应用，更适合大规模、长时间的储存，更为灵活氢气纯度不高，可能发生副反应产生杂质气体；反应温度较高、脱氢效率较低、催化剂易被中间产物毒化；液局限性氢储存压缩能耗过大，需配备相应的加氢、脱氢设备技术突破有效改善脱氢技术复杂、脱氢能耗大和脱氢催化剂技术，提高低温下有机液体储氢介质的脱氢速率与效率、催重点方向化剂反应性能，改善反应条件、降低脱氢成本及操作难度运输液态有机物储氢可以直接实现常温常压液态储存及运输，过程中安全高效，安全监管部门和公众对液态有机物情况储氢LOHC方法的忧虑相比低温液氢和高压气氢要小得多。液体有机氢(LOHC)运输，可依托已有的油品储运设施，例如：输油管道、储罐、接卸设施、槽车、火车罐车、油船等油品储运设施。LOHC输氢，是除了利用管道运输的另一实现大宗氢储运的方式。LOHC可以走输油管道、火车铁路、罐车公路以及船运©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以液态储运有机液态储氢技术LOHC的主流储氢介质种类—德、日、国内分别选择了其一发展储氢介质化学组成常温状态熔点沸点质量储氢体积储氢脱氢温度脱氢产物产物产物/°C/°C/%/(kgm3)/°C苯80.74甲苯化学组成常温状态6.57.255.9300-320萘环己烷C6H12液态100.9C6H6液态传统介质甲基环己烷C7H14液态-126.6185.56.247.4300-350C7H8液态十氢(化)萘C10H18液态-30.47.365.4320-340C10H8固态反式十二氢咔唑C12H21N固态766.7150-170咔唑C12H9N固态十二氢乙基咔唑C14H25N液态新型介质-84.5TG5.8170-200乙基咔唑C14H13N固态十八氢二苄基甲苯C21H19N液态-343956.257260-310二苄基甲苯C21H11N液态八氢1，2-二甲基吲哚C10H19N液态<-15>260.55.76170-2001，2-二甲基吲哚C10H11N固态国内武汉氢阳能源©2023.7SixsigmaResearch二苄基甲苯甲基环己烷N-乙基咔唑、二甲基吲哚等www.6sigmacapital.com氢以液态储运德、日两国走在有机液态储氢LOHC路线规模化生产的前沿德国HT公司欧洲已经开始了使用LOHC的氢能示范工程，包括使用LOHC作为氢源的加氢站，装载LOHC作为氢源的氢能船舶图源：德国HT公司官网和铁路机车。在移动设备上装载LOHC而不是氢气罐，大大提高了移动设备的安全性日本千代田化工HT公司成立于2013年，一直致力于LOHC技术的研发推广。在德国Dormagen化学园区建有世界上最大的LOHC工厂。图源：日本千代田化工官网HT公司主要研究方向为二苄基甲苯，该介质具有不易燃不易爆性。公司总部用PEM电解槽制氢后，可用标准油罐车进©2023.7SixsigmaResearch行氢气运输。LOHC技术的阻燃和非爆炸特性，液体载体的安全优势加上高能量密度，可在人口稠密的城市地区为加氢站轻松且安全的供应氢气。H2Sektor项目为大型加氢站奠定了基础。埃朗根加氢站成为了绿氢跨区域供应链的一部分。该项目已获巴伐利亚州的补贴LOHC技术在日本研究了约20年时间，在日本也有一定的示范应用。日本考虑应用该储氢技术作为海上运氢的有效方法，研制MCH脱氢反应膜催化反应器，以解决脱氢催化剂失活和低温转化率低的问题2017年在日本新能源和工业技术发展组织(NEDO)的指导下，千代田、三菱商事、三井物产、日本邮船4家公司联合成立了先进氢能源产业链开发协会(AHEAD)，利用甲基环己烷储氢，于2020年实现了全球首次远洋氢运输，于2022年初实现了有机液态储氢示范，从文莱海运至日本川崎，年供给规模将达到210吨。自2019年12月启动以来，项目进展顺利www.6sigmacapital.com氢以固态储运氢以固态储运氢以固态储存按照原理、材料分类固态储氢材料(稳定安全性优于气态液态)物理吸附化学反应吸收(不涉及化学反应，氢被吸附在材料的微孔、骨架或管结构上，依靠氢(有化学反应的发生，氢被存储在金属氢化物等固态储氢材料的合金分子与储氢材料间较弱的范德华力进行储氢)晶格中)优势：优势:材料本身密度低储氢体积密度(体积储氢率)高在特定条件下对氢气具有良好的、可逆的热力学吸附、脱附能力可逆循环性好低温下，储氢性能好能效高，成本低缺陷：缺陷：常温或高温下，储氢性能较差放氢温度高，放氢需要消耗大量热，对热交换的要求高质量效率尚低，尚不能满足在氢燃料电池汽车上的应用沸石金属有机框架无机多孔材料碳基多孔材料金属基储氢合金配位氢化物氢气水合物MOFs稀土系占比高达90%©2023.6SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以固态储运金属氢化物基储氢合金是目前固态储氢材料中研究最集中、最有实用化前景的氢气和金属物理吸附化学吸附表层解离固溶体(α相)氢化物(β相)化学反应吸附材料，目前以金属氢化物及其储氢合金金属储氢材料通过金属氢化物的形式来将氢气储存在(金属氢化物基储氢合金)为主，其机制原理为：氢分合金中子物理吸附在金属或合金表面；氢气分子解离为氢原吸氢过程中，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；放氢过程子；材料表面的氢原子扩散至金属或合金内部，形成中，金属氢化物在加热的情况下发生吸热反应释放所固溶体（α相）；材料内部的氢原子与金属原子发生吸收的氢气化学吸附生成氢化物（β相）www.6sigmacapital.com©2023.7SixsigmaResearch氢以固态储运金属氢化物基储氢合金中，镁系和稀土系值得重点关注，适逢我国镁、稀土资源丰富储氢合金种类繁多，包括镁/钛/钒/稀土/锆系等。目前储氢合金的研究热点方向主要包括储存容量高、综合性能好、轻质储氢合金的开发和性能研究等Mg镁系：我国已探明镁资源世界首位当前以MgH2为代表的镁基材料研究较多，产业化前景良好。镁元素具有较高的储氢能力，储氢质量密度为7.6%，体积密度为110kg/m³，同时还具备性能稳定、释放速度可控性好等优势。但其脱氢温度达到280℃，导致成本上升，同时表面易生成氧化膜导致反应速度下降。通过固态储氢的方式给钢厂供氢，钢厂有很多的废热可以给镁基固态储氢系统提供放氢所需的热量，形成一个比较高效的闭环镁由于其丰富的储量，较高的理论储氢量（7.6wt%）和体积储氢密度（110kg/m3H2），低廉的成本价格，且单质镁可以在高温条件下与氢气反应生成MgH2，故MgH2/Mg体系被认为是最有潜力的储氢体系之一。但由于MgH2高热力学稳定性（ΔH=76kJ/mol）和较差的动力学性质，MgH2只能在高温下（≥300℃）才有优异的吸附氢性能，且在吸放氢循环中MgH2/Mg颗粒的团聚和长大导致循环稳定性差。因此，为了使MgH2在储氢应用中得到广泛应用，必须调整其热力学和动力学性能La稀土系：我国稀土资源同样丰富，在2022年土耳其发现大规模的稀土资源之前，我国是世界第一大稀土储量国稀土储氢是利用稀土元素与其他金属形成合金，在一定温度条件下可大量吸氢和放氢、可逆性优良、反应快。稀土储氢材料主要分为LaNi5型储氢合金（AB5型）和La-Mg-Ni系储氢合金（AB3型和A2B7型）两类。AB5型储氢合金指将稀土元素与过渡金属元素按照1：5的原子比，组成具有CaCu5型晶体结构的金属间化合物。La-Mg-Ni系储氢合金则是由Laves型［A2B4］和CaCu5型［AB5］亚单元以一定比率沿c轴有序堆垛而成的超点阵结构新型稀土储氢材料是一种具有更高储氢容量和特殊晶体结构的稀土储氢材料，比传统的稀土储氢合金具有更高的储氢容量和更加优异的特性和性价比。稀土储氢材料通过化学反应可以把氢气变成金属氢化物固体储存起来，储氢体积密度可达到液态氢密度，具有低压、无泄漏、安全等特性©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以固态储运碳基/金属基分别有储氢量不同材料，单种以镁系密度最高，复合后还能再提升储氢量(质量储氢分数)碳基多孔材料储氢合金储氢量(质量储氢分数)16%16%12%12%Sc功能化石墨烯(391K)MgH2-LiBH4碳纳米管薄膜(室温、大气压)8%复合合金纳米石墨(300K,10bar)MgH2-LiAIH4生物质碳材料(77K,200bar)MgH28%4%镁系合金Mg2FeH6微孔炭(77K,1bar)V-Ti-Cr钒系合金4%生物质碳材料(298K,200bar)Mg2NiH4CO2活化碳纳米管(20K,125bar)TiFeTiMn2钛系合金LaNi5H6稀土系合金0%碳纤维、介孔碳纤维、热还原氧化石墨烯0%©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以固态储运固态镁基产氢有2种路径，分别存在固有难题和对应的改善方法，水解产氢效率更高固有难题：改善方法：MgH2高热力学稳定性(ΔH=76kJ/mol)和较差的动力学A.纳米化：纳米化能够缩短氢的扩散和离解途径，增大材料表面自由能，当尺寸<几纳米时甚至改变了热力学性能(气相沉积法)性质，MgH2只能在高温下(≥300℃)才有优异的吸附氢B.合金化：合金化改性的原理是镁与其他元素形成热力学不稳定的合金相，储氢时反应路径发生改变，降低了储氢材料的反应焓变和吸放氢反应温度性能，且在吸放氢循环中，MgH2/Mg颗粒的团聚和长C.添加催化剂：催化剂的加入可以有效地降低反应能垒，从而加快吸放氢速率大导致循环稳定性差。因此必须调整其热力学和动力D.复合轻金属配位氢化物：金属氧化物在氢化过程中可原位获得金属基活性位点从而催化Mg吸放氢反应，因此也可以用作学性能改善MgH2储氢性能的催化剂直接热分解放氢MgH2放氢吸热Mg+H2携氢储氢放热7.6wt%MgH2水解制氢MgH2水解产氢氢燃料电池发电MgH2水解产氢室温、常压固有难题：MgH2+2H2O=Mg(OH)2+2H2Mg(OH)2逐渐包裹在MgH2表面，阻隔15.2wt%了MgH2与水的接触，从而抑制了水解反应的继续，导致不经干预的MgH2水改善方法：解产氢法效率较低A.改变水解环境：在溶液中加入酸能够有效地溶解Mg(OH)2，达到破坏阻隔层的目的B.加入催化剂：将过渡金属单质、氧化物、卤化物等与MgH2复合对其表面进行改性，增加MgH2颗粒的新鲜表面C.减小颗粒尺寸：减小MgH2颗粒尺寸使有效水解面积增加也会提升镁基储氢材料的水解产氢性能©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以固态储运欧美多国均有公司，已经研发、生产出各式的固态储氢单元产品国家公司固态储氢业务进展美国GKNHydrogen公司获得了美国能源部170万美元资助开发HY2MEGA固态氢化物储氢罐，该项目为期三年，可以储存500kg氢气，项目于2022年底启动美国GreenFortress公司获得了来自美国联邦政府的资助开发固态氢燃料的储氢系统。其固态储氢材料主要是催化改性的多孔硅，氢气储存成本低于8美元/kWh，规模可在电网级别英国CellaEnergy公司开发出聚合物和氨硼烷组成的轻质固态高密度储氢材料，该材料提供的能量是同等重量下锂离子电池的3倍，稳定性和贮氢性能良好，可在100℃左右几分钟内释放约9%的氢气。该固体材料能够进行模块化设计，制备成不同形状，根据应用需求灵活组合日本东芝公司与从事航空航天技术和固体火箭发动机技术的法国Safran集团开展合作，将其应用于航空航天领域的氢燃料电池储氢材料。2016年利用该固体材料的无人机成功实现首飞挪威HYSTORSYS公司与色列的IsraelAesospaceIndustries（IAI）合作，将其应用于BirdEyes650小型无人机的燃料电池能源系统上，可大幅减少供电系统的重量，提升无人机的续航能力南非HySA系统能力中心开发的自给型能源供应系统H2One已在日本国内医院、旅馆、铁路站台及紧急避难场所等多个场景得到应用，系统采用固态储氢技术，氢气储存量达270Nm3，电力存储量可达350kWh澳大利亚Lavo公司应用于HyNorLillestrøm加氢站的HYMEHC-10的金属氢化物压缩机组（10Nm3/h）可将氢气压力从1MPa增至20MPa，该氢气压缩机的三个澳大利亚高压钢制容器中都装有大约34kg的金属氢化物材料：AB5（La1–xCexNi5）合金用于1-5MPa的第一压缩阶段，AB2合金（Ti、Zr基）用于荷兰Hydrexia公司5MPa到20MPa的第二阶段压缩。该系统在20-150℃的热循环下工作，只需要少量的电力来提供电力法国Electriq公司开发出配备燃料电池电源模块和金属氢化物储氢罐的叉车，该叉车充氢6分钟即可达到最大储氢容量的83%，充满仅需12-15分钟，在充满德国McPhy公司的状态下进行轻型操作可连续运行435分钟HDW公司中国上海交通大学推出商业化氢能存储系统，该系统利用金属氢化物储存氢气，储能量达40kWh。公司签订约1.15亿澳元远期订单，计划推向兆瓦级氢储（上海）能源科技宝武清洁能源有限公司在2015年设计出了基于Mg基合金的储运氢装备，单车储运氢量700kg，可用于氢气的大规模安全储运和ZenithEnergyTerminals将建造世界上第一家储氢固体粉末制造工厂在2010年前后开发了以Mg基合金为储氢介质的Mc-Store储氢系统，单罐储氢量可达5kg将开发的TiFe系固态储氢系统用于燃料电池AIP潜艇中上海交通大学与氢储（上海）能源科技有限公司合作研制出中国首个70kg级Mg基固态储氢装置原型，并与宝武清洁能源有限公司合作开发了名为“氢行者”的“太阳能发电-电解水制氢-Mg基固态储/供氢”撬装式一体化氢能源系统，首次实现了Mg基储氢合金体系的示范化应用©2023.6SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以固态储运我国稀土资源丰富，目前固态材料中稀土系占比达90%，多家院所已有阶段性成果科研院所材料路线方向研究情况中国有研科技集团有限公司稀土系在学术带头人蒋利军的带领下，先后开展了稀土系AB5型、钛锰系AB2型、钛锰系AB型、钒钛系BCC型，镁钛系、钒系、镁系系A2B型等一系列合金储氢材料以及复杂化合物NaAlH4，Li-Mg-N-H，碳纳米管等新型高容量储氢材料研究；复杂化合物在此基础上，攻克了高熔点、高活性钛系合金熔炼规模技术，低熔点易挥发镁基储氢材料可控气氛机械合金碳纳米管等化纳米晶批量制备技术等行业技术难题有研工研院实现了固态储氢技术在移动式制储一体化燃料电池应急发电车、燃料电池移动通讯基站备用电源、氢能燃料电池加氢站、燃料电池大巴、物流车，以及电网储能等应用包头稀土研究院稀土系包头稀土研究院储氢领域研究方向包括稀土储氢材料，固态储氢装置等。在稀土固态储氢材料中拥有完整的材料制备、测试及应用实验条件和产业化装备，形成了稀土储氢合金材料研究、应用及产业化技术开发团队，研发工作处于国内外先进水平。目前包头稀土院已获授权国际专利2项，国内发明专利20余项燕山大学稀土系燕山大学韩树民教授团队长期致力于新型稀土储氢材料的基础理论和应用技术研发，在揭示新型稀土储氢合上海交通大学镁基金超晶格结构、储氢机理、生成条件和构效关系等基础理论研究中取得重要成果。目前累计发表SCI论文200余篇，出版学术专著1部，获国内外发明专利30余项2017年成立中科轩达，依托团队的研究成果，迅速启动了新型稀土储氢合金电极生产线建设项目，该项目已于2019年12月顺利完成，是中国第一条具有自主知识产权的新型稀土储氢材料生产线，目前产能达300吨/年以上，已进入技术成熟、生产稳定和产品市场推广阶段上海交通大学丁文江院士团队从事固态镁基储氢材料的应用研发10余年，2019年创建上海交通大学氢科学中心，专注氢科学领域的前瞻性基础研究，目前丁文江院士在SCI/EI源期刊上发表论文600余篇，申请发明专利200余项，研究成果获国家科技进步二等奖、国家技术发明二等奖团队携手氢枫能源，共同成立氢气储运公司—氢储（上海）能源科技有限公司，专注于高密度镁合金固态储氢产品的研发生产，2022年4月在河南新乡的全球首条镁合金高密度储氢技术生产线建成投产测试，2022年12月推出镁基固态储氢车©2023.6SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以固态储运氢以固态储存适合于固定式和对重量不敏感小型移动式场景，可为垂直领域提供方案随着各界对氢能应用的关注度加大，固态储氢有望在实际应用中不断实现技术研发迭代固定式应用：对重量不敏感，但对安全性、寿命、初始成本要求高制氢现场缓存工业、化工中因安全性分布式家用氢能存储产品电力调峰电站通信基站的对高压气瓶的替换氢热电联供备用替换电源固态储氢多采用金属氢化物和铝合金氢罐，致使固态储氢罐较重，其终端应用大多在固定式储氢和对重量不敏感的小型移动式场景。固定场景方面，可用作移动基站的备用电源、建筑热电联供电源和微网电源等，实现长期存储和调峰等等欧美在固态储氢应用和新型储氢材料的研发上取得了诸多进展，固态储氢材料已经在热电联供、储能、车载燃料电池氢源系统等多个领域得到了应用©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢以固态储运氢以固态储存后，使“携带氢移动”“家用户储氢”“为移动设备供氢”成为可能随着各界对氢能应用的关注度加大，固态储氢有望在实际应用中不断实现技术研发迭代移动式应用：对重量敏感，往往空间有限，需要高密度提高空间利用率氢能叉车氢能重卡氢能轿车氢能二轮车军工人身携带应急电源乘用车工程货用车固氢输送仍处研究阶段，未来有望丰富短距离运氢途径和为交通车辆供氢等但由于储氢合金价格高(通常几十万元/吨)，放氢速度慢，还需要加热，并且储氢合金本身很重，长距离运输不具备经济性。国外已经将固态储氢系统在燃料电池潜艇中实现了商业应用。固态储氢在燃料电池汽车上的应用优点明显，未来潜力较大。国内相继出现了以固态储氢为能源供应的大巴车、卡车、冷藏车、备用电源等为随车输氢容器使用：•加热介质和装置固定放置于充氢和用氢现场，可以实现氢的快速充装及其高密度高安全输运•进一步提高单车轻质储氢材料(如镁基储氢材料)、低压高密度固态储罐的体积储氢密度和重量储氢率，作为运氢装置具有较大潜力©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com氢的三态储存与运输的总结氢的3种主要存在状态与运输方式之间的对应关系(2030预测)航天器载固定式场景的电源纯氢管道直接售卖/补能替换储箱/贮箱运油船储罐、槽车等输油管道金属氢化物——氢的几种主要运输方式之间的横向对比气态储存液态储存固态储存高压气氢氢气低温液态有机液态物理吸附金属氢化物长管拖车运输管道输氢液氢槽车槽车货车温度(K)K=°C+273.1529821常温29865压力(Mpa)装载量(kg/车)20-701-40.6常压0.1-44-7质量储氢密度(wt%)300-400-4000-70002000300-400目前单车最大12001-13-14-405-8<3<10体积储氢密度(kg/m3)14-400.09-3.264-7140-6550-15050-110能耗(kwh/kg)1-1.30.213-10-13.310-13.3经济距离(km)≤200≥500≥200≥200≤150优势劣势技术成熟跨地区/大规模/长氢的纯度高安全性较好单位体积储氢密度大应用情况充放氢速度快能耗低距低离最划算；能耗储高氢密度和运输效率储氢密度较高储氢密度和运输效率有限稳定性安全性高，储存运输方便超过200km，经济性下降初始建造成本高能耗较高，能量损失能耗较高，成本较高单位质量储氢密度低；充放氢速率慢有氢脆泄露的风险较大，成本较高所需操作条件苛刻寿命短、价格高；储存释放条件苛刻成熟用于商品氢气的短途运输存在国外巨头；国内国内技术还不成熟，跨地区/大规模/长距离以前用于航天军事领处于产业化早期，仍需研发运氢国内目前需国家主导域；现正加速国产化产业应用不多研发落地——不同①运距和②运量要求条件下的决策矩阵10,000极大暂无超高容量管网2+1,0000.06–2.00氢大长输管网气0.050.05–0.090.09–0.470.47–2.002+量100转折点1：(t/d)中配气管网船运0.06–0.192+配气管网：100.05–0.060.19–1.44<2.00运量>10T/天需要较高基础设施建设投资小高压气态运输液氢运输0.75–1.511.51–2.620.54–0.560.56–0.75暂无1极小0.54–0.560.56–0.750.75–1.511.51–2.62暂无01区、县10城市内100城际间1,000洲际间10,000转折点3：距离(km)转折点2：液氢车运：液氨船运：运距>300～400km运距>5000km由于低转换成本，高压气态运输在短距离时更便需要较长运距弥补高储存和氢-宜；高载气量意味着液氢在长距离运输时更便宜氨转换成本；运输单位成本低分阶段展望，我国氢储运方式的总体格局科研及产业一直在持续研究氢的储运方式，以攻克储运环节的效率、成本和安全性问题。氢的储存主要分为氢气、液氢、固态载体3种状态，在实际中这3种储存状态又分别对应着后续不同的运输工具及运输方式。运输方式的选择主要由运量和运距决定。总体上分阶段展望我国运氢方式总体格局：•在当下氢能产业仍处初期发展阶段，对于大规模、长距离运氢的需求不大，高压气态运氢最具性价比•随着氢能产业快速发展，下游应用场景逐渐丰富，对于大规模、长距离运氢的需求将逐渐增加，此时液氢运输的优势将会显现并成为主流方式。同时，液氨和甲醇载氢则可以大规模落地于在风光资源丰富的适宜地区，实现绿电→绿氢→绿氨绿醇一体化，绿氨绿醇在载氢的同时可以直接被应用到不同下游方向•长期来看，能源结构完成转型后，氢能需求大且稳定，加氢站和应用场景将逐步全面铺开，液态固态等各类储氢技术将更为成熟，将会形成多种氢储运路径并行的局面，气氢未来仍将长期发挥“最后一公里”的短途作用。管道输氢因涉及到土地、规划审批和财政，在政府与国央企的长期大力推动下输氢管网才会落地运行，管道输氢才将成为最为经济的大规模输氢方式•储运环节是降低终端用氢总成本的关键突破口，气-液-固三态分头产业化，共育多层次储运体系中的新机会点我国氢储运方式的展望时间表附录储氢承压设备体系储氢承压设备液态储氢液态储氢固态储氢复合储氢固定式储氢压力容器高压氢气瓶固定式液氢液氢瓶容器单层储氢压多层储氢压复合材料储钢制高压复合材料高力容器力容器氢容器气瓶压气瓶单全层钢钢铝塑单钢铝塑金配碳金高高层内内内料内内料属位材属压压钢多板胆胆胆内层胆胆内氢氢质有深固制碳碳碳化化材机冷态无层包纤纤纤胆钢碳碳胆物物料骨复复缝维维维固固固架合合储储扎环全全碳制纤纤碳态态态化储储氢缠缠缠无维维纤储储储合氢氢压氢储储绕绕纤全全维氢氢氢物气气力氢储储维缠缠全容容容储瓶瓶容压氢容氢氢全缝器器器氢器器容容容容力压缠高绕绕缠容器器器器器容力绕压高高绕氢压压高器容储氢氢压氢气气氢器容气器瓶瓶瓶气()瓶()资料来源：《中国氢能承压设备风险分析和对策的几点思考》、申万宏源研究输氢承压设备体系输氢承压设备气态输氢液态输氢运氢设备氢气管道管束式集装箱氢气长管拖车输氢管道输氢管道单钢钢铝塑钢复钢非层内内内料制合制金钢胆胆胆内输材配属制碳碳碳胆氢料氢配液无纤纤纤碳压输压氢液液液氢缝维维维纤力氢力压氢氢氢运高环全全维管压管力罐罐管输压向缠缠全道力道管车箱道船气缠绕绕缠管道瓶绕气气绕道气瓶瓶气瓶瓶资料来源：《中国氢能承压设备风险分析和对策的几点思考》、申万宏源研究氢能承压设备技术标准体系氢能承压设备技术标准体系材料测试方法零部件定期检验产品其他临临氢性氢氢氢储氢氢加加氢氢氢相能气气气氢气气氢氢能承容承压测瓶瓶阻容瓶管氢储氢站站承压设性试组超火器定道气氢气安氢压设备合压器定期定管容瓶全气设备用阀泄期检期道器技充备用非放检验检术装状钢金装验验条协态属置气管氢道液管氢道掺管氢道固式定储移式动储型I型II型IIII型V液氢件议监控氢容氢容氢氢氢氢气氢金非性氢氢气气气气瓶脆属器器瓶瓶瓶瓶金能气密敏氢属测瓶封高感相度容氢试氢件单多复固固高压氢管液液液测性试测相循性层层合定态压深气束氢氢氢方试法方容环能钢钢材式储固冷长式汽铁运法性试测制制料液氢态复管集车路输合测验试储储储氢压复拖装罐槽驳试方方氢氢氢容力合储车箱车车船方法法容容容器容储氢氢法器器器器容容器器资料来源：《中国氢能承压设备风险分析和对策的几点思考》、申万宏源研究版权及法律声明www.6sigmacapital.com2023中国氢能产业深度研究报告©2023.7SixsigmaResearch关于云道云道资本云点道林—中国新能源领域领先的精品投资银行与产业研究机构©2023.7SixsigmaResearchwww.6sigmacapital.com