氢能源行业储运专题报告：氢经济发展之纽带_具备千亿市场潜力.docx

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1、氢能源行业储运专题报告：氢经济发展之纽带_具备千亿市场潜力1 氢储运承上启下，千亿级市场空间1.1 氢储运是连接氢气生产端与需求端的关键桥梁氢能产业链中，氢的存储运输是连接氢气生产端与需求端的关键桥梁，深刻影响 着氢能发展节奏及进度。由于氢气在常温常压状态下密度极低（仅为空气的 1/14）、 单位体积储能密度低、易燃易爆等，其特性导致氢能的安全高效输送和储存难度较大。 因此，发展安全、高效、低成本的储运氢技术是氢能大规模商业化发展的前提。1.2 庞大的氢能需求将带来千亿级的储运市场规模氢能资源呈逆向分布，氢能储运供应链建设是实现“氢经济”的保障。总体来说， 我国能源供应和能源需求呈逆向分布，在

2、资源上“西富东贫、北多南少”，在需求上则 恰恰相反。未来，一方面要积极开发大容量氢气储运技术；另一方面要积极开展就近 化工副产氢气资源和沿海可再生能源开发利用。庞大的氢能需求需依靠完善的氢储运供应链，将带来千亿级设备投资规模。在 氢能行业深度报告系列二中，我们详尽分析了氢能在工业、交通、建筑等领域参与深 度脱碳的潜力，即在 2060 碳中和目标下，据中国氢能联盟预测，到2040 年，我国 氢气的年需求量将增至 5700 万吨左右，庞大的氢能需求量需依靠完善的氢储运供应 链。假设按照终端氢气售价 30 元/kg，储运成本占比 30%，设备投资成本占比 70%， 对应储运设备市场规模将达 5200

3、 亿元。1.3 由近及远，氢储运技术发展将循序渐进根据中国氢能联盟发布的中国氢能源及燃料电池产业白皮书（2019 版）关 于我国氢能储运技术路线展望：我国氢能储运将按照“低压到高压”“气态到多相态”的 方向发展，由此逐步提高氢气储存和运输的能力。氢能市场渗入前期，氢气用量及运 输半径相对较小，此时高压气态运输的转换成本较低，更具性价比；氢能市场发展到 中期，氢气需求半径将逐步提升，将以气态和低温液态为主；远期来看，高密度、高 安全储氢将成为现实，完备的氢能管网也将建成，同时出台固态、有机液态等储运标准及管道输配标准作为配套。2 储运技术丰富多样，由近及远多方向协同发展氢能的存储及运输成为了氢能

4、实现大规模发展的重要影响因素之一，而氢能的储 运方式建立在氢的不同存储状态之上，按照氢的不同形态，通常将氢储运技术分为气 态储运（高压气态、管道氢）、液态储运（低温液态、有机液态）、固态储运，不同的 储运方式具有不同特点及适应性：1）高压气氢储运运营成本低、能耗相对小、氢气充放响应速度快，适用于短距 离、用户分散场合，是目前运用最普遍的储运方式，但对设备承压要求高、单位体积 储氢密度低、安全性较低；2）管道氢输送运输成本低、能耗小，可实现氢能连续性、规模化、长距离输送， 是未来氢能大规模利用的必然发展趋势。由于管道铺设难度大，一次性投资成本高， 目前还难以实现大规模氢气管道运输。3）低温液氢储

5、运储氢能量密度高、运输效率高，适用于中远距离输送，目前主 要作为航空运载火箭推进剂燃料，对储氢装置真空绝热、减振抗冲击、防泄漏性能要 求高，且深冷液化存在大量消耗、成本较高；4）固氢及有机液氢储运一般较为安全、高效、储氢密度高、可循环性好，但对 储氢材料性能要求较高，是未来氢能储运的重要研究方向，但距离商业化较远。2.1 气态氢储运：技术成熟度高，使用广泛，将贯穿氢能产业发展始末氢能的气态储运通常是将氢气采取压缩气体体积、增加单位气体压力的方式进行 储存、运输，并且以高压气体的状态储存于特定容器中，储氢容器通常为耐高压的压力容器，同时气氢也可经过加压后通过特制运输管道进行输送。高压气态氢能储运

6、是目前工业中使用最普遍、最直接的氢能储运方式，通过连接 减压阀即可方便、快捷释放所需氢气。具有运营成本低、压缩氢气技术成熟、承压容器结构简单、能耗较小、氢气充放响应速度快等优点。区别于运输方式的不同，高压 气态长管拖氢适用于当前氢能发展初级阶段，未来随着氢能需求规模的扩大，管道氢 将为氢能产业链提供大规模量的低成本氢气。储氢容器向高压化、轻量化发展高压气态储氢容器主要包括纯钢制金属瓶（I 型）、钢制内胆纤维缠绕瓶（II 型）、 铝内胆纤维缠绕瓶（III 型）及塑料内胆纤维缠绕瓶（IV 型）。20MPa 钢制瓶（I 型） 早已实现工业应用，并与 45MPa 钢制瓶（II 型）和 98MPa 钢带

7、缠绕式压力容器组 合应用于加氢站中。但是 I 型和 II 型瓶储氢密度低、氢脆问题严重，难以满足车用储 氢容器的要求。车用储氢容器主要为 III 型瓶和 IV 型瓶。通过对比 I 型至 IV 型高压储 氢瓶性能参数及特点，高压储氢容器发展本质是通过改变结构及材料，提升储氢工作 压力来提高质量储氢密度。此外，研究表明，氢气质量密度随压力增加而增加，在 3040MPa 时，氢气质量密度增加较快，而压力 70MPa 以上时，氢气质量密度变化 很小，因此大多储氢瓶的工作压力在 3570MPa 范围内。高压气态氢运输方式方面，长管拖氢适合短距、小规模、就地应用，管道输氢 适合长距、大规模应用高压气氢运输

8、主要分为长管拖车和管道运输 2 种方式。其中，长管拖车运输技术 较为成熟，中国常以 20MPa 长管拖车运氢，单车运氢约为 300kg，正在积极发展 35MPa 运氢技术。国外则采用 45MPa 纤维全缠绕高压氢瓶长管拖车运氢，单车运氢 可提至 700kg。由于中国目前氢能发展处于起步阶段，整体产氢规模较小，氢能利用 的最大特点是就地生产、就地消费，氢气的运输距离相对较短，因此多采用长管拖车 运输；管道运输的压力相对较低，一般为 14MPa，具有输氢量大、能耗小和成本低 等优势，但是建造管道的一次性投资较大，不适合作为氢能发展初期的运输方式。中 国可再生能源丰富的西北地区有望成为未来氢能的主产

9、地，而中国能源消费地主要分 布在东南沿海地区。在未来氢能大规模发展的前提下，管道运输可实现氢能的低成本、 耗、高效率跨域运输。未来长管拖车氢储运成本降低可通过提高储氢压力及生产规模效应来实现据中石油化工研究院数据，当运输距离为 50km 时，氢气的运输成本为 4.9 元/kg； 随着运输距离的增加，长管拖车运输成本逐渐上升，当距离 500km 时运输成本近 22 元/kg，所以考虑到经济性问题，长管拖车运氢一般适用于 200km 内的短距离和运量 较少的运输场景。此外可以看出，随着距离增加，20MPa 和 50MPa 运输条件下的成 本逐渐分化，50MPa 下的成本优势越来越明显，当运输距离为

10、 200km 时，其成本差 距约 4 元/kg。实际上，超过 200km 的运输距离将导致拖车及人员配置冗杂的问题。200km 运输距离下，两端充卸及拖车往返时间已达到 16h，当运输距离再增大时， 需要配置更多的拖车和司机，产生更高的成本费用，经济性降低。未来长管拖氢储运成本下降的有效路径是：一方面可通过提高储氢压力，实现储 氢密度和运输效率都更高的氢气储运方式；另一方面，未来氢气气态储运成本下降的 有效路径是扩大相关设备生产量。单位成本将在规模效应下逐步下降。据 NREL （National Renewable Energy Laboratory）预测，当储氢容器需求量从 10 增加到 1

11、00 个时，储氢容器成本可下降约 45%。管道运输是氢能产业发展成熟阶段实现氢气长距离、大规模运输的必然趋势， 当前发展初期阶段可积极探索天然气管道掺氢输送从氢能规模化、长远发展看，高压气氢、低温液氢输运方式远不能实现氢能的规 模化及大面积区域辐射，管道输运是未来发展的必然趋势。目前，欧洲和美洲是世界 上最早发展氢气管网的地区，已有 70 年历史，在管道输氢方面已经有了很大规模， 根据美国太平洋西北国家实验室统计数据，全球共有 4542km 的氢气管道，其中美国 有 2608km，欧洲有 1598 km。我国氢气管网发展相对不足，目前全国累计仅有 100 km 输氢管道，分布在环渤海湾、长江三

12、角洲等地，随着氢能产业的快速发展，日益 增加的氢气需求量将推动我国氢气管网建设，氢气管网布局有较大的提升空间。氢能产业发展初期阶段，管道氢可由天然气管道掺氢来实现过渡。由于纯氢管 道的初始投资较大，不适合作为氢能发展初期应用，在管道运输发展初期，可以积极 探索掺氢天然气方式，即利用已建设的天然气输配管网与基础设施进行天然气和氢气 混合输送，也可经改造后输送纯氢，可实现低成本、规模化、连续性氢能供应。研究 结果表明，在含量较低时（10-20%掺氢比例），氢气可以在不做重大技术调整的情况 下掺混至天然气。未来大力发展天然气掺氢管道输送技术，关键需要解决管材、调压 站、流量计、探测器等配套装备的掺氢

13、相容性与适应性并完善管网安全运行保障技术。 天然气掺氢管道输送技术是目前进行大规模、长距离氢气输送最为有效手段之一。2.2 液态氢储运：储氢密度高，适合跨洋及长周期存储运输氢能的液态储运是指将氢能从气态转化为液态进行储运的技术。按照转化技术的 不同，液态储运又可分为两大类：1）物理法，即将氢冷却到沸点以下（-253 摄氏度 以下）形成液氢，储存于低温绝热液氢罐进行储运；2）化学法，即氢通过化学反应， 生成含氢的化合物，主要有三种方式，包括有机液态储运、氨-氢储运、甲醇-氢。（1）低温液态氢储运低温液态氢储运是将氢气冷却至 21K（约-253 摄氏度），液化储存于低温绝热液氢罐中，储氢密度可达到

14、 70.8kg/m3，是标况下氢气密度 0.083kg/m3 的近 850 倍， 单台液氢运输罐车的满载约 65m3，可净运输 4000kg 氢，大大提高了运输效率，并 且在液化过程还能提高氢气纯度，相应程度上节省了提纯成本。因此液氢适合长距离、 大容量储运，是配合我国未来实现大规模绿氢脱碳应用的首要储氢选择。提高核心设备及材料国产化率，降低液化成本是加快低温液氢发展主要途径从当前实际应用来看，目前全球液氢产能约 400 吨/天，其中北美占比达到 85% 以上，且大多为 1030 吨/天以上的大型装置，规模效应显著。美国、日本、德国等 国家已将液氢的运输成本降低到了高压气态储运的八分之一。相较

15、于国外 70%左右 的液氢运输，国内液氢还仅限于航天领域，民用还未涉及，仅国富氢能、中科富海等 部分企业在尝试低温液氢民用领域推广，过高的使用成本及安全法规问题限制了低温 液化储氢技术的规模化应用，主要体现在：1）绝热性能要求高。液氢的沸点极低（-253 摄氏度），与环境温差极大，对容器的绝热要求很高；2）液化过程耗能极大。液化 1 千克氢气需消耗 13-17 千瓦时的电量，液化所消耗的能量约占氢能的 30%；3）核心 设备及材料国产化程度低，包括压缩机、膨胀机、正仲氢转换装置、高性能低温绝热 材料、液氢储罐制造技术与装备等。因此，缩小与国外先进液氢技术水平间的差距， 实现核心设备及材料的国产

16、化，是实现低温液氢参与绿氢脱碳供应链亟待解决的问 题。从低温液氢运输成本构成来看，液化成本占总成本近 70%，是低温液氢运输成 本主要构成，因此降低低温液氢运输成本首要解决的是降低氢气液化成本。为了加快液氢在民用领域中的应用，市场监管总局（国家标准委）于 2021 年 5 月 6 日批准发布了氢能汽车用燃料液氢、液氢生产系统技术规范和液氢贮存 和运输技术要求三项液氢国家标准，于 11 月 1 日起实施。对于氢能产业链而言， 这三项标准的推出填补了液氢民用市场无标准可依的空白。（2）有机液态氢储运有机液体储氢技术（LOHC）基于不饱和液体有机物在催化 剂作用下进行加氢 反应，生成稳定化合物，当需

17、要氢气时再进行脱氢反应。有机液体储氢优势在于：加氢后的有机氢化物性能稳定，安全性高，可常温常压 储存，储存方式与石油相似，质量储氢密度高，可达 5.0-7.2%/wt。其劣势在于：氢 气纯度不高，有几率发生副反应，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；液氢储存压缩能耗过大，需配备相应的加氢、脱氢设备。 未来的技术突破方向是：提高低温下有机液体储氢介质的脱氢速率与效率、催化 剂 反应性能，改善反应条件、降低脱氢成本及操作难度。目前参与有机液体储氢的公司仅为少数，全球从事有机液体储氢的公司主要包括： 中国武汉氢阳能源控股有限公司、日本千代田化工建设公司、德国 Hyd

18、rogenious Technologies。（3）液氨-氢储运液氨储氢技术是指将氢气与氮气反应生成液氨，作为氢能的载体进行利用。液氨储氢优势在于：液氨在标准大气压下-33就能够实现液化，其储存条件远 远缓和于液氢，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相对液氢可高 1.7 倍；在脱氢过程中，液氨在常压、400 条件下即可得到 H2，能耗水平低；液氨除了储氢也可以直接作为燃料燃烧，其燃烧 产物为氮气和水，无对环境有害气体，液氨燃烧涡轮发电系统的效率（69%）与液氢 系统效率（70%）近似。其劣势在于：有腐蚀性、易挥发，有强烈气味，有毒性；其 对燃

19、料电池也有毒性，体积分数 1106 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。未来技术突破方向：提升液氨脱氢纯度。截至目前，日本、澳大利亚等国均已在积极布局“氨经济”。在“碳中和”愿景下， 利用可再生能源电解水制氢后，通过“氢-氨-氢”这一流程完成“绿氢”运输。从当前多国 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。（4）甲醇-氢储运甲醇储氢技术是指将二氧化碳与氢气在相应条件下反应生成液体甲醇，作为氢能 的载体进行利用。甲醇储氢优势在于：储氢密度高，其理论质量储氢密度高达 12.5wt%；甲醇可 分解得到氢气，用于燃料电池，同时，甲醇还可直接用作燃料；甲醇的储存条件

20、为常温常压，且没有刺激性气味，存储条件缓和于 LOHC 及液氨。其劣势在于：二氧化 碳单程转化率和甲醇产率较低，目前的经济性较低。未来技术突破方向是：开发同时 满足单程高 CO转化率（20%）和高甲醇选择性（90%）的催化 剂，改善催化 剂 寿命。全球范围来看，CO2加氢合成甲醇已有不少成功案例：2012 年欧洲已经建成了 当时全球最大的 CO基甲醇制造厂（年产 4000 吨甲醇，消耗 5600t CO2，利用地热 电厂电解水制氢），日本计划 2021 年建成日产 20 吨的碳回收甲醇合成装置；2020 年 1 月 17 日，中国科学院大连化学物理研究所的全球首套千吨级规模化太阳燃料合 成示范

21、项目在甘肃兰州新区绿色化工园区试车成功。未来随着电解水制氢成本的下降 以及碳减排价值的提升，CO2 加氢合成甲醇的经济性将会有很高的改善。2.3 固态氢储运：储氢压力低、安全性好，但距离商业化较远固态储氢是以金属氢化物、化学氢化物或纳米材料作为储氢载体，通过化学吸附 和物理吸附实现氢的存储，固态储氢的储氢压力低、安全性好、放氢纯度高，体积储 氢密度高于液氢；劣势是储氢合金材料的重量储氢率较低，目前主流金属储氢材料重 量储氢率低于 3.8wt%，重量储氢率大于 7wt%的轻质储氢材料吸放氢温度偏高、循 环性能较差。未来技术突破的主要方向是提高质量储氢密度，降低成本及温度要求。目前该领域技术尚未成

22、熟，在燃料电池潜艇中实现了商业应用，在分布式发电和 风电制氢规模储氢中进行示范应用，但在燃料电池汽车上的应用优点明显，未来潜力 较大。3 成本的差异性决定各储运方式出现在氢能不同发展阶段通过对氢能气、液、固三种形态储运方式的特点及适用性进行分析，定性角度 而言，我们认为未来氢能供应链网络中，将主要以高压气态、低温液氢及管道输氢 三种运氢方式为主：在氢能产业发展初期阶段，氢气用量及运输半径相对较小，此时 高压气态运输的转换成本较低，更具性价比；氢能市场发展到中期，氢气需求半径将 逐步提升，将以气态和低温液态为主；远期来看，高密度、高安全储氢将成为现实， 管道输氢将被实现。为此，我们针对这三种氢储

23、运方式建立成本模型，从定量角度进一步分析三种 运输方式的成本变化特征：3.1 高压长管拖氢在小规模、短半径用氢时经济性最佳高压气氢长管拖车运输成本主要包括：固定成本（折旧费、人员工资等）和变动 成本（包括氢气压缩耗电费、油料费等）。为了测算成本，提出如下核心假设目前国 内集装管束拖车的价格约 120 万/台，折旧年限 10 年。每辆拖车配备司机以及多名操 作人员，人员费用共 40 万。拖车满载氢气可达 300kg，每百公里消耗柴油约 25 升。 拖车平均运行速度假设为 50km/小时，两端装卸氢气时间约 8 小时。氢气压缩过程耗 电 1kwh/kg。高压长管拖车运输成本随距离增加大幅上升。根据

24、以上假设，可测算出规模为 500kg/d、距离氢源点 100km 的加氢站，运氢成本为 6.50 元/kg。随着运输距离的增 加，长管拖车运输成本逐渐上升。距离 500km 时运输成本达到 16.14 元/kg（注：当 输送距离超过 200km 后，单辆拖车已无法实现当日往返多次来满足用氢需求，超过 200km 后，我们以多辆拖车同时运输来计算）。因此，考虑到经济性问题，长管拖车 运氢一般适用于 200km 内的短距离运输。3.2 低温液氢成本变动对距离不敏感，长距离下更具优势液氢槽罐车的运输成本结构与长管拖车类似，但增加了氢气液化成本及运输途中 液氢的沸腾损耗。槽罐车市场价格约 300 万/

25、辆，每次装载液氢约 4000kg 液化过程 耗电 15kwh/kg，低温液氢输送成本构成如下：低温液氢输送成本变动对距离不敏感，长距离下更具优势。根据以上假设，可 测算出规模为 500kg/d、距离氢源点 100km 的加氢站，运氢成本为 15.31 元/kg。当 加氢站距离氢源点 100500km 时，液氢槽车的运输价格在 15.3115.91 元/kg 范围 内小幅提升，运输成本并不会因为距离增加而大幅提升。这是由于液化成本占据了运 输成本的 70%左右，该成本仅与载氢量有关，与距离呈正相关的油费、路费等占比 并不大，液氢罐车在长距离运输下更具成本优势。3.3 管道输氢在大规模输送下，经济

26、性最佳管道氢气运输的成本主要包括固定成本（折旧费、维护管理费用等）和变动成本 （包括氢气压缩耗电费、油料费等）。我们根据国内“济源-洛阳”项目测算，该输氢管 道长度25km，总投资额1.46亿元，年输送能力10.04万吨，建设成本为584万元/km， 管道使用寿命 20 年。运行期间维护成本及管理费用按建设成本的 8%计算。在管道 输氢满负荷运行以及不考虑运输损耗的前提下，管道输氢成本结构如下：大规模输送下，管道输氢具备明显成本优势。根据以上假设，可测算出长度 25m、 年输送能力 10.04 万吨的氢气管道，运氢成本为 1.16 元/kg。由于压缩每公斤氢气所 消耗的电量是相对固定的，管道运

27、氢成本增长的驱动因素主要是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，运氢成本为 1.43 元/kg，同等运输 距离下管道输氢成本远低于高压长管拖车及低温液态输氢。因此，当氢气下游需求足 够支撑大规模的氢能输送，通过管道运输氢气是一种降低成本的可靠方法。管道氢成本很大程度上受到需求端（利用率）的影响。在上述管道氢成本预测 中，我们假设管道运能的利用率达到 100%，在这种水平下，管道氢运输成本表现出 非常低的水平，但随着利用率水平的下降，管道氢成本陡然上升，当运能利用率仅为 20%时，管道运氢的成本已经接近长管拖车运氢。在当前加氢站尚未普及、站点较为 分散的情况下，管

28、道运氢的成本优势并不明显。随着氢能产业逐步发展，氢气管网终 将成为低成本运氢方式的最佳选择。核心结论：通过上述对三种主流氢储运方式的运输成本对比，单从运距角度考虑，管道输 氢在各运输范围内的成本最低，在 500km以内长管拖车输氢成本低于低温液氢成本， 超过 500km 以外，低温液氢更具成本优势。但结合实际氢运量，以及各储运方式实 现所需的条件，长管拖车输氢无疑是当前氢能发展初期阶段，氢储运性价比选择。随着大规模、长距离运氢需求的增加，低温液氢输送的优势将会显现，并成为中长 运距氢储运的主流方式。从氢能发展更远期来看，氢能产业发展将趋于成熟，用氢 需求将实现大规模化，且趋于稳定，届时管道输氢

29、综合优势将成为长距离氢运输最 佳选择。4 氢能产业发展推动储运关键设备及材料需求快速增长随着氢能产业中长期发展规划落地，氢能产业将进入技术和产业化的快速发展期， 相对应的氢能储运产业发展将给特种设备行业带来新的发展机遇，结合上述从定性、 定量角度对氢能主流储运方式做对比，高压气态储运更适合当前氢能产业供应链需求， 与之对应的氢气承压设备、气体处理设备及相关核心材料将率先得到大规模发展。随 着用氢规模、运输半径的逐步提升，低温液氢储运设备将逐步增多。由于管道氢发展 基于成熟规模化氢能产业，因此管道氢建设周期较为滞后，相对应的设备及材料中短 期内难有机会，本章节也将不对其做分析。4.1 车载储氢瓶

30、商业化程度高，将率先受益氢能车规模提升车载高压储氢瓶是目前众多储氢承压设备中，技术相对成熟，已经具备商业化 程度的一种储氢设备。我们认为车载高压储氢瓶在未来十年将迎来快速发展期。储氢承压设备可根据氢的状态分为气态储氢设备，液态储氢设备，固态储氢设备； 1）气态储运设备：主要用于储存高压氢气，包括固定式储氢压力容器和高压氢气瓶， 具有充氢、放氢速度快，设备结构简单等优点，缺点是体积储氢密度较低，并且需要 高压力储存，以增大储氢密度。目前，气态储氢设备技术相对成熟，市场需求的主流 储氢方式；2）液态储氢设备：主要用于储存液氢，包括固定式液氢储罐和液氢瓶的 优点是储氢密度高，缺点是氢气液化能耗高、长

31、时间存放液氢存在蒸发损失的问题。 在我国目前主要应用于航空航天领域，民用领域正在提速；3）固态储氢容器：固态 储氢是通过氢与材料发生化学反应或者物理吸附将氢储存与固体材料中，优点是储氢 压力较低、体积储氢密度高、可纯化氢气；缺点是质量储氢密度低、充放氢需要热交换。我国固态储氢容器已在通讯基站、加氢站有应用。国内车载储氢瓶仍以 35MPa III 型为主，趋势向大容积 IV 型发展就储氢罐市场结构而言，目前我国车载储氢方式大多为 35MPa 碳纤维缠绕 III 型瓶，70MPa 碳纤维缠绕 III 型瓶也已少量用于国产汽车中，国外氢燃料电池汽车已 经广泛使用 70MPa 碳纤维缠绕 IV 型瓶。

32、据 GGII 统计，2021 年 70 MPa 储氢瓶出 货量为 1203 只，占比仅为 4%。但目前 70 MPa 车载储氢瓶出货多属于项目型，短 期较难有大规模市场增长。在车载储氢系统轻量化、低成本化和低重容比的行业趋势下，IV 型对 III 型储氢 瓶的替代大势所趋。京城股份、中材科技、亚普股份、斯林达、科泰克等企业正在重点布局 IV 型车载氢气瓶领域。此外，从储氢瓶的容积来看，2019 年，国内市场 35MPa 储氢瓶市场多为 140L 的储氢瓶，其市场占比超 80%。2020 年国内储氢瓶市场表现 为 140L 为主流，165L 和 210L 逐步增长。在 2021 年国内储氢瓶市场

33、逐渐发展为 140L、 165L、210L 平分市场的形态。另外有部分企业推出 260L、385L 大容积车载储氢瓶， 更有部分企业计划推出 400L 以上车载储氢瓶，整体趋势向大容积方向发展。降低碳纤维应用成本是储氢瓶降本的关键根据DOE及中科院宁波材料所测算，对于储氢质量均为5.6kg的35MPa、70MPa 高压储氢 III 型、IV 型瓶成本组成来看，主要成本贡献者是碳纤维复合材料，均占到 总成本的 70%左右水平。此外，当 III 型及 IV 型瓶储氢压力增至 70MPa 时，碳纤维 复合材料应用成本及比例大幅提升。因此降低碳纤维应用成本是储氢瓶降本的关键。预计到 2030 年储氢系

34、统市场规模达到 259.3 亿元，年均复合增速 48%，且将成 为国内碳纤维市场重要增长点根据我们测算，国内储氢系统（包含气瓶、管阀、线材等）市场规模到 2025 年 及 2030 年将分别达到 34.4 亿元、259.3 亿元，市场规模复合增速达到 48%。其中 储氢瓶规模将由 2022 年 4 万只规模分别增长至 2025 年的 12 万只及 2030 年的 80 万只，年均复合增速达到 45%；储氢瓶中核心材料碳纤维的用量也将伴随气瓶数量 及储氢压力的提升而快速增长，预计碳纤维用量到2025年及2030年将分别达到0.72 万吨、5.28 万吨，年均复合增速达到 50%。4.2 储运量提

35、升带动气体净化、压缩等处理设备需求储运过程伴随大量气体处理需求。通常氢气从制氢厂制取后，经运输到加氢站， 最终加注到应用端，需对氢气进行净化、压缩（液化）等多步骤的气体处理，而非直 接从制氢端到用氢端。以 20MPa 长管拖氢储运为例：氢气从制氢厂生产出来后，气体需经过净化处理， 随后经过压缩机压缩至 20MPa，通过装气柱装入长管拖车，运输到目的地后，装有 氢气的管束与车头分离，经由卸气柱和调压站，将管束内的氢气卸入加氢站的高压、 中压、低压储氢罐中分级存储，最后加氢机按照长管拖车、低压、中压、高压储氢罐 的顺序先后取出氢气对燃料电池车进行加注。同样的，低温液态氢、管道气态氢储运 也需要对氢

36、气做相应处理。氢气净化提纯各氢能应用场景对氢气纯度提出不同要求，新兴应用领域普遍要求高。当前我 国制氢结构中，主要以煤制氢、天然气制氢及工业副产氢为主，电解水制氢仅占少部 分。在煤炭、天然气、甲醇等能源化工为原料制氢时，制取的氢气中含有大量的气体杂质，如 CO、CO2、CH4等。而氢能下游各应用场景中，普遍对氢气纯度存在较高 要求，其中氢燃料电池、半导体、粉末冶金等新兴领域对氢气纯度要求都在 99.99% 以上。变压吸附（PSA）分离技术是当前氢气纯化主流应用手段。在实际应用中，选 择合适的氢气提纯方法，不仅要考虑装置的经济性，同时也要考虑工艺的灵活性、可 靠性，扩能的难易程度，原料的含氢量，

37、氢气纯度要求以及杂质含量对下游装置的影 响等诸多因素。变压吸附技术是当前最为常用的工业技术。变压吸附法纯化氢气的基本原理是利用固体材料对气体混合物的选择性吸附以 及吸附量随压力改变而变化的特点，通过周期性改变压力来吸附和解吸，从而实现气体的分离和提纯。变压吸附法具有耗、产品纯度高且可灵活调节（99%99.999%）、 工艺流程简单并可实现多种气体的分离、自动化程度高、操作简单、吸附剂使用周期 长、装置可靠性高的优点，最大的缺点是产品回收率低，一般只有 75%左右。该方 法大量的使用在工业制氢、氢气纯化过程中，适合燃料电池、冶金等氢原料应用的纯 化。氢气压缩在当前以高压气态实现氢储运的氢能发展初

38、级阶段，氢气压缩机是我国氢能储运 所需的关键设备，当前国内大多数氢气压缩机主要依靠进口，投入及维护成本高，尤 其以加氢站所需压缩机，以 500kg/d 加注能力加氢站建设为例，压缩机成本占据加氢 站总成本的三分之一。国内多采用液驱式和隔膜式氢气压缩机。氢气压缩机分为机械式和非机械式两大 类，机械式压缩机又分为液驱式压缩机、隔膜式压缩机、线性压缩机和离子液体压缩 机 4 类。非机械式压缩机分为低温液体泵、金属氢化物压缩机、电化学氢气压缩机和 吸附型压缩机 4 类。目前国内加氢站较多采用液驱式和隔膜式压缩机，压力不超过 45Mpa；离子液压缩机主要在国外应用得比较多，且一般用在具有较高储氢压力（一

39、 般为 90MPa 左右）的加氢站中。氢气压缩机仍被海外高度垄断，国产化之路道阻且长。1）液驱式压缩机。国内 近两年加氢站上采用的液驱式压缩机均为进口产品，主要品牌有德国MAXIMATOR、 HOFER、SERAL，美国 HYDRO-PAC、HASKEL 等，其中 MAXIMATOR 的产品应 用量最大，年出货超过 20 套，且技术较为成熟。国内深圳思特克（STK）、济南赛思 特两家公司正开展该种机型的国产化研制与推广工作。 2）隔膜压缩机。目前主要进 口品牌有美国 PDC、英国 HOWDEN、德国 HOFER 等，美国 PDC 占据国内加氢站 压缩机最主要的市场份额，具有近 30 台出货量。

40、国内自主品牌主要有北京天高、北 京中鼎恒盛、江苏恒久和京城环保等品牌。考虑到氢气压缩机涉及到氢能储运过程多环节，计算存在复杂性，因此我们仅 测算加氢站氢气压缩机市场空间。经测算，预计到 2035 年，氢气压缩机累计投资规 模将达到 68.2 亿元。而在实际高压气态氢储运供应链建设中，氢气压缩机整体市场 空间将数倍于加氢站内氢气压缩机规模。4.3 低温液化长期潜力大，关注核心装备技术国产化突破低温液氢能否快速发展取决于氢气液化成本下降程度。在低温液氢储运环节中， 氢气液化成本占据了运输成本的 70%左右，是液氢产业链中最为核心的环节。理论 状 态 下 ， 氢 气 液 化 耗 能 为 3.92kW

41、h/kg ， 然 而 实 际 生 产 过 程 中 的 能 耗 达 到 1315kWh/kg，接近氢气直接燃烧热值（33.3kWh/kg）的一半，相比较而言氮气的 液化耗能仅为 0.207kWh/kg，因此降低氢气液化耗能至关重要。而能否快速实现氢气 液化成本下降，一方面需扩大液氢制备规模，另一方面取决于我国能否实现大型氢液 化装置的国产化突破。国外的氢液化技术发展较早，技术已很成熟，国内起步较晚，与国外存在较大的 差距。从液氢产能上来看，北美占了全球液氢产能总量的 85%以上。截止到 2020 年， 美国本土已有 15 座以上的液氢工厂，液氢产能达 326 d/t，居于全球首位，加拿大还 有

42、80d /t 的液氢产能也为美国所用。美国液氢产能的 10%左右的液氢用于氢燃料电 池的应用。近年来，美国开始了新一轮的液化氢工厂建设，以扩大液氢产能。欧洲 4 座液氢工厂液氢产能为 24d/t。亚洲有 16 座液氢工厂，总产能 38.3d /t，其中日本占 了三分之二。中国液氢工厂有陕西兴平、海南文昌、北京 101 所和西昌基地等，主 要服务于航天发射，总产能仅有 4d/t，最大的海南文昌液氢工厂产能也仅 2d/t。民用液氢领域正处于发展初期阶段，根据科技部 2020 年“可再生能源与氢能技术” 重点研发专项指南，中国急需研制液化能力5d/t 且氢气液化能耗13kWh/kgLH2 的 单套装

43、备，指标与国外主流大型氢液化装置性能基本一致，以期尽快缩短我国产品成 本、质量和制造水平与世界发达国家的差距。例如，2020 年鸿达兴业公告募资建设 年产 30000 t 液氢项目，目前该项目仍在积极建设中。透平膨胀机及正-仲转换器是氢气液化核心装置，国产化突破在即氢的液化最早由英国的 James Dewar 于 1898 年通过 J-T 节流实现。到 1902 年出现了克劳德循环，区别于之前的氢液化方式主要在于膨胀机的使用。使用液氮预 冷、膨胀机提供低温区冷量的克劳德循环，效率比采用 J-T 节流的 LindeHampson 循环高约 50-70% 。目前，克劳德循环仍然是大型氢液化装置的基

44、础，根据制冷方式的不同又分为氢 膨胀制冷和氦膨胀制冷氢液化流程。氢膨胀制冷循环采用氢气自膨胀提供低温区冷量。 而氦膨胀制冷循环氢液化流程则是利用沸点更低的氦作为制冷剂提供低温区冷量。无 论在氢膨胀制冷或在氦膨胀制冷氢液化流程中，透平膨胀机均是最关键的核心设备， 也是系统低于 80K 温区的主要冷量来源。透平膨胀机作为氢气液化循环中的核心部件尚无国产化商品，它是系统冷量的主 要提供者，其热力性能、力学性能的优劣对装置的经济性和长期运转的可靠性至关重 要，是系统中技术含量高、研制难度大的部件。西安交通大学和北京航天试验研究所 正就大型氢液化装置和高效氢、氦透平膨胀机积极开展研发工作，目前仍在攻关期

45、。氢液化流程中，氢的正-仲转换器也是一个重要的设备。根据氢的物理特性，随 着温度的降低和氢的液化，正氢会逐步转变成仲氢，并放出大量的热量。若液氢产品中存在未转换完成的正氢，后的正-仲转化热会导致液氢产品气化。所以液化后液氢 中仲氢含量需大于 95%。国内对正仲氢转化催化 剂的研究已经取得一 定成绩，如 北京航天试验技术研究所自制的正仲氢转化催化 剂性能已达到国外水平，目前在对 技术做进一步优化和改进。低温液氢液化市场空间测算据我们测算，国内低温液氢液化市场投资规模到 2030/2040/2050 年将分别达到 416 亿元/1382 亿元/2150 亿元，年均新增投资规模将分别达到 83 亿元/276 亿元/430 亿元，预计到 2060 年随着低温液氢市场进入成熟期，投资规模将有所下降。5 投资分析根据氢能产业发展不同阶段，给予三条投 资主线：1）氢能发展早期阶段，高压气态储运技术成熟，商业化程度高，其中车载储氢 瓶将率先受益氢能车规模提升；2）氢能发展中期，低温液氢将满足大规模、长距离氢能需求，低温液化装备作 为产业链核心环节将快速发展；3）规模化的氢能储运通常伴随大量的气体处理需求，包括压缩、净化等。