“制、储、运、加、用”｜氢能关键设备与竞争一览

   氢能：可拆解为【制、储、运、加、用】多个环节

在全球推广去碳化及可持续能源解决方案的背景下，氢能的需求大幅增加。全球及中国的氢消耗量由2019年的4560万吨及2250万吨，分别增至2023年的约6780万吨及3660万吨，复合年增长率分别为10.4%及12.9%。

2023年，全球氢能相关项目投资金额达340亿美元，同比增长146%；估计到2050年，氢能将满足全球最终能源需求的12%至13%。

氢能的【制、储、运、加、用】多个环节的核心设备一览：

业内领先企业倾向于为全产业链布局

   制氢

1、制氢技术

灰氢（来自化石燃料）是目前全球最常见的氢气类型，在2024年约占制氢总量的83%。但长期而言，水电解制氢预计将占主导地位，预计到2050年，绿氢将占全球制氢量的74.3%。

具体来说，水电解制氢方法可主要分为ALK（碱性水电解）、质子交换膜（PEM）水电解、阴离子交换膜（AEM）水电解及固体氧化物电解槽(SOEC)水电解。

在商业化方面，ALK及PEM已经进入商业化阶段，其中ALK占有主导地位。AEM及SOEC仍处于试验阶段。

2、水电解制氢核心部件

水电解制氢涉及利用电将水分解成氢气及氧气的电化学过程。其核心部件主要由电解槽和气液分离系统、氢气纯化系统等辅助系统组成。其中，电解槽是核心部件，占整个设备成本的大部分。

• 电解槽：其关键部件是电解槽电堆，结构包括：双极板、螺栓螺母、碟形弹簧、端板、隔膜。当直流电通过电解槽时，氧气在阳极与溶液的界面处通过氧化反应析出，氢气在阴极与溶液的界面处通过还原反应析出。

• 气液分离系统：主要用于分离电解槽阴极侧的氢气和电解液。

• 氢气纯化系统：主要利用“微量氧气在催化剂的作用下加热生成水”的原理进行脱氧。

3、市场规模

中国水电解制氢设备的市场规模（以销售收入计）由2021年的8亿元增加至2023年的19亿元，复合年增长率为55.7%。

4、竞争格局

ALK水电解：前五大ALK水电解设备供应商占据超过50%的市场份额；

PEM水电解：国内正处于商业化的初期阶段，每家公司的业务规模都相当小。

   储、运氢

1、储运氢方式

主要包含三种：气态、液态及固态。氢可以通过高压压缩储存为气体，是目前主要的储存方式，具有充放氢速度快、容器结构简单、成本低等优点。

从发展上来说：

• 高压气态储氢及低温液态储氢已进入商业应用阶段。
  

• 有机液态储氢及固态材料储氢仍处于试点示范阶段：国内已在分布式发电中试点应用固态储氢。

从运输方式上来说：

• 气态氢：通过长管拖车和管道运输，是目前主要的运氢方式。管道运输可以实现氢的大规模、长距离运输，但具有管道建设周期长、投资大、审批复杂等特点。

• 液氢：可以通过液氢罐车和液氢罐箱及液氢运输船运输，其中液氢罐箱具有联运的优势，可以显著提高大容量、长距离运氢的效率。

2、液氢

液氢已成为全球氢能基础设施发展的重要方向。

氢在环境温度及压力下是一种气体，在氢气液化过程中，将气态氢转化为液氢的冷却及液化十分重要，需将氢气冷却至-253°C以下以转化为液态，储存在专门设计的低温真空容器中。

低温液氢储存的关键是液氢储罐的设计和性能，通常采用特别设计的双层隔热储罐，以尽量减少外部热传导对液氢的影响。核心技术门槛包括低温传热和节能膨胀技术。

由于技术限制，中国的液氢储运技术主要应用于航空航天和军事领域，高昂的制造成本限制了中国民用液氢的发展。

①液氢VS高压气态氢

在大规模储氢、用氢及长途运输的情况下，液氢比高压气态氢更具经济效益。

• 液氢的最大优势是密度高，能够在常压下达到极高的储存密度。

氢气从气态转变为液态，体积也会显著减少。液氢罐车的运输能力一般为2.5-3.3吨，是20兆帕气态氢长管拖车单次运输能力的六至八倍，且液氢罐车的重量减少约30%。

• 运输距离200公里以下时，气态氢长管拖车运输具有成本优势；运输距离超过200公里时，由于液氢的能量体积密度高，使用液氢罐箱和罐车运输液氢具有成本优势。

• 降低压力要求：与高压气态氢不同，液氢在低压下储存，减少与高压系统相关的风险，使其运输更安全。

• 此外，液氢具有纯度高、超低温的特点，已在发达国家应用于高端制造和超导储能领域，展现出广阔的应用前景。

②液化技术

常见的氢气液化技术有三种：预冷型Linde-Hampson法、Claude法、Brayton法。

• Linde-Hampson法：存在效率低、单位能耗高及液化产出率低等缺点，其主要适用于小规模液氢生产。

• Claude法：相比于采用氦气膨胀的Claude法，采用氢气膨胀的Claude法在绝热条件下利用压缩机将氢气压缩成高压气体，然后经过冷却及膨胀过程使气体液化。其特别适用于日产能超过5吨的大规模液氢生产。目前，世界上大多数大型氢气液化设施均基于氢气膨胀的Claude法。

• Brayton法：由于过程复杂且成本高昂，尚未广泛用于大规模液氢生产。

总的来说，氢气液化工艺主要包括：

i)氢气进入预冷换热器，流经低温纯化器，实现氢气冷却和纯化；ii)氢气流经邻位氢转换器，而部分正位氢转化为位氢；iii)氢气流入高真空冷箱，与膨胀机提供的冷能热交换后被截流液化，储存于液氢储罐中；iv)液氢经由充装系统进入移动式液氢罐运输；及(v)蒸发气返回液化冷箱进行二次液化。

③核心设备

由于液氢具有极低的沸点、低潜热及易蒸发等特性，储存液氢需要使用具有优良隔热性能的液氢罐。

液氢行业的核心装备主要包括氢气液化设备、液氢储运设备和液氢加注设备。

④竞争格局

2023年全球液氢日产能总量超过600吨，在北美、欧洲及日本，液氢技术已达致相对成熟的阶段，已实现大规模应用。

• 美国：作为航天大国，拥有成熟的液氢技术及产业链，且按产能计为全球最大的液氢生产国，占2023年全球产能的约80%。

• 中国：2023年以前，中国的氢气液化总产能维持在约每日5至8吨，主要用于航空航天及军事领域，民用应用仍处于初步阶段。

   加氢

1、建站形式

目前，加氢站建站形式主要有两种，固定式加氢站和集成式加氢站。

2、组件结构

加氢站通常由压缩系统、储存系统、加氢系统组成，分布用于氢气的压缩、储存和加注过程。

具体来说，加氢站的核心装备包括压缩机、加氢机、储氢罐以及卸气操作柱、顺序控制盘及加氢站控制系统等其他核心装备。

其中，压缩机、加氢机及储氢罐是加氢站的三大主要设备，占加氢站核心装备成本的80%以上；核心关键技术包含节能加氢技术及混合增压多级加注技术。

• 压缩机：对储氢系统加压并注入氢气的核心装备，通过顺序控制盘将氢气进行增压并输送到储氢瓶或加氢机。最重要的性能指标是输出压力和气体密封性能。

  

• 加氢机：负责为氢燃料电池汽车等加注氢燃料，主要技术指标是加氢压力。

  

• 储氢罐：是加氢站的储存容器。储氢的安全性极为重要，关键性能指标是储存压力。

• 卸气操作柱：为长管拖车提供卸气服务，将长管拖车内的高纯氢输送至撬装压缩机。

• 顺序控制盘：经撬装压缩机压缩的氢气通过顺序控制盘按优先级分配并储存于高压、中压和低压瓶中。

• 智能站控系统：收集并记录主要工艺设备的实时运行状态及参数，自动控制整个加氢过程。

3、市场规模

目前，中国在加氢站关键技术和设备方面与国外同行仍有一定差距。2023年末，中国约有105800个化石燃料加油站，但在全国范围仅建成428个加氢站。

为优化土地资源的利用和营运效率，未来综合能源站的数量可能增加，其中以油气合建站作为主要模式。

2023年，中国新建加氢站的核心装备销售收入约为6.16亿元，单个加氢站的核心设备投入约500余万元。

4、竞争格局

按2023年国内已建造的加氢站配备的各公司核心设备的数量计，前五的企业几乎垄断了国内市场，合计占据了近95%的市场份额。

   用氢

1、下游应用

燃料电池车辆只是氢能应用的突破口，长远发展应逐步拓展到交通、电力、化工、冶金等领域多元应用，充分发挥氢能在能源绿色低碳转型和高排放、高污染行业绿色发展中的重要支撑作用。

在美国，液氢已广泛应用于电子、冶金、石化、氢燃料电池等领域；而国内液氢在民用领域的应用目前尚处于起步阶段。

• 氢燃料电池汽车：

从应用看：在中国，中国氢燃料电池汽车的主要类型是客车、物流车及卡车等商用车；而在国际市场，则主要应用于轿车及SUV等乘用车。

从销量看：在全球市场，2019年至2023年氢燃料电池汽车的销量从1万辆增长至1.46万辆；在中国市场，2019年至2023年销量从2700辆增长至5800辆。

2、车载高压供氢系统

1）组件结构

车载高压供氢系统是氢燃料电池汽车现阶段供氢系统的主要类型，主要由高压储氢瓶、管阀件、压力/温度传感器、控制系统等组成。

为满足下游氢燃料电池汽车制造商对行驶里程更长、承载能力更大的需求，车载高压供氢系统正逐步向大容量、多瓶组方向发展。

2）成本占比

其中，储氢瓶占系统总成本的比例最大。

就单个车载储氢瓶而言，原材料成本结构主要包括碳纤维及铝内胆等，其中碳纤维占储氢瓶总原材料成本50%以上（碳纤维2023年价格为175.6元/千克）。

3）车载高压储氢瓶

目前，车载高压储氢瓶是最为广泛使用的气态氢储存方法，是车载高压供氢系统的核心零部件之一。

• 储氢瓶的分类：按其材料可分为四种

i)纯钢制金属瓶（I型）；ii)钢制内胆纤维缠绕瓶（II型）；iii)铝内胆碳纤维缠绕瓶（III型）；及iv)塑料内胆碳纤维缠绕瓶（IV型）。

其中，III型、IV型储氢瓶主要应用于氢燃料电池汽车。现阶段，IV型储氢瓶氢瓶缠绕工艺相对复杂，核心零部件生产等一些关键技术仍被国外供应商垄断。

• 储氢瓶的实际应用情况：国内外发展有差异

从发展来说，随着70兆帕储氢技术和加氢基础设施的进步，以及对长续航和大容量车辆的需求不断增长，中国车载高压储氢瓶规格将逐步从35兆帕的III型储氢瓶拓展至70兆帕的III型及IV型储氢瓶。

4）竞争格局

中国车载高压供氢系统行业集中度高，按2023年销售额计，国内市场规模约为11亿元，前五大企业的销售额约占71.4%的市场份额。

作为子市场的车载高压储氢瓶行业呈现同样的竞争特点。2023年，按销售额计，国内车载高压储氢瓶市场规模约为8亿元，前五大参与者合计占市场的86.2%，较为集中。