受燃料電池車帶動,車載高壓儲氫瓶在未來十年將迎來快速發展期。

門,是一種保護,一層遮掩,一個界限。

推門這個動作帶來的意義則更為深遠,代表著進入了一種狀態,進入了另外一個領域。這個動作融入到我們日常生活中的點點滴滴。

上班族每日需要推開家門,推開公司大門。學生每日需要進入校門,推開教室門。

人的一生當中,同樣需要推開許多重要節點的門,如學業、事業、家庭等等。

掌握了技巧方能順利開啟,探究其中之奧妙,掌握人生真諦。相反,不得其法的后果常常是碌碌無為、雞飛狗跳,心神俱疲。

成功的秘訣在于認知能力的提升,而知識的積累是前提。

如此,方能推開多重門窺探事物的本質,積累知識、提升認知已然成為了一種客觀邏輯。

繼日前創作的——《推開萬億氫能賽道的第一重門之制氫篇》后,現推出續集——《推開萬億氫能賽道的第二重門之儲運篇》。

01 關鍵核心儲氫瓶

首先,還是得回到產業鏈條中。上一篇,我們主要對制氫技術的發展現狀,以及未來的技術路徑進行了分析,本篇繼續沿著產業鏈對儲氫、加氫進行研究。

儲氫這條細分產業鏈當中,有一個環節最為關鍵。它是運輸過程中的載具容器,也是加氫站的儲存設備,氫能源車沒有它,也談不上有燃料儲備。

這個環節便是儲氫瓶??梢哉f,儲氫瓶上連氫氣制造,中承氫氣存儲,下接氫氣應用。

然而,相較于石油、天然氣等傳統化石燃料,氫氣在儲運環節具有天然的劣勢,發展進度緩慢。

學習過中學化學的讀者都清楚,氫是周期表中排名第一的元素,氫氣的質量小,密度低,它的性質非?;钴S,既容易泄漏,也容易爆炸。

容器的構造和強度往往取決于所承裝物質的物理屬性和化學屬性。

對于這樣一種氣體,儲運顯然非常麻煩,即使沒有危險發生,也會造成相當程度的成本不經濟。

我們可以通過一個例子簡單理解——運輸一車氫氣,瓶子重量在95%以上,需求的氫氣只有5%,而且不能長距離運輸。所以這是一筆不劃算的生意。

解決問題的關鍵,正在于儲氫瓶這個設備。而它的技術路徑,則需要面對氣態儲運、液態儲運以及固態儲運三種方式。

通過技術領域的摸索,對這三種方式進行簡單比較,可以大致得到一些確定性的結論。

氣態儲運的成本較低、充放氫速度較快,但儲氫密度與運輸半徑較為有限,所以適用于短途運輸。

氫氣氣態的經濟運輸半徑局限在200公里以內,50公里以內每公斤氫運輸成本為2塊錢,0-100公里運輸成本為4塊錢/kg,運輸壓縮氫氣的魚雷車每車僅可運300kg。

相比之下,中長距離大規模運輸,主要考慮管道和液氫運輸方式。液態儲運的儲氫密度較大,但設備投資與能耗成本較高;固態儲運則在潛艇等特殊領域有所應用,整體仍處于小規模試驗階段。

就目前而言,氫氣主流的運輸方式,仍然是高壓氣態存儲。顯而易見,氫氣的儲運,必須要在儲運瓶裝更多的氫氣。這其實指明了氫氣運輸的路徑——如何增加氫氣單位體積密度。

要運輸盡可能多的氫氣,需要采取更大的壓強將氫氣裝入氫氣瓶,車載高壓儲氫瓶的壓力一般為35~70兆帕,我國現階段主要采用35兆帕,70MPa也已經逐步進入商用。

可能部分投資者對這個量級有些陌生,其實不難理解。

35MPa就是相當于350公斤體重級別的選手采用金雞獨立的姿勢只用大腳趾做支撐,踩在1平方厘米大的地方產生的力量?;蛘呖梢韵胂蟪赡阌媚愕囊桓种割^就能將當年壓死秦武王的鼎給抬起來。

我們顯然清楚,這對材料的耐壓強度提出了何等苛刻的要求。

此外,在耐壓的同時,由于運輸過程中瓶子重量不能占據太大的比例,所以無法把瓶體做得既厚且重,而是需要更換輕質材料。

因此,氫能瓶的技術方向,其實非常清晰:耐壓和減重。它需要企業從儲氫密度、輕量化等角度考慮,提升技術及相應材料。

目前從技術角度看,高壓氣態儲氫容器主要分為純鋼制金屬瓶(I型)、鋼制內膽纖維纏繞瓶(II型)、鋁內膽纖維纏繞瓶(III型)及塑料內膽纖維纏繞瓶(IV型)四級別產品。

數據來源:DOE

在這四個級別的產品之中,I型、II型產品技術最早被應用,但限于材料限制,儲氫密度低,質量重、且安全性較差,無法在35MPa條件下工作,因此已經逐步淡出市場。

相較而言,當下的主流在于III型、IV型產品,由于這兩類產品的內膽和保護層,在材料和工藝上更為先進,使得氣瓶質量輕,儲氫密度高,安全性好。

因此,從應用場景來看,I型和II型主要用在加氫站等固定儲氫上面,III型和IV型主要用在氫燃料電池汽車上。

而對III型、IV型產品進行對比,同樣存在著技術上的差異——IV型在制作過程中內膽采用樹脂,成本大幅優于采用鋁材料的III型,在未來70MPa標準趨勢下,IV型產品的降本效應更為明顯,其壽命也要長于III型。

不過,IV型產品雖優,卻也存在著技術上的難題——由于采用樹脂內膽,使得安全性大幅降低,耐熱性、氫氣滲透、容易破裂,密封等等問題對制造工藝,復合材料的開發提出了重重挑戰。

當下,中國車載儲氫瓶主要為III型(鋁內膽纖維纏繞),IV型(塑料內膽纖維纏繞)仍處于研發階段。而日、美等國家開發的車載儲氫瓶產品多為IV型,部分國家甚至已經開始研發V型儲氫瓶,即無內膽纖維纏繞,在此領域,國內仍屬空白。

比較而言,可以得出一個結論,這是一個先到先得的市場競爭形態——誰先掌握了IV型的核心技術,在未來千億的市場空間就會先人一步,率先搶占市場份額和超額收益,也能實現推動氫能發展的雙贏。

02 碳纖維——儲氫瓶的核心材料

儲氫瓶產業鏈可以簡單劃分為上游原材料和零部件,中游生產制造和下游終端應用三個環節。

其中,上游原材料包括鋁材、鋼材、碳纖維和樹脂等,零部件包括各種金屬閥門和各類傳感器;中游生產制造設備和制造工藝等;下游則是在燃料汽車、氫氣運輸罐、加氫站等場景上的應用。

從車載儲氫瓶材料成本來看,儲氫瓶的成本主要集中在外部纏繞用的碳纖維復合材料。對于儲氫質量均為5.6kg的35MPa、70MPa高壓儲氫IV型瓶成本構成來看,碳纖維復合材料成本分別占系統總成本的75%和78%。

根據DOE對車載高壓儲氫瓶項目的早期成本評估可以發現,無論是35MPa,亦或是70MPa,總體而言,III型高壓儲氫氣瓶成本都要略高于IV型,其主要原因在于,III型瓶儲罐采用大量金屬鋁材料。

與之相比,IV型瓶采用的高分子聚合物價格較低,聚合物用量也較少。Ⅲ型瓶向Ⅳ型瓶轉變,是未來的發展趨勢。

數據來源:DOE

目前,高壓儲氫瓶用碳纖維主要采用T700級及以上規格。從企業碳纖維生產企業角度來看,目前碳纖維生產企業中,日本和美國依舊占據主導地位。

在儲氫容器基礎材料方面,罐體材料實現了國產化,但是高性能碳纖維材料被日本及美國壟斷;東麗的碳纖維是全球車載儲氫瓶企業的主要供應商,中國的車載高壓儲氫瓶碳纖維基本都來自東麗。

在儲氫容器生產工藝方面,碳纖維纏繞設備與高壓罐體加工設備仍需進口,整體國產化率約50%左右。

我國碳纖維經歷近十年快速發展,重點龍頭企業和單位突破了干噴濕紡技術,實現了T700、T800以及更高級別碳纖維核心技術和關鍵裝備的自主化,并逐步拓寬了應用領域。

目前我國碳纖維企業主要以中復神鷹(688295.SH)、恒神股份、光威復材(300699.SZ)等企業為主。

目前,由于國內70MPa碳纖維纏繞IV型瓶的制備技術不成熟、規?;a難度大,因此目前成本相對較高,抑制了IV型儲氫瓶的需求。

據美國汽車研究理事會研究發現,當生產規模越大,儲氫瓶成本也就越低。如當氣瓶生產規模由1萬套提高到50萬套時,氫氣瓶成本會下降20%。未來隨著氫能源汽車的快速發展,儲氫瓶成本有望下降。

此外,瓶口閥、減壓閥等也主要依賴進口,未來這些關鍵材料和零部件將逐步實現國產化。

據《中國氫能產業發展報告2020》規劃,2022年、2025年和2030年氫燃料電池車保有量分別為1萬、10萬和100萬輛,氫燃料電池車將在客車、重卡、物流車等車型領域快速放量。

業內人士指出,2022、2025和2030年高壓儲氫瓶累計市場空間分別可達20億、119億和1118.4億元,2026~2030年單年市場空間有望超過200億。

車載高壓儲氫瓶是目前眾多儲氫設備中,技術相對成熟,已經具備商業化程度的一種儲氫設備。受燃料電池車帶動,車載高壓儲氫瓶在未來十年將迎來快速發展期。