受燃料電池車帶動(dòng)，車載高壓儲(chǔ)氫瓶在未來(lái)十年將迎來(lái)快速發(fā)展期。
門，是一種保護(hù)，一層遮掩，一個(gè)界限。
推門這個(gè)動(dòng)作帶來(lái)的意義則更為深遠(yuǎn)，代表著進(jìn)入了一種狀態(tài)，進(jìn)入了另外一個(gè)領(lǐng)域。這個(gè)動(dòng)作融入到我們?nèi)粘Ｉ钪械狞c(diǎn)點(diǎn)滴滴。
上班族每日需要推開家門，推開公司大門。學(xué)生每日需要進(jìn)入校門，推開教室門。
人的一生當(dāng)中，同樣需要推開許多重要節(jié)點(diǎn)的門，如學(xué)業(yè)、事業(yè)、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(wú)為、雞飛狗跳，心神俱疲。
成功的秘訣在于認(rèn)知能力的提升，而知識(shí)的積累是前提。
如此，方能推開多重門窺探事物的本質(zhì)，積累知識(shí)、提升認(rèn)知已然成為了一種客觀邏輯。
繼日前創(chuàng)作的——《推開萬(wàn)億氫能賽道的第一重門之制氫篇》后，現(xiàn)推出續(xù)集——《推開萬(wàn)億氫能賽道的第二重門之儲(chǔ)運(yùn)篇》。
關(guān)鍵核心儲(chǔ)氫瓶
首先，還是得回到產(chǎn)業(yè)鏈條中。上一篇，我們主要對(duì)制氫技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以及未來(lái)的技術(shù)路徑進(jìn)行了分析，本篇繼續(xù)沿著產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)儲(chǔ)氫、加氫進(jìn)行研究。
儲(chǔ)氫這條細(xì)分產(chǎn)業(yè)鏈當(dāng)中，有一個(gè)環(huán)節(jié)最為關(guān)鍵。它是運(yùn)輸過(guò)程中的載具容器，也是加氫站的儲(chǔ)存設(shè)備，氫能源車沒(méi)有它，也談不上有燃料儲(chǔ)備。
這個(gè)環(huán)節(jié)便是儲(chǔ)氫瓶。可以說(shuō)，儲(chǔ)氫瓶上連氫氣制造，中承氫氣存儲(chǔ)，下接氫氣應(yīng)用。
然而，相較于石油、天然氣等傳統(tǒng)化石燃料，氫氣在儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)具有天然的劣勢(shì)，發(fā)展進(jìn)度緩慢。
學(xué)習(xí)過(guò)中學(xué)化學(xué)的讀者都清楚，氫是周期表中排名第一的元素，氫氣的質(zhì)量小，密度低，它的性質(zhì)非?；钴S，既容易泄漏，也容易爆炸。
容器的構(gòu)造和強(qiáng)度往往取決于所承裝物質(zhì)的物理屬性和化學(xué)屬性。
對(duì)于這樣一種氣體，儲(chǔ)運(yùn)顯然非常麻煩，即使沒(méi)有危險(xiǎn)發(fā)生，也會(huì)造成相當(dāng)程度的成本不經(jīng)濟(jì)。
我們可以通過(guò)一個(gè)例子簡(jiǎn)單理解——運(yùn)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(zhǎng)距離運(yùn)輸。所以這是一筆不劃算的生意。
解決問(wèn)題的關(guān)鍵，正在于儲(chǔ)氫瓶這個(gè)設(shè)備。而它的技術(shù)路徑，則需要面對(duì)氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)以及固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)三種方式。
通過(guò)技術(shù)領(lǐng)域的摸索，對(duì)這三種方式進(jìn)行簡(jiǎn)單比較，可以大致得到一些確定性的結(jié)論。
氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)的成本較低、充放氫速度較快，但儲(chǔ)氫密度與運(yùn)輸半徑較為有限，所以適用于短途運(yùn)輸。
氫氣氣態(tài)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸半徑局限在200公里以內(nèi)，50公里以內(nèi)每公斤氫運(yùn)輸成本為2塊錢，0-100公里運(yùn)輸成本為4塊錢/kg，運(yùn)輸壓縮氫氣的魚雷車每車僅可運(yùn)300kg。
相比之下，中長(zhǎng)距離大規(guī)模運(yùn)輸，主要考慮管道和液氫運(yùn)輸方式。液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)的儲(chǔ)氫密度較大，但設(shè)備投資與能耗成本較高;固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)則在潛艇等特殊領(lǐng)域有所應(yīng)用，整體仍處于小規(guī)模試驗(yàn)階段。
就目前而言，氫氣主流的運(yùn)輸方式，仍然是高壓氣態(tài)存儲(chǔ)。顯而易見，氫氣的儲(chǔ)運(yùn)，必須要在儲(chǔ)運(yùn)瓶裝更多的氫氣。這其實(shí)指明了氫氣運(yùn)輸?shù)穆窂?mdash;—如何增加氫氣單位體積密度。
要運(yùn)輸盡可能多的氫氣，需要采取更大的壓強(qiáng)將氫氣裝入氫氣瓶，車載高壓儲(chǔ)氫瓶的壓力一般為35~70兆帕，我國(guó)現(xiàn)階段主要采用35兆帕，70MPa也已經(jīng)逐步進(jìn)入商用。
可能部分投資者對(duì)這個(gè)量級(jí)有些陌生，其實(shí)不難理解。
35MPa就是相當(dāng)于350公斤體重級(jí)別的選手采用金雞獨(dú)立的姿勢(shì)只用大腳趾做支撐，踩在1平方厘米大的地方產(chǎn)生的力量?；蛘呖梢韵胂蟪赡阌媚愕囊桓种割^就能將當(dāng)年壓死秦武王的鼎給抬起來(lái)。
我們顯然清楚，這對(duì)材料的耐壓強(qiáng)度提出了何等苛刻的要求。
此外，在耐壓的同時(shí)，由于運(yùn)輸過(guò)程中瓶子重量不能占據(jù)太大的比例，所以無(wú)法把瓶體做得既厚且重，而是需要更換輕質(zhì)材料。
因此，氫能瓶的技術(shù)方向，其實(shí)非常清晰：耐壓和減重。它需要企業(yè)從儲(chǔ)氫密度、輕量化等角度考慮，提升技術(shù)及相應(yīng)材料。
目前從技術(shù)角度看，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫容器主要分為純鋼制金屬瓶(I型)、鋼制內(nèi)膽纖維纏繞瓶(II型)、鋁內(nèi)膽纖維纏繞瓶(III型)及塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶(IV型)四級(jí)別產(chǎn)品。
在這四個(gè)級(jí)別的產(chǎn)品之中，I型、II型產(chǎn)品技術(shù)最早被應(yīng)用，但限于材料限制，儲(chǔ)氫密度低，質(zhì)量重、且安全性較差，無(wú)法在35MPa條件下工作，因此已經(jīng)逐步淡出市場(chǎng)。
相較而言，當(dāng)下的主流在于III型、IV型產(chǎn)品，由于這兩類產(chǎn)品的內(nèi)膽和保護(hù)層，在材料和工藝上更為先進(jìn)，使得氣瓶質(zhì)量輕，儲(chǔ)氫密度高，安全性好。
因此，從應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，I型和II型主要用在加氫站等固定儲(chǔ)氫上面，III型和IV型主要用在氫燃料電池汽車上。
而對(duì)III型、IV型產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，同樣存在著技術(shù)上的差異——IV型在制作過(guò)程中內(nèi)膽采用樹脂，成本大幅優(yōu)于采用鋁材料的III型，在未來(lái)70MPa標(biāo)準(zhǔn)趨勢(shì)下，IV型產(chǎn)品的降本效應(yīng)更為明顯，其壽命也要長(zhǎng)于III型。
不過(guò)，IV型產(chǎn)品雖優(yōu)，卻也存在著技術(shù)上的難題——由于采用樹脂內(nèi)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(wèn)題對(duì)制造工藝，復(fù)合材料的開發(fā)提出了重重挑戰(zhàn)。
當(dāng)下，中國(guó)車載儲(chǔ)氫瓶主要為III型(鋁內(nèi)膽纖維纏繞)，IV型(塑料內(nèi)膽纖維纏繞)仍處于研發(fā)階段。而日、美等國(guó)家開發(fā)的車載儲(chǔ)氫瓶產(chǎn)品多為IV型，部分國(guó)家甚至已經(jīng)開始研發(fā)V型儲(chǔ)氫瓶，即無(wú)內(nèi)膽纖維纏繞，在此領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)仍屬空白。
比較而言，可以得出一個(gè)結(jié)論，這是一個(gè)先到先得的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)形態(tài)——誰(shuí)先掌握了IV型的核心技術(shù)，在未來(lái)千億的市場(chǎng)空間就會(huì)先人一步，率先搶占市場(chǎng)份額和超額收益，也能實(shí)現(xiàn)推動(dòng)氫能發(fā)展的雙贏。
碳纖維——儲(chǔ)氫瓶的核心材料
儲(chǔ)氫瓶產(chǎn)業(yè)鏈可以簡(jiǎn)單劃分為上游原材料和零部件，中游生產(chǎn)制造和下游終端應(yīng)用三個(gè)環(huán)節(jié)。
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(chǎn)制造設(shè)備和制造工藝等;下游則是在燃料汽車、氫氣運(yùn)輸罐、加氫站等場(chǎng)景上的應(yīng)用。
從車載儲(chǔ)氫瓶材料成本來(lái)看，儲(chǔ)氫瓶的成本主要集中在外部纏繞用的碳纖維復(fù)合材料。對(duì)于儲(chǔ)氫質(zhì)量均為5.6kg的35MPa、70MPa高壓儲(chǔ)氫IV型瓶成本構(gòu)成來(lái)看，碳纖維復(fù)合材料成本分別占系統(tǒng)總成本的75%和78%。
根據(jù)DOE對(duì)車載高壓儲(chǔ)氫瓶項(xiàng)目的早期成本評(píng)估可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是35MPa，亦或是70MPa，總體而言，III型高壓儲(chǔ)氫氣瓶成本都要略高于IV型，其主要原因在于，III型瓶?jī)?chǔ)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(jià)格較低，聚合物用量也較少。Ⅲ型瓶向Ⅳ型瓶轉(zhuǎn)變，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
目前，高壓儲(chǔ)氫瓶用碳纖維主要采用T700級(jí)及以上規(guī)格。從企業(yè)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)角度來(lái)看，目前碳纖維生產(chǎn)企業(yè)中，日本和美國(guó)依舊占據(jù)主導(dǎo)地位。
在儲(chǔ)氫容器基礎(chǔ)材料方面，罐體材料實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，但是高性能碳纖維材料被日本及美國(guó)壟斷;東麗的碳纖維是全球車載儲(chǔ)氫瓶企業(yè)的主要供應(yīng)商，中國(guó)的車載高壓儲(chǔ)氫瓶碳纖維基本都來(lái)自東麗。
在儲(chǔ)氫容器生產(chǎn)工藝方面，碳纖維纏繞設(shè)備與高壓罐體加工設(shè)備仍需進(jìn)口，整體國(guó)產(chǎn)化率約50%左右。
我國(guó)碳纖維經(jīng)歷近十年快速發(fā)展，重點(diǎn)龍頭企業(yè)和單位突破了干噴濕紡技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了T700、T800以及更高級(jí)別碳纖維核心技術(shù)和關(guān)鍵裝備的自主化，并逐步拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域。
目前我國(guó)碳纖維企業(yè)主要以中復(fù)神鷹(SH：688295)、恒神股份、光威復(fù)材(SZ：300699)等企業(yè)為主。
目前，由于國(guó)內(nèi)70MPa碳纖維纏繞IV型瓶的制備技術(shù)不成熟、規(guī)?；a(chǎn)難度大，因此目前成本相對(duì)較高，抑制了IV型儲(chǔ)氫瓶的需求。
據(jù)美國(guó)汽車研究理事會(huì)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模越大，儲(chǔ)氫瓶成本也就越低。如當(dāng)氣瓶生產(chǎn)規(guī)模由1萬(wàn)套提高到50萬(wàn)套時(shí)，氫氣瓶成本會(huì)下降20%。未來(lái)隨著氫能源汽車的快速發(fā)展，儲(chǔ)氫瓶成本有望下降。
此外，瓶口閥、減壓閥等也主要依賴進(jìn)口，未來(lái)這些關(guān)鍵材料和零部件將逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。
據(jù)《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告2020》規(guī)劃，2022年、2025年和2030年氫燃料電池車保有量分別為1萬(wàn)、10萬(wàn)和100萬(wàn)輛，氫燃料電池車將在客車、重卡、物流車等車型領(lǐng)域快速放量。
業(yè)內(nèi)人士指出，2022、2025和2030年高壓儲(chǔ)氫瓶累計(jì)市場(chǎng)空間分別可達(dá)20億、119億和1118.4億元，2026～2030年單年市場(chǎng)空間有望超過(guò)200億。
車載高壓儲(chǔ)氫瓶是目前眾多儲(chǔ)氫設(shè)備中，技術(shù)相對(duì)成熟，已經(jīng)具備商業(yè)化程度的一種儲(chǔ)氫設(shè)備。受燃料電池車帶動(dòng)，車載高壓儲(chǔ)氫瓶在未來(lái)十年將迎來(lái)快速發(fā)展期。
