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氢储运技术是氢能利用中的关键一环,也是制约氢能走向规模化应用的最大难点。氢储运是指将制得的氢气进行压缩或液化后储存，再通过车载或管道等方式运输至下游加氢站、化工企业等应用领域。该环节是连接上游供给及下游需求的关键，是整个产业链环节中的必不可少的一环。氢原子半径很小且非常活跃，导致储运技术难度较高。在“制、储、运、加、用”的氢能全产业链中，储运环节成本超过30%，大大限制了氢能在下游领域的应用，如何实现低成本、安全、高效的储运氢，是氢能产业未来发展的重要方向。
目前，储氢方式主要有三种，分别是气态储氢、液态储氢和固态储氢。其中，高压气态储氢是国内应用最广泛的储氢方式，低温液态储氢、固态储氢逐渐进入示范应用阶段。高压气态储氢高压气态储氢是指通过高压压缩的方式存储气态氢，其储存方式是采用高压将氢气压缩到容器里，通常由钢、铝、碳/玻璃纤维、高分子材料等制成。高压气态储氢具有技术成熟、运输成本相对低廉、充放速度快、操作方便快捷等优点。但受高压和氢元素特性影响，运输材料易发生氢脆，存在泄露风险，同时储氢体积密度低。高压气态储氢关键设备为压缩机和储氢瓶。氢气压缩机主要作用为通过提高氢气储存密度和压力将氢气压缩成高压氢气。压缩机在整个氢能产业链中应用广泛，氢气生产环节中制氢厂需将氢气压缩至相应的储氢瓶中；在管道运输中，需要在运输途中使用氢压机为氢气提供动力；氢气送至加氢站及下游应用端后，需要经过压缩机进行再次压缩储存。
图 1 压缩机应用场景
氢气储运环节中常用的两种压缩机为隔膜压缩机和液驱压缩机。隔膜压缩机通过膜片在液压油的推动下来回摆动，从而完成吸气、压缩、排气循环往复的过程。隔膜式压缩机技术国内应用成熟度较高，具有气体无污染、无泄漏、压缩比较好的优点，成为当前市场主流，在氢气压缩机市场份额达到70%，其中在充装压缩领域占比达到90%以上，在加氢站压缩领域占比超过60%。液驱活塞式压缩机利用液压油驱动活塞往复运动从而实现气体的压缩，具有结构简单、体积较小等优点，且启停不影响压缩机寿命，目前主要应用于撬装式加氢站。
图 2 压缩机类型及对比
（一）氢气压缩机逐渐向高压、大排量、国产化发展
下游需求倒逼压缩机逐步向高压、大排量方向转变。随着下游燃料汽车氢气加注压力的提升续航里程不断提升，加注压力为70MPa的燃料汽车的续航里程为35MPa的1.6倍之多，倒逼加氢站的压缩机由目前主流的35MPa压缩机提升至70Mpa。同时加氢站为满足大规模车队在有限的场地上加注，最佳路径为增大压缩机的排量，随着压缩机的排出压力及排量的增加，压缩效率有望进一步提升。液驱式压缩机渗透率提升空间较大。在大排量压缩机成为未来趋势的背景下，液驱式压缩机凭借排量高、模块化设计、体积相对小、维修简单、密封件寿命高等特点，近两年关注度不断提升，未来液驱式压缩机需求有望保持高增。国产化替代趋势明确。目前加氢站压缩机成本约占加氢站建设设备总成本的30%，进口压缩机售价为300-500万元，而国产压缩机售价仅为100-200万元，过去加氢站中进口压缩机占比约为70%，随着国产品牌技术迭代及产品性价比提升，目前加氢站国产品牌占有率达到50%，未来随着加氢站对压缩机性价比及产品售后维修要求的提高，国产品牌替代空间有望进一步提升。
（二）国内氢压机企业布局加速
随着加氢站建设速度的加快叠加制氢项目迅速落地，氢气压缩机未来几年的需求将迎来快速增长。国内氢压机行业龙头企业为中鼎恒盛，在大流量氢气充装压缩机领域市占率高达90%，在加氢站压缩机领域市占率为30%。2021年以来氢压机企业布局明显提速，多家企业中标氢压机采购项目。
图 3 氢压机项目情况统计
（三）储氢瓶为氢能储存的重要容器
储氢瓶为氢能储存的重要容器，高压气态储氢技术通过储氢瓶实现氢气的储存和释放。根据内部结构选取材料的不同储氢瓶主要分为纯钢制金属瓶（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）。储氢瓶内部主要由内胆、中间层、表层三部分组成，内胆是储氢气瓶的核心部件，主要作用为阻隔氢气，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型储氢瓶内胆大多为金属材料，但氢气与金属材料接触会产生氢脆效应使金属塑性下降、诱发裂纹甚至开裂的现象，不适合长期储存，Ⅳ型储氢瓶内胆采用塑料等复合材料，耐氢气渗透性和耐热性较好。中间层是比较厚的耐压层，主要作用为承压，碳纤维凭借较好的拉伸强度及较轻的重量广泛用于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型瓶中的中间层，表层一般使用玻纤等包裹材料用于保护内部结构。
（四）储氢瓶将逐步实现
由I、II、III型向IV型瓶的产品迭代目前I型、II型储氢瓶发展成熟、成本较低，但由于储氢密度较低、质量较大、氢脆问题严重，难以满足车载储氢的要求，通常用于加氢站等固定储氢领域。III型、IV型高压储氢瓶通过使用铝合金、塑料内胆、碳纤维等复合材料代替传统金属材料从而减轻储氢瓶质量提升单位质量储氢密度。未来随着行业对储氢要求的不断提升，储氢瓶将逐步实现由I型、II型向III型、IV型的产品迭代。
图 4 I-IV型储氢瓶参数
对比IV型储氢瓶高储氢质量密度、低成本等优势明显。目前35MpaⅢ型储氢瓶成本为3921美元，而35Mpa Ⅳ型储氢瓶成本为2865美元，成本下降27%，主要系III型瓶储罐采用大量金属铝材料，而IV型瓶采用价格较低的高分子聚合物并且用量较少。在Ⅲ、Ⅳ型储氢瓶成本中，碳纤维复合材料成本占比最大，其中Ⅲ型储氢瓶碳纤维成本占比达到66%，Ⅳ型储氢瓶碳纤维成本占比为78%，同时随着储氢压力的提升碳纤维用量逐步增加，35MpaⅢ型储氢瓶碳纤维成本为3084美元，70 MpaⅢ型储氢瓶碳纤维成本为3921美元，涨幅达到27%。目前IV型瓶已经广泛应用于海外车载领域，而国内发展较慢，主要原因为国内技术落后以及我国氢燃料汽车大部分应用于商用车领域，商用车对储氢瓶的重量及储氢效率敏感度较低所以IV型瓶优势无法体现，并且碳纤维材料、碳纤维缠绕设备与高压罐体等加工设备高度依赖进口也成为阻碍我国IV型瓶发展的重要因素。未来随着设备材料逐步实现国产化替代及规模化生产，IV型瓶成本有望下降至III型瓶成本的0.6倍左右，产品迭代逐步提速。
图 5 Ⅲ、IV型储氢瓶成本拆分
（五）商业化应用情况
1、高压气态储氢技术成熟，应用广泛。
目前高压气态储氢技术主要应用在运输领域，加氢站和燃料电池车上均应用高压储氢瓶作为储氢装置。
2、加氢站通常使用纯钢制造的I型瓶和II型瓶（钢制内胆，纤维环向缠绕），工作压力在17.5-30MPa，体积较大。
加氢站配置250kg的储氢装置成本约为170-200万元以上，折合单位储氢价格约为6000- 8000元/公斤。
3、车载储氢瓶主要分III型瓶和IV型瓶两种。
III型瓶压强为35MPa，内胆采用铝合金/钢，包裹材料为碳纤维或者混合碳/玻璃纤维复合材料。IV型瓶压强为70MPa，内胆采用聚合物（一般包括尼龙，高密度聚乙烯（HDPE），PET聚酯塑料/PA聚酰胺），外部包裹材料主要是碳纤维或者混合碳/玻璃纤维复合材料。国内氢燃料电池汽车配备的储氢罐主要以35MPa的Ⅲ型瓶为主，而70MPa的IV型高压储氢罐，国外已经实应用，国内尚未批准。在燃料电池车上应用的高压储氢瓶按照储氢质量折算，35MPa的单价3500-5000元/kg，70MPa的8000-10000元/kg。
图 6 各种高压气态储氢瓶、罐分类及特点
低温液态储氢商业化进一步加快
液态储氢技术是采用低温技术将氢气冷却到液化温度（标准大气压下，-253℃）以下，以液体形式储存在高度真空的绝热容器中。低温液态储氢的体积储氢密度高,液氢密度达到70.78kg/m³，是标准情况下氢气密度的850倍左右，适用于距离较远、运输量较大的场合。但液化过程能耗非常高，液化1kg氢气大概需要11~12度电，而高压气态储氢大概只需要2度电。相比于高压气态储氢，低温液态储氢质量密度更大，储存氢气纯度更高。但为了保证低温、高压条件，低温液态储氢需使用具有良好绝热性能的液氢储罐以及配套严格的绝热方案与冷却设备，同时氢气液化工程中能耗较大使得低温液态储氢成本较高，低温液化储氢的单位成本为高压气态储氢单位成本的2倍左右，目前低温液态储氢主要应用于军事航天等对氢气纯度要求较高的领域，未来随着液化能耗的减少及保温效率的提升，低温液态储氢商业化进展有望加快。
图 7 不同储氢技术单位成本对比
商业化应用情况
（一）低温液态储氢技术目前美国、日本等已经实现了大规模的商业应用，国内应用最早起步于军事、航天等领域。随着近年来国内氢能产业兴起，民用液氢领域现已汇聚中科富海、航天101所、国富氢能、鸿达兴业等一批科研机构和企业，在相关技术上屡获重大突破；同时国家已发布液氢生产、贮存和运输的国家标准，这使液氢民用有标可依，实现了我国液氢产业民用领域标准零突破，为液氢进入市场化发展提供重要支撑。
（二）液氢槽罐车价格为350万/台，可储存4300公斤液氢，液化过程耗电约为15KWh/kg。
（三）2021年1月，清华联手北汽福田的全球首辆35吨级、49吨级分布式驱动液氢燃料电池重型商用车成功问世，顺利通过综合测试。2021年2月，上海重塑、佛燃能源、国富氢能、泰极动力签署协议在佛山合作推进“液氢储氢加氢站项目。
固态储氢研发有望提速
根据全球风能理事会（GWEC）发布的《2023年全球风能报告》显示，2022年全球风电新增吊装容量达到77.6GW，其中陆上风电装机68.8GW;海上风电装机8.8GW。固态储氢技术是通过物理或化学方式使氢气与某些金属或合金反应以后可以生成金属氢化物，来实现氢气的储存，生成的金属氢化物在加热后再释放氢。从材料分类上有金属合金、碳材料等。金属氢化物合金又可细分为稀土系、钛铁/锰系、钒系和镁系等。固态储氢的储氢密度可以达到标准状态下氢气的1000倍，超过低温液态储氢。
商业化应用情况
（一）固态储氢从体积储氢密度、安全性等因素考虑，是最具商业化发展前景的储存方式之一。
（二）固态储氢目前在交通领域起步相对较早，氢能自行车、两轮车、燃料电池叉车、加氢站均有示范项目；国内企业如厚普股份也在开发车载固态储氢瓶，目前钛系储氢装置售价在2万元/kg，未来希望通过规模化生产，降至8000元/kg以内。
（三）固态储氢在电力调峰领域也有示范项目，包括华电集团、云南电科院、有研科技集团等在四川泸定、昆明、张家口建设了相关示范项目。
（四）在备用电源领域，应用于数据中心、医院、社区等工商业的示范项目。
（五）在工业领域：目前化工上使用的是高压储气罐，安全性存在挑战、复杂度很高。而固态储氢可以作为长期的储存，减轻安全压力；还可以实现工业副产氢净化-储运一体化。一辆储运车可直接充装和纯化1.2吨氢气，得到99.999%的高纯氢，有效降低储运成本。
图 8 国内固态储氢发展情况
固态储氢具有高体积密度、高安全性、快速冲放氢等优点，适合长距离运输。按照原理，固态储氢分为吸附储氢和化学储氢两大类。
（一）吸附储氢：
利用范德华力在比表面积较大的多孔材料上进行氢气的吸附。多孔材料能够实现快速吸氢-放氢，同时物理吸附活化能小，氢气吸附量仅受储氢材料物理结构因素影响。
主要的吸附储氢材料包括：
1、碳基材料:石墨烯、碳纳米管、富勒烯等；
2、金属骨架化合物（MOF），具有高孔隙率、高比表面积、高孔径调控性、高孔形状调控性、高功能基团调控性；
3、多孔聚合物。
（二）化学储氢：
主要材料包括：
1、储氢合金:镁基、LaNi5、TiFe等；
2、配位氢化物: LiBH4、NaAlH4等；
3、有机化合物：氨硼烷；
4、氨基/亚氨基化物。
以镁基储氢材料为例，吸氢反应动力学过程可以分为四个步骤：
1、在范德华力作用下，氢分子吸附于金属表面；
2、氢分子解离为H原子；
3、H原子从表面向金属内部扩散，进入金属原子结构间隙；
4、随着体相中H原子浓度的增长，开始形成α相固溶体，随着氢原子浓度继续增加，产生β相金属氢化物。
吸放氢是一个多元、多相的气—固反应过程，每个反应阶段具有不同的能垒。放氢过程：反应步骤为上述的逆反应，需要对储氢材料进行处理,如调节温度、压力等条件。
短期车载储氢满足需求，液氢管道运输趋势明确
（一）车载运氢是目前运氢的主要方式
目前随着下游氢能需求的不断增加以及制氢企业与使用氢气的企业分布不均匀，氢气的运输成为氢能发展道路上的关键一环。氢气的运输环节在氢气总成本中占比达到20%-30%，氢气的的运输方式主要由氢气的储存形式及运输距离决定。高压气体储氢主要通过长管拖车和管道运输两种方式，长管拖车适合短距离、小规模的氢气运输，管道运输适合大规模、长距离的氢气运输，目前由于我国氢能处于发展初期，基础设施建设不完善，长管拖车仍为主流的运氢选择。低温液体储氢主要通过液氢槽车进行运输，适用于长距离、输运量大、氢气纯度要求高的氢气运输，目前我国液氢槽车运输主要用于航天及军事等细分领域，海外液氢槽车运输发展较为成熟应用广泛。
图 9 不同氢气运输方式对比
（二）长管拖车目前是我国氢气运输的主流选择
长管拖车技术成熟，为目前我国氢气运输的主要方式。制氢厂制得的氢气在通过压缩机高压压缩后储存在储氢瓶中，然后由长管拖车运输。长管拖车通常具有 6~10 个大容积储氢瓶，但由于氢气密度小，而储氢压力容器自重大，所以最终拖车所运氢气的质量只占总运输质量的 1%~2%，运输量大约为260-460kg/车。长管拖车目前只适用于运输距离较近(运输半径300公里)、输送量较低的运输场景，随着运输距离从50公里提升至500公里，长管拖车成本由4.3元/kg提升至17.9元/kg，其中人工费用和油费是导致长管拖车成本快速增加的主要影响因素。
图 10 随着运输距离的提升，长管拖车成本快速上升
（三）管道运氢是未来大规模、长距离运氢的必然趋势
随着未来氢气需求的不断增加，管道运氢是实现大规模、长距离输氢的主要方式。管道储氢相较于长管拖车具有运输体量大、距离远、能耗损失低、经济高效等多重优势。但其铺设难度大、投资成本较高，当运输距离由150公里提升至550 公里时，氢气管道投资建设费用由9.6亿提升至35.43亿。我国管道运输研究起步相对较晚，输氢管道规模较小，总里程约400公里，在用管道仅有百公里左右，主要由中国石油、中国石化、国家电投等大型国企建设，在化工园区内应用为主。海外氢气管道起步较早，目前全球氢气输送管道总里程已超过5000km，美国输氢管道总里程已超过2700km排名第一，欧洲氢气输送管道长度也达到1770km，未来随着氢气需求不断提升，我国管道输氢的必要性将不断凸显，根据《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》测算，2030年我国氢气管道总里程将达到3000公里。
图 11 管道运输初始投资成本较高
（四）短期内管道运氢技术成熟度较低、初始投资成本较高
目前制约管道运氢发展的主要因素为技术因素和投资成本因素。技术方面，受气体性质差异、掺氢比、管道材质和外部环境等影响，氢气进入管道后容易产生氢脆、渗透和泄漏等风险，所以未来低成本、高强度的抗氢脆材料、高性能的氢能管道的设计制造技术以及应急和维护的技术将成为关键。同时目前我国管道复合材料、氢气计量的设备阀门、仪表等核心设备材料依赖进口，未来相关装备国产化有望成为趋势。投资成本方面，由于纯氢管道初始投资较大，氢气长输管道的造价约为30-95万美元/公里，高于天然气管道价格数倍，不适合作为氢能发展的初期使用，利用天然气管道或管网输送掺氢天然气可实现我国现有在役天然气管道和城市输配气管网的充分利用，便于氢气大范围、长距离、低成本运送，目前我国已顺利开展运营多个掺氢管道项目，未来有望快速实现掺氢的商业化及由掺氢到纯氢运输的过渡。
图 12 天然气掺氢为目前管道运输的主流选择
（五）未来液氢运输渗透率有望提升
低温液态氢气储运相较于高压气态氢气储运的优势在于运输成本低、纯度高、计量方便等，液氢一般采用车辆或船舶运输，液氢槽车是液氢运输的关键设备，当槽罐车容量为65m3时可运输4000 kg的氢气。相较于气氢运输分散生产后进行运输，液氢一般采用集中生产统一运输的方式。当氢气深冷至 20 K 液化后能量密度远大于气氢，所以液氢需要的公路运力远小于气氢，日本的液氢和气氢对公路车运力要求为 1∶6，而美国则高达 1∶20。目前我国由于没有先进的大规模氢液化工厂，气氢运输在总成本上尚占据优势，当运输距离从50公里提升至500公里时，液氢槽车的运输价格在13.51-14.31元/kg范围内小幅提升。但美日等发达国家已经将液氢的储运成本降低到高压气氢的八分之一左右，随着我国氢气液化产能的不断提升，液氢储运未来有望成为我国氢能运输的一种重要方式。
（六）随着氢气需求的提升，逐渐实现
由长管拖车向管道运氢的转换氢能运输成本与储运距离和储运量有着密切关系，通过对长管拖车、管道运输及液氢运输三种运输方式成本进行对比，短期来看，在短距离（300公里以内的城市内）低用量运氢方面，高压气态长管拖车成本低于低温液态储运成本，符合目前我国氢能发展初期的要求。中期来看，在中距离（300公里以上的城际间）低用量运氢方面，低温液态储运成本低于高压气态长管拖车成本，未来随着氢能需求逐步增加及氢气液化产能、技术的不断提升，液氢储运渗透率将逐步提升。长期来看，管道运输成本最低，未来随着大规模、长距离运氢成为趋势，管道运氢将成为主流选择。
图 12 天然气掺氢为目前管道运输的主流选择
来源：白云新能源
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