《财经智库》发布 | 佛山氢能及燃料电池产业链供应链调研报告

文/张进华     

2021年03月31日 23:20  

本文8017字,约11分钟

燃料电池与燃料电池汽车是实现氢能发展愿景的关键突破口。燃料电池汽车发展除汽车、燃料电池等技术和产业外,需要全新的氢能源制取和供给等新兴产业和新型基础设施保障,需要强化区域联合,应在大湾区范围内构建区域级燃料电池汽车应用环境,形成“特色鲜明、各有侧重、区域联合、协同突破”的产业发展和应用示范格局。

编者:

产业链供应链不仅是疫情下制造业各行业竞争的制胜要素,更是国家资源配置能力的体现,是维持经济稳定和加强社会韧性关键。当前,产业链供应链的稳定性与竞争性已被提到国家战略安全的高度,成为国家的重点工作任务之一。

佛山工业体系齐全,产业链供应链的厘清、补齐短板和锻造长板,对于未来制造业发展至关重要,亦关乎到佛山经济发展的韧性。《财经智库》针对佛山现有的优势成熟行业以及具有发展潜力的八个行业,即高端数控机床、塑料加工和注塑机、工业机器人、陶瓷及陶瓷机械、有色金属加工、智能家电、动力电池、氢能的产业链供应链展开了调研。

《财经智库》携手八个行业的资深专家,着眼于全球和中国的产业链供应链情况,挖掘佛山 “卡脖子”问题,探讨佛山如何突破,如何升级,并基于上述研究完成了《全球变局下的佛山重点行业产业链供应链调研报告》的写作。《财经智库》将陆续发布报告文章,以飨读者,并希望对中国制造业高质量发展,构建和优化“双循环”格局有所裨益。

——《财经智库》

氢能被视为清洁的二次能源。近年来,氢能因其可以促进一个国家或地区实现清洁的、可持续的经济发展而受到高度关注。氢能产业已成为全球能源技术革命的重要方向,是各发达经济体未来能源战略的重要组成部分,也是交通出行领域电动化低碳零碳化发展的重要发展路径。

燃料电池与燃料电池汽车是实现氢能发展愿景的关键突破口,包括我国在内的世界各主要经济体均出台了专项规划,确定了中长期的燃料电池汽车、加氢基础设施建设等目标,以期推动燃料电池汽车产业的发展,进而拉动氢能产业的发展。

发展燃料电池汽车是我国新能源汽车战略的重要组成部分,是实现长途重载商用车零排放的最佳技术路径。当前,我国中重型商用车(客车、中重卡车、物流车等)保有量占我国汽车保有量的5%左右,但产生的二氧化碳排放占比近50%,消耗我国近40%的成品油。以燃料电池技术有效解决商用车的排放污染问题,对实现碳达峰、碳中和的国家目标具有重大战略意义。

佛山的氢能产业起步早、政策支持力度大,已经形成了较齐全的产业链,但在产业链的源头氢的制取和储运方面存在短板;产业链布局应结合已有的产业基础或技术资源,有所为有所不为。

一、佛山氢能产业概要及在中国的地位

1、中国氢能产业概况

我国在“十五”到“十三五”连续4个五年计划支持氢能及燃料电池汽车产业发展,目前已初步掌握关键材料、部件及动力系统部分核心技术。

自2009年开始通过新能源汽车推广应用补贴燃料电池汽车。2016-2019年,我国燃料电池汽车年产量从629辆提升至3022辆,年均复合增长率达到69%。

近两年,我国氢能与燃料电池汽车产业迎来新的发展契机。2019年3月,氢能源首次写入《政府工作报告》,明确将推动加氢等设施建设。2020年4月,国家能源局发布《中华人民共和国能源法(征求意见稿)》,氢能被列为能源范畴。2020年6月,氢能先后被写入《2020年国民经济和社会发展计划》、《2020年能源工作指导意见》。

2020年9月,财政部等五部门联合发布了《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》,将原购置补贴调整为选择部分符合条件的城市群,开展核心技术产业化攻关和示范应用。2020年11月,国务院办公厅正式印发《新能源汽车产业发展规划(2021〜2035年)》,明确提出到2035年燃料电池汽车实现商业化应用。

在政策推动下,我国氢能与燃料电池汽车产业将有大的发展空间。有机构预测,2030年、2050年燃料电池汽车市场空间将分别达到3000亿元、7000亿元,系统关键零部件市场空间突破2000亿、3000亿,氢燃料电池+系统市场空间有望在2050年突破万亿,具有重大的产业价值、经济价值和战略价值。围绕氢能源的产业链发展与升级,未来还将推动船舶、无人机、储能、电力等领域的应用创新和开拓。

2、氢能与燃料电池产业链分析

氢能与燃料电池产业链可以为三部分:上游产业,制氢;中游产业:储氢、运氢、加氢;下游终端应用,包括燃料电池电堆等核心装备的制造业供应链;燃料电池整车生产与销售环节,包括乘用车和商用车。

(1)上游:制氢环节

在制氢环节,我国的技术水平相对成熟,和发达国家差距不大。主要技术路线是工业副产氢、化石能源制氢和电解水制氢等。

从供给量看,我国车用氢能主要来自焦化、氯碱等产品生产过程的副产氢,经提纯后用于燃料电池汽车。

从成本角度看,煤气化制氢技术的成本最低,工业副产氢次之,可再生能源制氢最高。煤气化制氢每小时产能54万标方合成气的装置,在原料煤(6000大卡,含碳量80%以上)价格600元/吨的情况下,制氢成本约8.85元/千克。工业副产氢的综合成本在10-16元/千克之间。电解水制氢成本为30-40元/千克,电价高是造成电解水成本高的主要原因,电价占其总成本的70%以上。

具体在制氢环节企业有:煤炭(神华集团)、天然气(新奥能源控股有限公司)、电解(长江电力股份有限公司、新奥能源控股有限公司);

提氢环节企业有:焦炉气提纯(山西美锦能源股份有限公司)、氯碱副产气体提纯(新疆中泰化学股份有限公司)、PDH和轻烃裂解副产提纯(东华能源股份有限公司、浙江卫星石化股份有限公司);

我国氢能市场还处于发展早期,制氢路线齐头并进,结合产能、经济性和环保的多维度考虑,在不同地区依据不同的禀赋资源逐步推进。

(2)中游:储氢、运氢、加氢环节

储氢、运氢环节

安全高效储氢是目前制约氢燃料电池汽车推广应用的主要技术短板之一。目前储氢方式的技术路线主要有高压储氢、固态储氢、液体储氢、高压-固态复合储氢和深冷高压储氢。

高压储氢是当前应用最广的储氢方式,也是我国目前主要的储氢方式。技术相对成熟,相关装置配套齐全,但体积储氢密度偏低,安全要求高。

国外目前已掌握了70MPa IV型技术,有日本丰田集团、挪威Hexagon Lincoln公司;国内35MPa级III型技术成熟,70MPa级III型、IV型技术研发中,主要厂商有沈阳斯林达安科新技术有限公司、北京天海工业有限公司、江苏国富氢能技术装备有限公司、扬州亚普汽车塑料件有限公司等。

高压气态氢的运输有长管拖车和管道运输两种方式,根据氢气的输送距离、客户分布及使用要求等情况的不同,适用于不同场合。国内主要通过高压长管拖车(20兆帕,气态)进行运输,制氢和用氢在半径100公里内具备经济性,未来有望提升到200公里以上。

固态储氢日本技术领先,主要有日本九州大学和丰田公司,国内还处于试验室阶段,如北京有色金属研究总院、浙江大学等。

在液氢储运方面,国外技术领先,分别为美国Air Product公司、Gardner Cryogenics公司、德国Linde公司、法国Air Liquide集团等。我国行业已在研究制定民用液氢运输标准。高压-固态复合储氢是日本先研院(AIST)提出的新型储氢技术理念、深冷高压储氢亦处于试验阶段,主要研究机构有劳伦斯利弗莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室、阿贡国家实验室、宝马集团等。

我国输氢管道的建设尚待发展。管道运输管道运输运行压力通常为1.0-4.0MPa,运量大、能耗低、边际成本低,是实现大规模、长距离气态氢运输的重要方式。但管网建设一次性投入资金规模巨大,需有氢气在能源领域得广泛应用和规模化生产作为基础。截至2019年,美国已有约2600公里的输氢管道,欧洲已有1598公里,我国目前管道仅仅为“百公里级”。

加氢环节

加氢站是链接上游氢气与下游用户之间的纽带,是大规模推广和普及燃料电池汽车关键一环。截至2020年10月,我国建成加氢站88座,以压缩气态储氢为主,加注压力以35兆帕为主。我国加氢领域的规划和进度排在全球第三,目前加氢站成为制约终端燃料电池汽车高速发展的一个重要约束。

目前我国加氢站主要以外供氢方式为主,即从工厂直接运输,到站压缩,实现供氢。氢气压缩机、高压储氢瓶、加气机是加氢站系统的三大核心装备。

氢气压缩机:国际上加氢站常用的压缩机是隔膜式压缩机。这种压缩机不需要润滑油润滑,能够保证高压氢气的纯度,运转时需要通过空气冷却或液体冷却来降温。隔膜材质包括金属和非金属,通过金属驱动或液力驱动在气缸内往复运动。国内企业已具备一定的金属隔膜压缩机生产能力。高频切断球阀等加氢站重要阀门主要依赖于从美国、日本进口。

由于金属隔膜压缩机的寿命由频繁启动次数决定,为了解决高频启动、大规模加氢的需求,日本和美国已经开始使用高纯无油压缩机,特别是日本经过十多年应用已经大规模使用但在我国尚是空白。

储氢瓶:目前,加氢站高压储氢罐主要采用碳纤维复合材料或纤维全缠绕铝合金制成的新型轻质耐压内胆,外加可吸收冲击的坚固壳体。制造储氢瓶的主要技术壁垒是容器壁复合材料制备和成型工艺。

加氢系统:系统的硬件模块能在充装过程中可自动对机械连接、电气连接进行安全检测,紧急状况下自动停止充装;软件算法可确保快速精确加注,实现加氢机、加氢枪、加氢车之间的闭环控制。

与美国、欧洲、日本等发达国家相比,我国在氢能储运设备可靠性制造方面存在不足。具体的技术弱项如下:

气氢站:固定式高压储氢容器可靠性制造与超低泄漏率密封技术、氢压机膜片材料开发、整机可靠性制造、故障诊断评估技术、阀门氢气冲击(蚀)损伤检测、耐高压高速氢气冲蚀阀门研发、成套装置工程风险评估与智能运维技术。

氢液化:氢气大规模液化与储存技术研究及装备研制。

液氢站:液氢潜液泵、液氢往复泵、液氢阀门设计制造技术。

车载用氢:车载IV型瓶塑料内胆抗氢渗透材料改性、纤维缠绕变强度变刚度设计、树脂耐老化、瓶口组合阀可靠性及超低泄漏率密封技术、空压机全工况优化设计、高速轴承设计、减振降噪技术、氢循环泵密封设计、环境适应性及可靠性提升、测试评价技术、深冷-高压储氢容器传热设计、真空维持、深冷温区树脂改性技术、高压-固态复合储氢系统材料开发、系统热管理及设计制造技术。

公路运氢:管束集装箱抗挠曲、防扭转、整车安全防护、状态监测预警。

管道输氢:掺氢比例、风险评估、在线检测监测与结构完整性评价技术。

(3)下游:终端应用

燃料电池

要实现氢能源大规模普及,燃料电池是重要途径。根据电解质种类和状态的不同,燃料电池可分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)五大类。其中,质子交换膜燃料电池因其运行环境简单,能量转换效率高,启动时间短,结构明确等优点尤其适合在新能源汽车等交通工具中使用。

作为氢能源未来最大规模的应用场景,燃料电池系统集成产业配套链和关键零部件为,电堆和(膜电极、端板、双极板、催化剂、质子交换膜、气体扩散层)和系统零部件(空压机、增湿器、氢循环泵、DCDC)。

2015-2019年间,我国燃料电池关键零部件的技术指标有了明显的提升。2019年,我国乘用车燃料电池电堆功率达到70kW,商用车燃料电池电堆功率可达100kW;石墨双极板电堆功率密度从2015年时的1.5kW/kg增加到2.2kW/kg,提高了53%,金属双极板电堆功率密度从2015年时的2.0kW/L上升到3.0kW/L,提高了50%。电堆最低冷启动温度从2015年时的-20℃进一步探低到-30℃;电堆寿命从2015年时的3000小时延长到5000小时(金属双极板型)和12000小时(石墨双极板型);燃料电池电堆的最高效率从2015年的55%提高到2019年的60%。

但我国部分核心产品性能与技术成熟度与国际先进水平仍有较大差距,部分核心零部件依赖进口。在电堆及核心材料、核心零部件领域,国内已实现产业化的电堆的额定功率、比功率、低温启动等指标有进步,但距离国际先进水平仍有差距,且成本偏高;催化剂、质子交换膜、碳纸等关键材料的开发多处于实验室和样品阶段。在催化剂方面,我国国内先进水平是铂载量为0.4g/kW,且只能进行小规模生产,质子交换膜和炭纸、炭布处于中试阶段;而国际先进水平下,催化剂的铂载量达0.2g/kW且技术成熟,且催化剂、质子交换膜、炭纸、炭布、密封剂等已经达到产品化、批量化生产阶段。

具体来说,燃料电池电堆整体厂商有加拿大的巴拉德公司、巴拉德国内合资公司广东国鸿氢能科技有限公司、北京亿华通科技股份有限公司、新源动力股份有限公司、上海神力科技有限公司、北京氢璞创能科技有限公司、苏州弗尔赛能源科技股份有限公司、上海重塑能源科技有限公司、深圳市氢雄燃料电池有限公司、潍柴动力股份有限公司、广东泰罗斯汽车动力系统有限公司、广东国鸿重塑能源科技有限公司、爱德曼氢能源装备有限公司、武汉众宇动力系统科技有限公司、氢蓝时代动力科技有限公司、上海捷氢科技有限公司等。

燃料电池整车

截至2020年8月,燃料电池汽车全国累计产量达到6206辆,其中客车占42%、货车占57%、乘用车占1%,累计运营里程约1亿公里。示范运行阶段,以商用车为主,乘用车较少。

根据中国动力电池产业联盟燃料电池分会统计,2019年底国内有41家整车企业进入燃料电池汽车市场。上海申龙客车有限公司燃料电池汽车产量为903辆(含专用车),国内第一,占国内总产量的29.9%;第二和第三分别为郑州宇通客车股份有限公司(产量686辆)、上汽大通汽车有限公司(产量307辆)。

近几年,我国燃料电池汽车产业化步伐加快。我国燃料电池汽车产业链企业数量已超过400家,主要供应给燃料电池商用车,已初步形成京冀、长三角、珠三角、中部地区等产业集群。

2020年10月,中国汽车工程学会预测,2025年我国燃料电池汽车保有量将达到10万辆,2030年-2035年保有量规模达到100万辆。

国际上,燃料电池汽车已实现商业化,基本突破关键技术瓶颈,关键材料、部件初步具备批量生产与供应能力,其整车动力性能、续驶里程、寿命和环境适应性等接近传统燃油车水平。日本丰田MIRAI最为领先,韩国现代和日本本田已量产,宝马、奔驰、奥迪、大众等试制。商用车方面,2018年开始,丰田、现代、尼古拉(美国)等企业加快燃料电池商用车应用研究,技术水平快速提升。目前国外燃料电池商用车主要为客车车型,电池功率均在120kw以上。而国内燃料电池客车氢能源商用车功率普遍在30-85kw,与海外仍有差距。

总体上,海外燃料电池乘用车虽然购置价格偏高,约为同级别燃油车的2-3倍,但在技术层面已初步具备商业化使用条件,下一步需要降低成本,并加速基础设施配套建设。而燃料电池燃料电池商用车尚处于技术示范和验证阶段,推广不足百辆。

《巴拉德&德勤燃料电池汽车白皮书》显示,2019年国际上燃料电池汽车的每百公里总拥有成本约比纯电动车及燃油车分别高40%及90%左右。随着技术进步及大规模生产带来的制造成本下降,以及受益于氢气价格、加氢站等运营成本持续下降,预计2026年燃料电池汽车每百公里总拥有成本将低于电动汽车,2027年将低于燃油车。

二、佛山氢能产业及其产业链供应链基本情况

在氢能与燃料电池领域,佛山是我国最早推进的规范化示范地区之一。2010年前后,佛山市南海区就联合氢能燃料电池及氢源技术国家工程技术中心,打造广东新能源汽车核心部件产业基地,重点开展燃料电池汽车核心关键零部件重大技术攻关及产业协作。

此外,通过强化与中科院大连化学物理研究所、华南理工大学等科研院校的合作,佛山市培育了广东广顺新能源动力科技有限公司、佛山科先精密机电科技有限公司等一批骨干企业,打造了佛山的氢能产业雏形,奠定了在国内的领先地位。

2016年9月,佛山在三水区开通首条燃料电池城市公交车示范路线。截至2020年4月,佛山市总计开通15条燃料电池公交车线路,共计投放燃料电池公交车约700辆。在全市实现450余辆燃料电池物流车的投放,以及5列燃料电池有轨电车和3辆燃料电池客车。

截至2020年6月,佛山总计建成和运营加氢站共10座。目前佛山还有多处加氢站正在紧密建设中,并在积极探索工业用地招拍挂建设“制氢加氢一体化”加氢站项目。

佛山整合建设了氢能产业“铁三角”:位于南海的广东新能源汽车产业基地、位于高明的现代氢能有轨电车修造基地、位于云浮的氢能产业研发生产基地。

佛山发展氢能产业最大的优势在于政府扶持和鼓励力度非常大。佛山市先后出台了一系列政策措施,建立了完善的规划和政策体系,对氢能产业进行全方位扶持,形成具有特色的发展路径与模式。

经过10多年时间的持续扶持,佛山的氢能产业链已经基本涵盖制氢、加氢站建设及运营、燃料电池系统及电堆研发、关键零部件开发及生产、燃料电池汽车研发制造及示范运行、氢能相关检测等环节。特别在燃料电池系统及电堆研发和空气压缩机等关键领域,市场占有率全国领先。

但佛山氢能及燃料电池产业推动以政府投入为主,市场化机制尚未完全形成。佛山建立了完善的规划和政策体系,对氢能产业进行全方位扶持,取得了较为突出的成绩。但与政府强大的引领能力相对应的,是市场化机制仍有待完善。

三、完善佛山氢能产业产业链供应链的建议

1、着力解决经济、清洁、可持续的氢能制取和供给体系

佛山的氢能产业链上存在的明显缺口,是氢资源匮乏。现有产业化的工艺路线有两类,即化石能源制氢(即工业副产氢)和电解水制氢。工业副产氢的综合成本在10-16元/千克之间,电解水制氢成本则为为30-40元/千克,电价高是造成电解水成本高的主要原因,电价占其总成本的70%以上。

佛山市本地缺乏工业副产氢来源,需要从外地采购氢源,而目前我国的氢气运输水平有限,我国主要公路运氢20MPa I型瓶储氢量小(~0.6吨)、储氢密度低(~2.3wt%),难以满足低成本、高效输配需求,加之佛山运输半径过长导致氢气成本不具备价格优势。因此随着加氢站数量和燃料电池汽车保有量的不断增加,氢气来源已成为制约佛山产业发展的瓶颈。

目前佛山急需系统地解决作为副产品氢的石化企业,如何与佛山形成固定的供应链,并相应解决储运问题。

近中期,可发挥珠三角石化产业集聚优势,充分利用工业副产氢净化,满足中小规模示范推广使用;长期,应探索可持续的清洁能源制氢技术和供给体系。

2、燃料电池发展是复杂的社会系统工程,需要推动大湾区整体规划统筹布局

燃料电池汽车发展除汽车、燃料电池等技术和产业外,需要全新的氢能源制取和供给等新兴产业和新型基础设施保障,需要强化区域联合,应在大湾区范围内构建区域级燃料电池汽车应用环境,形成“特色鲜明、各有侧重、区域联合、协同突破”的产业发展和应用示范格局。

当前,发展氢能产业的政策、资金等,都是佛山自行制定和筹措的;广东省省级层面的支持力度不足,对产业发展有较大影响。应在广东省内达成共识,协调省内资源帮助佛山市发展氢能与燃料电池汽车产业,支持佛山成为广东省氢能产业发展的重要一极。统筹协调广东省内氢气资源,支持佛山市或周边省市上马制氢项目,帮助佛山解决缺氢这一瓶颈问题。

3、改善补贴方向,集中资源择优培育佛山燃料电池特色优势产业

佛山燃料电池发展较早,企业数量较多,涉及产业链较广,但是产业链大而散,优势企业数量偏少。佛山政府部门目前对氢能产业的很多补贴都是针对燃料电池整车企业,对燃料电池零部件制造企业的补贴和对自主知识产权产品补贴力度不足,导致本地缺少技术实力在国内领先的核心零部件和材料企业。

建议系统梳理氢能燃料电池技术链和产业链,选择技术价值高,佛山有一定产业基础或技术资源的项目或方向,重点支持培育。有所为有所不为,集中资源,突破关键,形成佛山市特色的氢能燃料电池产业。

(作者为中国汽车工程学会常务副理事长兼秘书长)

打开财经APP, 查看更多精彩内容
更多相关评论 
打开财经APP, 查看更多精彩内容
相关新闻
热门推荐
打开财经APP, 查看更多精彩内容