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借“新基建”起步 压缩机或成加氢站降本突破口

  当前,官媒盖章的“新基建”主要包括七大领域:5G基建、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网。
  受新基建“浪潮”影响,近期,多地政府对充电桩建设与运营的支持正在加强,如海南省计划从2020年开始,对全省电动汽车充电基础设施分批给予建设运营补贴。
  与此同时,与氢燃料电池汽车密切相关的加氢站布局,也在新基建“风潮”中多地开花。目前,对于加氢站布局的地方性支持政策密集出台。今年年初,上海市嘉定区表示至2025年嘉定将总计拥有15座加氢站;张家口市提出于2021年6月前将建成16座加氢站;潍坊市政府则印发《潍坊市促进加氢站建设及运营扶持办法》,明确将对在该市进行加氢站建设、加氢站加氢的企业给予补贴。
  随着氢燃料车的逐步发展,未来政策有望向上游加氢等基础设施倾斜,加氢站的建设有望迎来提速。长期而言,在规模效应及设备国产化的推动下,加氢站运营的盈利也有望得到保障,预计未来行业利润空间可达70亿元。
  国内加氢站建设逐步加快,政策利好下或进一步提速
  在氢能源产业的发展阶段中,为了保障氢能源汽车稳定的行驶,需要有持续稳定的能源供应,这就要求相应地区能建立和氢能源汽车相配套的加氢站点,而这也是保证氢能源汽车能全面投入市场的基础。因此,加氢站作为连接上游制氢、储运氢气与下游应用市场的关键枢纽,对氢能源产业链发展的重要性较高。
  加氢站的工作原理为从站外运送或站内制取提纯的氢气,通过氢气压缩系统压缩至一定压力,加压后的氢气储存在固定式高压容器中,当需要加注氢气时,氢气在加氢站固定高压容器与车载储氢容器之间高压差的作用下,通过加注系统快速充装至车载储氢容器(见图1)。
借“新基建”起步 压缩机或成加氢站降本突破口
  近三年我国加氢站发展较快,产业集群效应显著
  根据H2stations数据统计,截止2019年底,全球加氢站数量达到432座,其中约76%的加氢站面向公众开放,同时还有226座加氢站处于建设当中。
  分区域来看,2019年亚洲首次超越欧洲成为加氢站建设数量最多的区域(其中中国区域仅确认27座加氢站信息),共计178座加氢站,其中日本拥有114座加氢站,全球占比达到26%。
  对中国而言,从2006年建成第一座加氢站,一直到2016年建成的加氢站多为国家“863”项目或联合国开发计划署(UNDP)促进中国燃料电池汽车商业化发展项目,加氢站建设进度整体较慢。但自2017年开始,加氢站建设数量迈上双位数台阶,截止2019年底,我国累计已建成的加氢站共有52座,相比2018年增加约80%(见图2)。
借“新基建”起步 压缩机或成加氢站降本突破口
  补贴政策向产业链上游倾斜,地方政府发展规划明确
  目前国内加氢站行业还处于发展初期,建设成本较高,因此市场较为依赖于政府的补贴政策。政府对加氢站的首次补贴政策是在2014年发布的《关于新能源汽车充电设施建设奖励的通知》,该通知中规定对符合国家技术标准且日加氢能力不少于200公斤的新建燃料电池汽车加氢站每个站奖励400万元,但该政策在实施一年后过期。
  2019年3月,国家财政部再次发布了《关于进一步完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》,2019年3月26日~6月25日为过渡期,过渡期期间销售上牌的燃料电池汽车按2018年对应标准的0.8倍补贴,且过渡期后取消地方对新能源汽车(新能源公交车和燃料电池汽车除外)给予的购置补贴,并特别强调将地方补贴转为用于支持充电(加氢)基础设施“短板”建设和配套运营服务等方面。
  从两次加氢站相关的补贴政策可以看出,未来政府对氢能源领域补贴支持政策的重心将从产业链下游应用领域(氢燃料汽车补贴)逐步转移至中上游领域(基础设施建设)。因此从政策端来看,未来几年加氢站领域的发展或迎来提速。
  在国家推出对氢能源领域中上游发展的利好政策后,我们也可以看到随后部分省市也相继出台了一些对加氢站的补贴政策,平均而言对加氢站建设的补贴力度在300~500万元左右,从而可以有效对冲加氢站整体1000万元左右的建设成本。
  具体到对加氢站的规划,广东、上海、浙江等省市均对2020年或2025年的加氢站建设提出了明确的规划,目前已统计出到2020年建设规划加氢站92~116座,到2025 年建设加氢站451~526座,已明显高于国家整体规划的100~300座。
  未来加氢站建设成本可下降30% ~40%
  按照氢气供给来源,加氢站可分为外供氢加氢站和内制氢加氢站。
  外供氢加氢站:站内无制氢装置,氢气通过长管拖车、液氢槽车或者氢气管道由制氢厂运输至加氢站,由压缩机压缩并输送入高压储氢瓶内存储,最终通过氢气加气机加注到燃料电池汽车中使用。根据氢气存储方式差异,外供氢加氢站又可以进一步分为外供氢高压氢气压缩站和外供液氢加氢站。
  内制氢加氢站:站内建有制氢系统,制氢技术包括电解水制氢、天然气重整制氢、可再生能源制氢等,站内制备的氢气一般需经纯化、干燥后再进行压缩、存储及加注等步骤。其中电解水制氢和天然气重整制氢技术由于自动化程度较高、设备便于安装,从而在站内制氢加氢站中应用较多。
  目前我国已经建成的加氢站中只有大连同济-新源加氢站及北京永丰加氢站具备站内制氢能力,其他均为外供氢加氢站。而国外加氢站目前同样以外供氢加氢站为主,以美国为例,截止2018年底,美国外供加氢站数量占比达到83%,这其中通过外部长管拖车运氢的加氢站比例为69%。
  至于未来哪类加氢站能获得更大的应用市场空间,核心还是在于比较它们各自的建设成本。我们同样以美国加州三类不同加氢站的建设成本为例进行对比。
  对于日供氢气能力为180kg/d、存储能力为250kg、同时具备35/70MPa两种加氢压力的外供高压氢气加氢站为分析对象,加州能源局的研究数据表明,该类型加氢站建设成本大约为160万美元,再考虑到投入前使用所需的调试费、设计施工费、工程管理费用、项目申请产生的费用等,总成本将超过200万美元(表1)。
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  对于日供氢能力为350kg/d、具备35/70MPa两种加氢压力的外供液氢加氢站而言, 由于外供液氢加氢站在运输之前需要耗能将氢气温度降低到零下253℃,加氢站中需要添加额外的储氢瓶和冷却系统保证加氢站正常运行,从而产地面积更大,建设成本也高于高压氢气加氢站。
  加州能源局的研究数据表明,该类型加氢站建设成本大约为193万美元,再考虑到入前使用所需的调试费、设计施工费、工程管理费用、项目申请产生的费用等,总成本大约280万美元(表2)。
借“新基建”起步 压缩机或成加氢站降本突破口
  对日供氢130kg/d、具备35/70MPa两种加氢压力的站内电解水制氢加氢站而言,虽然省去了运输氢气的费用,但电解水制氢装置成本就达到131万美元,总建设成本超过320万美元(表3)。
借“新基建”起步 压缩机或成加氢站降本突破口
  目前来看,由于外供液氢加氢站需要额外成本将氢气转化为液态运输、站内电解水制氢加氢站的制氢成本较高,相比而言外供高压氢气加氢站建设成本最低,预计未来也是应用最为广泛的加氢站类型。
  同时未来随着氢能源产业领域逐步发展成熟,对氢气的需求也将快速增长,对加氢站的日加氢规模要求也就更高,若日加氢站规模超过1000kg,叠加液氢领域技术逐渐规模化,远期外供液氢加氢站的经济性或逐步体现:
  随着加氢量需求增多,需要更多的高压长管拖车或储氢瓶组,及庞大的压缩机,高压加氢站加氢量从500kg/天扩容到1000kg/天,设备投资需要增加50%~60%。但由于液氢存储密度较低,单个60m3的液氢罐可储存约4吨液氢,液氢1天加氢量从500kg/天扩容到2吨/天,设备投资只增加20%~30%。因此加氢量越大,液氢储存的优势越明显。
  液氢加注是先对液体进行增压,然后在高压汽化器里面让它吸收环境空气中的热量自然汽化,用液氢泵对液体进行增压,能耗比压缩机给气体增压的能耗节省大约50%。
  压缩机有望成为加氢站成本降低的核心突破口
  除去土地成本,加氢站中建设成本最高的主要是三大核心成本:压缩机、储氢瓶、加氢系统,成本占比分别为32%、14%、11%。由于国内缺乏成熟量产的加氢站设备商,进口设备成本较高也就间接推高了加氢站建设成本。
借“新基建”起步 压缩机或成加氢站降本突破口
 
  压缩机是指将氢气加压注入储氢系统的核心装置,主要分为液压活塞式氢气压缩机和隔膜式氢气压缩机。
  液压活塞式压缩机:工作原理是在活塞往复运动中压缩氢气。优点是操作简单、灵活性大、技术发展较为成熟;缺点是容易造成氢气的污染泄露,且散热性差。
  隔膜式氢气压缩机:工作原理是电动机驱动曲轴转动,再经过连杆使油缸中的活塞作往复直线运动,推动油液,使膜片作往复震动,完成吸、排气过程。优点是散热性能好、压缩比大、密封性能强等,在加氢站中应用更为广泛。
  压缩机直接成本包括与压缩机壳体及内部结构加工制造相关的系统核心部件成本,以及与电机、控制单元、管路系统等相关的辅助设备成本。根据国外Ahmad Mayyas 等人的研究,通过对比压缩系统建设成本与生产规模关系:
借“新基建”起步 压缩机或成加氢站降本突破口
  当生产规模从10套/年增加到100套/年时,核心部件直接生产成本降低约82%, 主要因为平均到每套压缩系统的资本成本及设备/建筑成本明显降低,但辅助设备随生产规模扩大而变化较小。
  当生产规模由10套/年增加到100套/年时,总成本可降低约56%。
  目前国内加氢站主要应用的是PDC公司生产的隔膜压缩机,同时中船重工718所通过与美国PEC公司技术合作组装可供加氢站使用的氢气压缩机,但核心压缩模块仍由PDC提供,相比整机进口成本降低了约30%。预计未来随着需求增加,针对不同参数压缩系统的阀组、传感器等辅助部件将趋于标准化、集成化的生产模式,未来压缩系统的成本具有较大的降低空间。
  储氢系统成本可分为储氢瓶和辅助设备两大成本,根据Ahmad Mayyas等人的研究:
  材料费用是储氢系统成本的主要构成部分,由于材料费用随生产规模变化不大, 因此储氢系统成本降低空间较小。
  当生产规模由100套/年增加到1000套/年时,与储氢系统直接生产建设相关的成本可降低8.5%。
  加氢系统成本可分为设备成本及人工费用,目前相关部件已形成较为标准化的生产制造,根据Ahmad Mayyas等人的研究:
  35/70MPa双加注口加氢系统总成本较35MPa单加注口加氢系统成本增加约1倍,当生产规模由10套/年增加到500套/年时,加氢系统总成本可降低30%~35%。
  整体而言,未来随着氢能源产业的不断发展,加氢站的建设需求也将随之增多,生产规模的扩大和技术的进一步发展有利于降低加氢站整体的建设成本,预计未来加氢站的建设成本可降低30%~40%左右。
  结合各地方政府的氢能源规划,预计2025年全国燃料电池车产量有望达到4.5~5万辆,并有乘用车进入市场。2025年之后有望开启商业化应用阶段,燃料电池车在2030年有望达到90~100万辆的规模,乘用车规模也将有显著增加。
  预计2020年国内燃料电池车氢气需求为1.5万吨左右,2025年可达到13万吨左右,2030年接近140万吨,从而预计到2030年加氢站行业的利润空间可达到70亿元左右。
  如果根据工信部此前发布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》(征求意见稿),到2025年,新能源汽车销量占汽车销量的25%左右,保守预计新能源汽车销量700万辆左右,那么对加氢站与氢气的需求量将会更大。
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