碳纖維：當(dāng)前氫能裝備制造的“最大瓶頸”

Callejon · 發(fā)表于 2022-8-11 09:53:42

進(jìn)口碳纖維價(jià)格上浮

在目前主流氫燃料電池車中,，氫燃料大多以35兆帕或70兆帕的工作壓力儲(chǔ)存于儲(chǔ)氫瓶中,。碳纖維纏繞復(fù)合材料作為儲(chǔ)氫瓶的內(nèi)膽，是氫氣儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域必不可少的關(guān)鍵部件,。然而,，據(jù)記者了解，壓力容器用碳纖維技術(shù)多年來始終由日本,、美國(guó),、韓國(guó)等國(guó)壟斷。

“雖然近幾年我國(guó)國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)能明顯增長(zhǎng),，與三四年前相比,，進(jìn)口碳纖維價(jià)格也出現(xiàn)了一定程度的下降，然而今年以來,，受到新冠肺炎疫情影響,，國(guó)外碳纖維生產(chǎn)和交付能力跟不上，同時(shí)全球各國(guó)也加大了氫能行業(yè)布局,，推高了整體需求,，導(dǎo)致今年進(jìn)口碳纖維價(jià)格出現(xiàn)明顯上漲。”一位不愿具名的氫能制造業(yè)內(nèi)人士告訴記者,�,！澳壳岸嗉覂�(chǔ)氫瓶制造商都感受到了供應(yīng)緊缺的壓力，這對(duì)出貨情況肯定會(huì)造成不利影響,�,！�

據(jù)了解,，我國(guó)儲(chǔ)氫瓶使用的碳纖維約有一半由國(guó)外廠商供應(yīng),，日本東麗、日本東邦,、韓國(guó)SK等化工產(chǎn)品廠商均是我國(guó)市場(chǎng)的主要供應(yīng)商,。其中，日韓企業(yè)占據(jù)我國(guó)進(jìn)口儲(chǔ)氫瓶用碳纖維70%以上的市場(chǎng)份額,。

據(jù)一位資深氫能業(yè)內(nèi)人士透露,，近期日本東麗方面減少了對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的碳纖維供應(yīng)，采購企業(yè)正面臨斷供風(fēng)險(xiǎn),。

碳纖維是目前“最大瓶頸”

去年以來,，我國(guó)已有11個(gè)省份宣布將在“十四五”期間大力推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，另外也有十多個(gè)城市將氫燃料汽車納入未來規(guī)劃,，氫能市場(chǎng)需求即將爆發(fā),。

根據(jù)華泰證券最新發(fā)布的預(yù)測(cè)，在2021年至2050年期間,，我國(guó)儲(chǔ)氫瓶市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到3234億元,；受到氫能重卡等領(lǐng)域的需求推動(dòng)，未來我國(guó)很可能成為全球最大的車載儲(chǔ)氫瓶市場(chǎng),。多位業(yè)內(nèi)人士向記者表示,，面對(duì)即將爆發(fā)的車載儲(chǔ)氫瓶市場(chǎng)需求，碳纖維已經(jīng)成為了目前氫能裝備制造業(yè)的“最大瓶頸”,。

上述不愿具名業(yè)內(nèi)人士指出,，從目前國(guó)內(nèi)高壓儲(chǔ)氫瓶市場(chǎng)供應(yīng)來看，制造廠家的產(chǎn)能布局已遠(yuǎn)超過需求,�,！氨本┨旌！�(guó)富氫能,、科泰克,、沈陽斯林達(dá)、成都中材科技,、中集能源等制造商均已開辟了成熟的儲(chǔ)氫瓶產(chǎn)線,。然而，50%依賴進(jìn)口的碳纖維卻成為了阻礙產(chǎn)能發(fā)揮的‘絆腳石’�,！�

“一方面,，盡管國(guó)內(nèi)生產(chǎn)碳纖維的廠家很多，但不是所有廠家都能供貨給儲(chǔ)氫瓶,，高壓容器用碳纖維需要特定的機(jī)械性能,，技術(shù)壁壘相對(duì)較高。同時(shí),，國(guó)內(nèi)碳纖維生產(chǎn)廠家沒有預(yù)料到氫能產(chǎn)業(yè)的爆發(fā),，從產(chǎn)能上看尚不足以滿足需求。另一方面,，國(guó)產(chǎn)碳纖維的品質(zhì)控制仍存在問題,，國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量仍不穩(wěn)定。在高壓容器用儲(chǔ)氫瓶制造過程中,，制造廠商本身需要滿足嚴(yán)格的安全要求,，材料生產(chǎn)以及制造工藝都有較大的難度，這也都為我國(guó)本土碳纖維生產(chǎn)商帶來了挑戰(zhàn),�,！�

碳纖維國(guó)產(chǎn)化已在提速

目前車載儲(chǔ)氫瓶中的主流產(chǎn)品仍是35兆帕三型瓶以及35兆帕四型瓶，同時(shí)容量更大,、性能更優(yōu)的70兆帕四型瓶也進(jìn)入了各大生產(chǎn)廠商的研發(fā)計(jì)劃之中,。業(yè)界普遍認(rèn)為，隨著高壓儲(chǔ)氫瓶的更新?lián)Q代,，碳纖維用量預(yù)計(jì)將進(jìn)一步上漲,。

“除了碳纖維本身的性能外，影響碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能還有膠和樹脂的配方,，并且涉及到復(fù)雜的生產(chǎn)過程和固化工藝,。但近年來，國(guó)內(nèi)碳纖維行業(yè)發(fā)展十分迅速,，與美,、日等國(guó)的差距已在不斷縮小�,！鄙鲜鰳I(yè)內(nèi)人士告訴記者,，“在龐大的市場(chǎng)需求面前，目前已有越來越多制造商進(jìn)入碳纖維這一領(lǐng)域,，部分現(xiàn)有的碳纖維廠商也開始了轉(zhuǎn)型,，預(yù)計(jì)未來一至兩年內(nèi)我國(guó)碳纖維供應(yīng)緊缺的情況將有所緩解�,！�

目前上海石化,、中復(fù)神鷹等制造企業(yè)已開啟碳纖維國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程,。今年6月4日，中國(guó)石化所屬上海石化全資注冊(cè)成立上海金山石化碳纖維有限責(zé)任公司,，正式進(jìn)入碳纖維新材料,、下游復(fù)合材料等領(lǐng)域。

“盡管今年碳纖維以至于儲(chǔ)氫瓶成本略有回升,，對(duì)于未來高壓儲(chǔ)氫瓶降本空間,，業(yè)界仍持有樂觀態(tài)度。一旦有市場(chǎng)需求,，通過三至五年的時(shí)間,，到‘十四五末’預(yù)計(jì)碳纖維價(jià)格能下降40%左右�,！鄙鲜鰳I(yè)內(nèi)人士表示,。

引申閱讀：發(fā)展氫能的幾大瓶頸

制1公斤氫產(chǎn)生10公斤二氧化碳

目前制氫常見技術(shù)有三種，分別是煤制氫,，天然氣制氫，電解水制氫,。

但無論哪種制取方法,，都必須要有能源支撐，并在此基礎(chǔ)上有灰氫,、藍(lán)氫,、綠氫之分。通過煤和天然氣等化石能源制取的氫氣稱為灰氫,，因?yàn)楂@得氫氣的過程中產(chǎn)生了大量碳,。如果是通過天然氣制氫，加入了碳捕捉和儲(chǔ)存技術(shù),，提升了清潔度之后,，所制取的氫氣被稱為藍(lán)氫，意思是雖然產(chǎn)生了碳,，但進(jìn)行了技術(shù)處理,，遏制了碳排放。而如果通過可再生能源制取氫氣,，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)制取過程凈零排放,，這被稱為綠氫。

目前來看,，煤制氫耗能小,，但制備1公斤氫氣會(huì)排放約10公斤二氧化碳。如果用天然氣水蒸氣重整制氫,，1公斤氫氣耗電約11度,，如果碳捕集技術(shù)目前也還沒有完全克服。如果用電解水制氫則要耗電約48度，能耗之高會(huì)讓人感慨,，如此高能耗能支撐氫能產(chǎn)業(yè)的美好未來嗎,？

近日，四川大學(xué)芶富均教授帶領(lǐng)的液態(tài)金屬團(tuán)隊(duì)公布了一項(xiàng)成果,，在國(guó)內(nèi)首次研發(fā)出液態(tài)金屬熱裂解裝置,，以液態(tài)金屬為媒介，助力甲烷裂解,，實(shí)現(xiàn)零排放,、低成本、高效制氫,。實(shí)驗(yàn)室里,，芶富均教授設(shè)計(jì)了一個(gè)3米高的“方盒子”，液態(tài)金屬燃燒形成高溫環(huán)境,，甲烷從“方盒子”尾端輸入后,，經(jīng)過裂解，從頂部輸出氫氣,。液態(tài)金屬熱裂解技術(shù)使甲烷轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%以上,，只產(chǎn)生單一的氫氣，完全不含二氧化碳,。據(jù)教授說,，制備1公斤氫氣耗電16度。

除了芶教授,，世界各地也都在研究能耗更加少,、更加可靠的制氫方式。但目前常見的還是化石能源制氫和電解水制氫,。日本63%的氫都是電解法,，但是全球只有4%的氫是通過電解獲得的，因?yàn)樗_實(shí)太貴了,。

鉑金的氫燃料電池誰用得起,？

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氫燃料電池和普通電動(dòng)車的最大差異是，去掉電動(dòng)車底盤下邊的電池組,，換成若干不同體積的高壓氫氣罐,，并依靠一個(gè)燃料電池組，把氫氣通過化學(xué)反應(yīng)變成水和電,，并用生產(chǎn)出來的電來驅(qū)動(dòng)車輛,。

這時(shí)人們發(fā)現(xiàn)，氫燃料電池組的性能成為了這輛氫燃料電池車的“性能瓶頸”,，眼下,，韓國(guó)現(xiàn)代汽車的氫燃料電池車NEXO的氫燃料電池組的功率設(shè)計(jì)為120kW,，豐田Mirai和本田Clarity這兩款車的氫燃料電池堆的設(shè)計(jì)功率分別為114kW和100kW。

能不能跨越這個(gè)功率水平,？世界的科學(xué)家還在摸索中,。之所以這一問題讓人頭痛，是因?yàn)槿绻褮淙剂想姵亟M的功率提高,，那么隨之而來的就是重量和體積增加,。

在氫燃料電池應(yīng)用中一個(gè)很大的資源限制是鉑。正是依靠鉑,，讓讓氫氣和氧氣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),。也不僅是氫燃料電池，其他燃料電池的催化劑也用鉑,。

鉑的工業(yè)應(yīng)用非常廣泛,，燃料電池是其中一部分。但從2019年的數(shù)據(jù)可以看到,，汽車工業(yè)使用鉑占最大比例,，37%。這其中絕大部分是用來做燃料電池催化劑,。

目前氫燃料電池價(jià)格高,，其中一部分因素就是所使用的鉑成本高。鉑本身價(jià)格就貴,，要知道鉑就是我們?nèi)粘Ｓ糜谑罪椀哪莻€(gè)鉑金，一克的價(jià)格都在500元左右,，而用做催化劑時(shí)又不是一克兩克地用,。如果催化劑技術(shù)不變革，可以想象得到,，我們?cè)瓉硪蕾囀�,，以后換成了鉑，那氫燃料汽車可以說就是移動(dòng)的“奢侈品”,。

氫燃料電池車大規(guī)模推廣時(shí),，顯然鉑資源在全球的資源和產(chǎn)量顯然會(huì)捉襟見肘，而且也一定會(huì)推高鉑在國(guó)際市場(chǎng)上的售價(jià),，讓鉑的價(jià)格更加成為氫燃料電池車的障礙,。

更讓人擔(dān)心的是，鉑礦在全世界的分布卻極不均衡,，南非占世界鉑的總儲(chǔ)量的90%,，產(chǎn)量也是遙遙領(lǐng)先。中國(guó)的鉑資源只占0.58%,，也就是說,，我們國(guó)家想大規(guī)模發(fā)展氫燃料電池,，就需要大量進(jìn)口金屬鉑。

氫儲(chǔ)運(yùn)是一項(xiàng)高危行動(dòng)

氫儲(chǔ)運(yùn)難關(guān)是由氫的特點(diǎn)決定的,。目前氫以液態(tài)和氣態(tài)兩種形式存在,。氣氫易燃易爆炸是常識(shí)，氫氣在空氣中的體積濃度只要介于4.0%～75.6%之間,，遇火源就會(huì)直接爆炸,。加油站雖然有時(shí)也會(huì)因加油站使用手機(jī)等行為引發(fā)火災(zāi)，但相比氫氣的易彌散度可小多了,。所以氫在中國(guó)屬于受管制的�,；贰Ｈ绾螌⒁兹家妆ǖ奈镔|(zhì)運(yùn)載來去而不發(fā)生危險(xiǎn),，人們想了三種辦法,。第一種是低溫儲(chǔ)氫，當(dāng)將氫氣放在-253攝氏度時(shí),，氣氫變身成功,，成為液氫。除了降溫,，要維持儲(chǔ)氫罐體內(nèi)的溫度,，這樣就需要巨大能耗，也就是說相當(dāng)于你用直升飛機(jī)運(yùn)輸一筐廉價(jià)水果,，根本得不償失,。

第二種儲(chǔ)氫方式是高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫，目前其質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度大約為4.0～5.7%,。從技術(shù)成熟方面來看,，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫最成熟、成本最低,，是現(xiàn)階段主要應(yīng)用的儲(chǔ)氫技術(shù),，在基本能與傳統(tǒng)加油方式相媲美。國(guó)外已經(jīng)將70MPa的儲(chǔ)氫罐已應(yīng)用到燃料電池汽車上,，但國(guó)內(nèi)的儲(chǔ)氫罐關(guān)鍵材料仍依賴進(jìn)口,。盡管這種儲(chǔ)氫方式比較穩(wěn)妥，但是對(duì)于更高的車載儲(chǔ)氫要求如儲(chǔ)氫量,、安全性等問題,，目前世界范圍內(nèi)尚未有合適的解決方案。

除此以外,，還通過有機(jī)液體和金屬氫化物進(jìn)行儲(chǔ)氫,。這兩種方式可以實(shí)現(xiàn)密度大于5.7%且最高可達(dá)到67%，但目前存在成本高的問題,，而且還處于技術(shù)研發(fā)階段,。預(yù)計(jì)化學(xué)方法儲(chǔ)氫是未來重要的發(fā)展方向,，但也沒有商業(yè)化。

僅僅儲(chǔ)氫就有一大堆問題,，下面再說說運(yùn)氫,。

運(yùn)氫方式主要有：氣氫拖車運(yùn)輸、氣氫管道運(yùn)輸和液氫罐車運(yùn)輸,。氣氫拖車運(yùn)輸技術(shù)成熟,，是國(guó)內(nèi)最普遍的運(yùn)氫方式，但運(yùn)輸效率極低,，僅為1-2%,，僅適用于小規(guī)模、200km內(nèi)的短途運(yùn)輸,。一臺(tái)長(zhǎng)管拖車的成本約為160萬元,。當(dāng)運(yùn)輸距離100km時(shí)，運(yùn)輸成本為8.66元/kg,。隨著距離增加,，運(yùn)輸成本受人工費(fèi)和油費(fèi)推動(dòng)顯著上升。

氣氫管道運(yùn)輸適合大規(guī)模,、長(zhǎng)距離運(yùn)氫,。但初始投資較大，預(yù)計(jì)每公里管道投資額584萬元,。將氫氣混入天然氣管道中進(jìn)行運(yùn)輸可解決基礎(chǔ)設(shè)施不足的問題,，德、法,、西班牙等國(guó)家已有應(yīng)用,。運(yùn)輸距離100km時(shí)，管道運(yùn)輸成本僅為1.20元/kg,，在三種方式中成本最低。但其成本受運(yùn)能利用率影響,，當(dāng)運(yùn)能利用率低于20%時(shí)將不具備成本優(yōu)勢(shì),。

液氫槽車運(yùn)輸效率高，而且可以進(jìn)行大規(guī)模,、長(zhǎng)距離運(yùn)氫,，與管道運(yùn)輸比，又具有很大的靈活性和機(jī)動(dòng)性,。但是目前液氫運(yùn)輸也存在成本過高的問題,。一臺(tái)液氫槽車的投資額為超過300萬元。這是因?yàn)橐夯杀揪秃芨�,，達(dá)到總成本的60%-70%,，而且目前國(guó)內(nèi)由于缺乏這一民用標(biāo)準(zhǔn),，該方法僅少部分用于航天領(lǐng)域。

加氫站的運(yùn)維難題

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加氫站有三個(gè)類型,，分別是外供氫高壓氫加氫站,、外供氫液氫加氫站、站內(nèi)水電解制氫加氫站我國(guó)建設(shè)的加氫站,。我國(guó)加氫站以高壓氫氣加氫站為主,，造價(jià)大約在1500萬元。壓縮機(jī),、儲(chǔ)氫瓶以及加氫及冷卻系統(tǒng)是最核心的成本構(gòu)成部分,，約占加氫站投資總量的50%，其中加氫及冷卻系統(tǒng)成本占比最高,，約占22%,。

液氫加氫站由于液氫需要保持低溫，需要使用低溫型壓縮機(jī)和儀用空壓機(jī),，價(jià)格是高壓氫氣站的2.93倍,。總體來看,，液氫站建設(shè)成本比高壓氫氣站成本高30.8%,。站內(nèi)制氫加氫站較外供氫加氫站多了制氫設(shè)施，這類加氫站實(shí)現(xiàn)了制氫與加氫一體化,，造價(jià)更高一些,。

還有一個(gè)加注壓力的問題。我國(guó)早期建造的加氫站設(shè)計(jì)的加注壓力多為35Mpa,，主要原因是我國(guó)燃料電池車以商用車為主,，如客車、專用車,、物流車等,，這類車需要35Mpa的加注壓力，而小轎車需要70Mpa的加注壓力,。目前,，新建的加氫站開始出現(xiàn)了35/70Mpa并存的加注壓力設(shè)計(jì)，這類加氫站不僅可以給商用車加氫,，還可以服務(wù)于乘用車,。

截止到2020年底，全球已有33個(gè)國(guó)家進(jìn)行了加氫站的布局,，共建成584座加氫站,。其中日本擁有近150座加氫站，是世界第一,。中國(guó)目前已有超過100座加氫站投入運(yùn)營(yíng),，成為世界第二名,。因?yàn)槟壳俺鞘型恋囟倘保託湔镜耐恋爻杀疽彩瞧浣ㄔO(shè)運(yùn)營(yíng)成本居高不下的一大難題,。而且還涉及更多的安全性細(xì)則問題,，并不是尋常企業(yè)可以參與的�,；蛟S只有中石化這樣的大型央企才有實(shí)力去建加氫站并且支付高額的建設(shè)和運(yùn)維成本,。

綜上所述，我們?cè)诎l(fā)展氫能面臨著眾多難題,，氫能成為所謂的“終極能源”恐怕不是短期可以實(shí)現(xiàn)的,。當(dāng)一種能源成為人們的首選的時(shí)候，除了清潔環(huán)保之外,，更重要的一點(diǎn)是資源量大,，價(jià)格低，否則這種能源很難普及,。

對(duì)于發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)來說,，技術(shù)突破的路還有很長(zhǎng)。

sgxap666 · 發(fā)表于 2022-8-11 11:02:18

有點(diǎn)閑的蛋疼,，還不如直接用電了,。

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