氢能产业投资思路建议：技术端关注进口替代，应用端关注本地化运营

氢的工业用途（即作为一种工业原料），应用已经较为成熟且广泛，但氢的能源用途却还是一个相对新兴的产业，在多个领域仍旧是设想多于实践，仅仅是代表氢能长期可能的发展方向，不仅距离成熟化的商业应用还有一定的距离，也很难保证一定成为未来的发展路径。而且由于储运技术的瓶颈以及资源分布和需求的错位，未来氢能产业的发展大概率将以本地化、区域化的模式进行。因此，本文建议的投资思路主要围绕对国外先进技术的进口替代以及本地化利用的发展模式展开。

由于相关的学科特别是材料学的落后，我国在氢能利用领域和世界先进水平有着一定的差距，加之美国及其盟国对中国氢能产业技术面的全面封锁，中国的氢能产业发展困境只能靠自主创新来解决，这点在氢能产业链的中上游体现地尤为明显。我国的氢能的生产端和储运端的相关技术是被封锁的核心领域，只能靠相关基础学科的进步以及创新成果的转化来实现。此外，由于国外先进技术已经在某些方向做出了“探路”，我们更加确定这些领域更有可能成为未来应用方向的可能性。最后，通过上文的分析发现，目前制约氢能产业发展的主要因素是成本问题，而实现进口替代意味着取得技术的突破并转为商业化应用通常可以有效降低成本，意味着更高的商业价值。包括我们对未来发展模式的判断也是建立在大规模储运技术瓶颈造成的搞运输成本的基础上，氢能产业的本地化、区域化发展模式本质上其实是对储运技术发展水平不足的一种缓冲模式。综上所述，本文建议的投资建议为技术端关注进口替代、应用端关注本地化运营模式。

1 高压气态储氢技术

高压气态储氢技术涉及氢能产业链的多个方面，如氢的高压气态运输中的道路高压输氢设备、加氢站中的固定式高压气态储氢瓶以及氢能源汽车中的高压氢气瓶等。实现高压气态储氢技术的突破会对这些关键部件性能的提升有着巨大的作用，进而提高相关工业过程的效率以及相关产业链的经济效益。

以氢的高压气态运输为例，它是目前技术最成熟且应用最广的运输方式，主要的运输载具是运氢长管拖车，决定运输效率的关键因素在于长管拖车的工作压力。目前国内的长管拖车的工作压力一般为20MPa，每个长管鱼雷车一般由6-8个高压钢瓶组成，每车拉约260-460公斤的氢气。目前国外已经推出了工作压力为50MPa甚至70MPa的氢气长管拖车，如果未来国内也能将运氢储罐压力提升到45-50MPa，则一车预计可以运输1000-1500公斤氢气，成本会降低35％以上，高压气态运输的经济效益会大幅提升，所以对于长管拖车运输而言，储氢瓶的储氢效率是整体运输效率的关键。

储氢瓶的储氢效率和其工作压力以及自身重量有关，这两者都受储罐材质限制。因此，目前研究热点在于储罐材质的改进。氢气质量密度随压力增加而增加，在30-40MPa时增加较快，当压力大于70 MPa 时变化很小。因此，用于商业化的储氢罐的压力上限应该在70MPa左右。按照材质不同，高压储氢储罐主要包括金属储罐、金属内衬纤维缠绕储罐和全复合轻质纤维缠绕储罐。

金属储氢罐采用性能较好的金属材料（如钢）制成，受其耐压性限制，普通钢瓶的储存压力仅为15MPa。虽然通过增加储罐厚度，能一定程度地提高储氢压力，甚至能提高到70MPa的上限，但其自身重量也会大幅增加，导致储罐容积降低（70MPa时的最大容积仅300 L），运输成本也会随之大幅增加，氢气重量仅占钢瓶的不到3%，使其不再具有经济性。

金属内衬纤维缠绕储罐利用不锈钢或铝合金制成金属内衬密封氢气，利用纤维增强层作为承压层，这些纤维材料具有轻质、高强度、稳定性强的特点，可以在储氢压力很高的前提下，大幅降低储氢罐的重量。目前，加拿大的Dynetek公司开发的金属内胆储氢罐工作压力达到了70MPa，并已实现商业化。在国内，安瑞科开发出了87.5MPa钢制碳纤维缠绕大规模储氢容器，容积可达580L以上。

全复合轻质纤维缠绕储罐使用塑料内胆、纤维增强层、保护层作为筒体，可以进一步降低储罐质量，约为相同储量钢瓶的50%。塑料内胆不仅能保持储罐的形态，还能兼作纤维缠绕的模具。同时，塑料内胆的冲击韧性优于金属内胆，且具有优良的气密性、耐腐蚀性以及耐高温、高强度、高韧性等特点，已经成为各国争相发展的重点方向。

全负荷碳纤维缠绕储罐的主要研究机构及成果

* 数据来源：气体圈子

由上表可知，挪威的Hexagon Composites公司和日本丰田公司已经基本实现了70MPa储氢瓶的商业化应用。而目前国产储氢瓶纤维还存在产品稳定性差、内胆才艺差、缠绕工艺性差、储氢密度低的问题，大多使用在20MPa的缠绕等级上，35MPa的压力等级也有使用，但在70MPa等级使用较少，而全新一代高压储氢瓶的开发还处在研究阶段。由于储氢瓶也是车载氢气储存系统中的关键设备，氢能源汽车的成本与相关技术也高度相关。如果相关技术取得突破，将对当前的氢能产业链带来较大的红利。为提高单车氢气运输量，科技部于2020年将“公路运输用高压、大容量管束集装箱氢气储存技术”列入“可再生能源与氢能技术”重点专项，着力于研制50MPa以上大容量碳纤维缠绕储氢瓶与管束式集装箱。

未来高压储氢技术的发展不仅要满足高安全、轻量化的要求，对于商业应用而言，还要在安全的前提下降低成本，这是目前氢能产业高压储运设备面临的最大挑战。在氢能高压储运设备的建造成本中，材料成本所占比例最高，因此通过开发高性能、低成本抗氢材料可以有效降低设备成本。此外，通过优化结构、改进设计方法和制造工艺、实现规模化生产也可以降低设备成本。因此，目前主要可以关注的技术方向在微观领域有：抗高压氢脆材料研究、抗高压氢渗透材料研究、抗失效复合材料研发等。在宏观研究领域可以关注：材料高压氢脆机制的相关研究、可靠性设计制造技术、检测监测及诊断评估技术等。此外隔热储氢材料的研究也值得关注。（Moreno-Blanco等发现在隔热拖车中运输冷(200K)高压(87.5MPa)氢气并直接从拖车分配氢气比常温35MPa拖车的输送成本减少24%。这一巨大的成本优势将改善氢气车辆的经济性，或可成为未来改善运氢效率的方法之一）。这意味着，隔热储氢材料不仅在未来液氢的规模化应用中起着核心作用，在目前主流的储运氢的方式中也有着广阔的应用空间。

总体来看，国内的高压气态储氢技术与国外相比存在着一定的差距，但前景还是比较乐观的，在部分领域国内的相关技术甚至已经接近世界先进水平。一方面，国内的一些学者在前沿领域进行着相关的研究，并在较短的时间内取得了可观的进展，如郑津洋院士领衔的浙江大学高压过程装备与安全创新团队在高压储氢、输氢和氢安全方面取得了多项在国际上有重要影响的原创性研究成果，制定了多项国家安全规范和行业标准。在郑津洋院士的领衔下，浙江大学与东海实验室、东宏股份建立了“高性能非金属管道联合研发中心”，前沿研究和商业化之间已经出现了连接。另一方面，国内的一些公司也在相关技术的商业化应用方面取得了一定的成果，如安瑞科控股有限公司旗下中集氢能科技有限公司在石家庄基地成功交付4台氢气管束式集装箱用于北京冬奥会，其主体为7支大容积无缝钢瓶, 可以充装4600m³氢气，已经比肩世界先进水平。

长久来看，由于我国能源压力和碳排放压力都比较大，不仅油气等能源价格较高，还面对着双碳指标带来的压力。因此，我国会长期保持对氢能的需求，这是我国氢能技术发展的最大动力。相比于技术难度更高、对外差距更大的液态氢和固态氢产业，短期内可应用、可变现、可追赶的气态储氢技术在我国氢能技术发展浪潮中首当其冲。而且高压气态储氢技术的应用前景以及较为明晰，不确定性因素较少，经济效益可以预见，这也在一定程度上增添了相关企业发展高压气态储氢技术的动力。因此，在高压气态储氢领域，国内有望在可预见的未来内，实现技术的追赶。考虑到技术基础，承压储氢领域相比于低温隔热储氢领域将更有望于实现追赶。

2 液氢的规模化制造技术

目前，氢气的液化方式主要是采取低温高压液化，基本原理是将氢气压缩冷却至-253℃并使其液化储存在绝热装置。大规模氢气液化系统在美国、德国和日本已经得到了较为充足的发展，但在我国，技术和国外先进水平还存在巨大差距，技术的落后推动了成本的上升。

从产能上看，全球液氢产能达到 485 t/d，美国（共计18套装置，总产能为326 t/天）和加拿大（共计5套装置总产能81t/天）的液氢产能占据了全球液氢总产能的80%以上。欧洲有4座液氢工厂，液氢总产能24t/天；亚洲有16座液氢工厂，总产能38.3t/天，其中日本的产能占据亚洲三分之二以上。中国在用的液氢工厂仅有海南文昌基地、西昌基地和北京101所，均服务于航空航天项目，其中最大的海南文昌液氢工厂产能也仅2t/D，和国外先进水平差距巨大。在民用领域，仅刚刚起步，市场基本还处于空白状态。由北京101所承建的国内首座民用市场液氢工厂于2020年4月建成，产能为0.5 t/天。而中国具有自主知识产权基于氦膨胀制冷循环的国产吨级氢液化工厂已于2021年9月成功实施，产能为2 t/d。目前我国的液氢总产能提高到了6 t/天，但和发达国家的液氢产能规模相比仍不在一个量级上。低产能导致中国液氢生产成本远高于美国等发达国家，严重限制了我国氢能产业的发展。而在技术封锁下，中国只能独立取得大规模氢液化装置的制备能力。因此，在液氢民用化方面，中国还有很长的路要走。

由于氢自身的物理特性，其液化难度较大，需要消耗大量的能源。理论上，氢的液化消耗的能量为28.9kJ/mol，而由于传热效率、蒸发损耗等问题，实际过程消耗的能量大约是理论值的2.5倍。此外，在氢气液化的过程中直接通过降温得到的液态氢并不能长时间储存，必须要进行氢的正仲转化，否则会导致未转化正氢的自发缓慢转化放热，造成液氢的蒸发损失。因此，在氢气液化流程中必须使用催化剂加速氢的正仲转化，以保证最终得到正仲氢含量合格的平衡态液氢产品，实现液氢的长时间稳定储存，而优良的正仲转化催化剂也是液氢技术难关之一。

液氢的制备方法有Linde-Hampson法（令氢气的体积瞬间膨胀，压力下降，从而使氢气自身温度降低，产生制冷效应）、Claude法（通过多级透平膨胀机使氦气膨胀降温至液氢温区，随后通过换热器向氢气提供冷量转化为液氢）以及逆Brayton法（直接将一部分高压氢气作为制冷介质经透平膨胀机输出功获取冷量）。

氢气的液化原理流程图

* 数据来源：CNKI、化工进展

上述的国产液氢工厂采取的是Claude法制氢工艺，这种工艺的单位能耗较高，仅适用于中等规模的液氢制取，产量的不大于5t/天。而Linde-Hampson法虽然原理简单，操作可靠，但效率较低，不适用于大规模工业制氢。目前来看，逆Brayton法的效率较高，经济效益较优，是规模化液氢制取的最好方法，但技术水平较高。

尽管有部分掌握先进液氢技术的国际公司与国内公司进行了一定程度的商业合作，但这些合作十分有限，基本上都是在需求端（如加氢站、氢燃料电池等）为中国提供小规模（不足吨级）液氢制取设备。如美国Air Product公司与中科富海合作建设中国第一个商业化液氢加氢站，设计加氢能力500kg/天。在液氢的规模化制取方面，仍坚定地遵循美国政府制定的“严格禁运，严禁交流”的政策。

目前，液氢主要用于航天领域，我国的长征五号运载火箭的燃料之一就是液氢。液氢作为一种航天燃料，具有十分优秀的混动性能。由于常规火箭燃料（如十二烷等）分子式较为复杂，烷分子之间的化学键较多，在燃烧反应中很难完全很难被全部破坏，导致一部分分子无法参与反应，在宏观上即体现为不完全燃烧。如美国公司SpaceX的猎鹰9号火箭采用RP-1煤油和低温液氧作为燃料，在引擎发动时产生大量一氧化碳等废气，其发动机尾端火焰呈橙黄色（一氧化碳受热离子化释放橙色光芒）。但液氢分子式结构简单，只有氢原子之间以化学键相连接。氢和氧的氧化还原反应比碳氢化合物的要简单，且不会有任何其他化合物出现，确保了充分燃烧，如美国RS-25火箭引擎采用了液氢液氧作为燃料，引擎效率达到了史无前例的高度，引擎发动时的尾焰颜色为充分燃烧的淡蓝色。

使用液氢作为燃料也有相应的代价，化学构造简单意味着分子间作用力也小，因此特别容易挥发，1大气压下的沸点为零下253度，因此需要发动机内部构建高压隔热环境，一方面提高液氢沸点，一方面隔绝热量传递。因此虽然引擎的效率提升了，但火箭燃料罐需要的额外装置也多了，这部分重量会抵消一部分效率带来的运力优势。而且由于液氢的密度较小，通常需要在火箭有较大的容积存放液氢，因此用液氢液氧作燃料的火箭的都比较“胖”(如我国长征五号被称为“胖5”）此外，液氢做火箭燃料还有燃料成本高、点火程序复杂、密度小等弊端，综合来看，性价比并不高。与此相比，虽然液氧煤油以及四氧化二氮＋偏二甲胫的组合的性能相对较差，但燃料密度大、比重高，仍是目前主流的火箭燃料。不过液氧煤油在高轨道动力衰减较为严重，因此目前最优性价比的方案是一级或前两级火箭使用煤油，最后一级使用液氢燃料，使火箭同时获得低成本和高轨道能力，如美国土星五号卫星就采取了这种方式。综合来看，液氢燃料虽然成本较高，但其在高轨道运输能力方面是很难被替代的。

我国的长征五号运载火箭使用液氢液氧以及液氧煤油作为燃料，由于技术水平的落后和美国的封锁，液氢产能远远满足不了需求。因此，在研制长征五号运载火箭时，蓝星航天与法国的液化空气集团展开了合作，从法国购买了液化空气的冷箱设备和配套的德国凯撒公司的压缩机，以满足航天领域对氢燃料的迫切需求。但是从法国引进的氢液化设备的产能并不高，液氢工厂每天只能完成2吨的产能，这不仅导致我国用氢成本十分高昂，而且火箭燃料对外依赖高也就意味着有被西方卡脖子的风险。直到2021年，中国才完成了产能为2t/天液氢工厂的自主国产化建设，初步缓解了燃眉之急，但用氢成本仍旧高昂。与此同时，我国航天事业的迅速发展促使了运载火箭发射数量的快速提高。截止到2022年，我国长征系列运载火箭发射总次数已经达到了400余次，并仍在快速攀升，过高的用氢成本不仅不利于我国航天事业的发展，也无法满足液氢的民用化的前提条件。由于液氢在低轨道火箭运输动能方面性价比并不高，在高轨道火箭运输动能方面暂时无法替代，所以未来的液氢产业很大程度上和国家航空发展战略相关，如果中国航空走向深空，那么液氢将是十分重要的一环。

综合来看，我国当前液氢产业的困境是相当严峻的。国内技术起点较低，国际技术封锁严重导致产能远远满足不了需求。但随着近期多个液氢核心技术的突破以及相关项目的落地，我国的液氢产业正在困顿中前行。而且实现国产装备的量产不仅意味着进口替代，成本的降低也有助于扩大规模促进规模效应从而推动成本进一步降低，加之市场巨大的需求缺口，一旦破除了技术壁垒，液氢将迎来迅速发展。此外，由于液氢液氧燃料在高轨道运载火箭中的运载能力很难被替代，我国航天事业的进一步向外层空间的发展也对我国液氢的生产、储存、运输能力提出了更大的需求，这样将成为液氢发展的动力源泉。

对于当前而言，受限于技术水平起点较低，Claude法大概率仍将是未来较长时间我国的主流液氢制取方式，这也就意味着我国液氢产业上限并不会在短期内有很大提高，但由于目前液氢的应用端主要集中在航空航天领域，且在深空探索领域有着举足轻重的作用，我国可能会上马更多的液氢项目，这取决于未来中国航天深空探索的需求。综合来看，液氢产业需要投资者在长期保持关注，方向有两点：其一是国内液氢制取工艺的重大突破、其二是国际合作的深入程度以及相关技术封锁能否动摇。

综上所述，氢能作为21世纪的理想能源，拥有着巨大的应用潜力，但相关的技术水平有着较高的门槛。目前我国的氢能产业发展态势积极，产能已经成为世界第一，但相关产业的进口依赖较为严重，推高了我国的用氢成本，因此自主可控式发展是未来我国氢能产业的必经之路。此外，由于我国资源供需的空间分布不平衡和储运技术瓶颈，在可预见的未来内，我国的氢能产业发展更可能采取本地化、区域化的发展模式。在投资领域，一方面，我们会持续关注国内技术水平的发展前沿，如国产的70MPa储氢技术等；另一方面，我们会跟进相关先进技术的商业化应用，重点关注相关研究机构和商业公司的合作进展，如郑津洋院士领衔的浙江大学高压过程装备与安全创新团队等；最后，我们将对氢能在本地化、区域化发展的模式保持的关注，寻找符合未来氢能发展模式的潜在的有价值的投资标的。