碳纤维国产化最有利的竟然是储氢瓶,解决了材料问题还有哪些方向可以攻研?
发布时间:2022-11-07 10:44     发布人:    浏览量:246次

多家研究机构日前指出,近几年我国碳纤维产能大幅扩张,产能利用率快速提升,国产替代加速。碳纤维缠绕复合材料作为储氢瓶的内胆,是氢气储运领域必不可少的关键部件。当前,全国各地纷纷布局氢燃料电池汽车,车载储氢瓶需求日渐火爆,碳纤维国产化加速、技术提升将进一步降低储氢瓶成本,利好我国氢能产业可持续发展。

龙头企业加速布局

此前,因全球大宗商品价格上涨,进口压力容器用碳纤维价格也随之上扬,导致国内储氢瓶生产成本有所提高。多年来,压力容器用碳纤维技术一直由日本、美国、韩国等国垄断,但近年来随着我国龙头企业加速项目布局和技术提升,这一垄断局面正在被逐步打破。

今年以来,我国多家企业相继投产万吨级碳纤维扩产项目。8月,吉林化纤集团高产能高性能50K大丝束碳化线投产,该公司碳纤维总产能提升至3.5万吨。10月,我国首个万吨级48K大丝束碳纤维工程第一套国产线在上海石化碳纤维产业基地投料开车,并生产出合格产品。

在政策机制的鼓励和支持下,全国多地开始布局碳纤维上下游产业链。9月19日,鄂尔多斯举行碳纤维全产业链生产基地项目战略合作签约仪式,通过联合上下游合作伙伴,推动10000吨/年高性能碳纤维项目落地,碳纤维产业下游布局将包括年产10万个储氢瓶生产基地、年产30000辆氢燃料重卡生产制造基地等项目,年产值将超过100亿元。

随着我国碳纤维项目持续增加,产能利用率正在不断提升。招商证券指出,近年来受下游需求拉动,我国碳纤维产能快速扩张,2021年我国碳纤维运行产能6.35万吨,同比增长75.41%,占全球碳纤维运行产能的30.5%,产能规模位居全球首位。


碳纤维国产化最有利的竟然是储氢瓶,解决了材料问题还有哪些方向可以攻研?


70MPaIV型瓶是方向,但需要突破痛点和难点

目前国内车载瓶主要采用的是35MPa的III型瓶,碳纤维的性能参数各大厂家均对标日本东丽,应用在高压气瓶领域为T700、T800以及少量的T720系列,碳纤维丝束一般为24K;使用12K碳纤维时,通过增加碳纤维股数的方法达到相同的工艺要求,成本就会相应增加。

III型瓶的20MPa、35MPa气瓶,IV型瓶的20MPa、35MPa、70MPa均使用T700级别的碳纤维。在70MPaIII型瓶,通常使用级别更高的T800、T720级别碳纤维,由于东丽的封锁只能使用韩国晓星的产品。

东丽封锁了约1年的对华出口,目前进口碳纤维以韩国晓星TH2550为主,其产品性能优越,缠绕工艺性好,使用在35MPa、70MPa压力等级较高的缠绕气瓶。国外封锁恰恰是国产碳纤维替代的良好契机,也是近年国产化替代快速增长的重要原因。原以为到2025年进口与国产持平,现在看起来,国内主要碳纤维企业都已经上市或正在准备上市,所以产能扩张很快,预计到2022年国产碳纤维与进口量就可以持平。

目前国内氢瓶碳纤维供应商主要有中复神鹰、光威复材和中安信可以达到气瓶缠绕的要求,不过目前依然以小丝束为主,而且供不应求,T700价格基本上都在200元/kg以上,如果上到T800价格就要翻十倍。

不过,国产碳纤维还存在产品稳定性差,毛纱率高,缠绕工艺性差的问题,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。且除中复神鹰外,其余品牌的国产碳纤维产量较低,可使用的厂家不多。

III型瓶和IV型瓶的差异在内胆材料的工艺和性能上。中集安瑞科的工程师于海泉说:“从产品结构来看,同样压力的III型瓶和IV型瓶材料成本差别不大,主要成本差异在工艺上,因为IV型瓶塑料内胆不需要热处理,且成型更加容易,所以比铝制内胆的成本更低。问题是,国内IV型瓶需要解决材料耐疲劳性和温度适应性的难点和痛点。解决这些问题就需要摊销成本,所以目前价格比较高。”

70MPa与35PMa的成本差异在阀门上,于海泉说,虽然三个70MPaIV型瓶的阀门成本达不到20万,但目前也有差不多10万左右,这也是非常高的成本,因为70MPa的储氢瓶要求阀门承受的压力更大,集成度更高,所以现在的阀门成本包括了研发费用,研发阶段没有规模,因此阀门的成本很高,未来规模化生产成本有很大的下降空间。

于海泉说,目前国内IV型瓶开发之所以难是因为一些企业操之过急,总希望产品的储氢密度能够达到极致,超越世界先进水平,但研发是需要有积累的,储氢密度的提升、塑料内胆对高温、低温的适应性都是研究IV型瓶需要解决的痛点,这也成为研发阶段的成本。

因为气瓶没有补贴,所以,市场就需要承担这一部分研发费用,从已经比较成熟的产品来看,即使现在还没有规模,成熟产品的价格也不算太贵,国富氢能招股说明书显示,公司2019年-2021年气瓶平均价格分别为8.84万元/套,12.43万元/套、13.78万元/套,只是,因为近几年销量没有突破,同一规格的产品价格也没有下降。

如果采用70MPaIV型瓶,短期内因为研发费用成本上升,但长期来看,IV型瓶成本低于III型瓶。

储氢瓶成本构成及降本路径探讨

碳纤维是储氢瓶制造的关键原材料,其成本和性能对储氢瓶的成本和使用性能影响重大。 根据美国能源局(DOE)的研究成果,碳纤维复合材料的成本占到储氢瓶成本的 60%以 上。 此外,储氢瓶的制造成本还包括阀门、调节器、组装检查、氢气等要素成本。

当前国内储氢瓶的平均售价在2-3万元/支,对应单套车载供氢系统的成本在20万上下, 后续降本空间充足,降本主要是从材料替换、技术进步及规模效应三方面来实现。 1)材料替换:在关键材料碳纤维方面,目前日本、韩国等成熟的氢燃料电池车型中已经 用上了大丝束碳纤维,而国内储氢瓶市场中 T700 级小丝束碳纤维仍占据绝对主导,大 丝束相关的应用仍处在早期的研发试验阶段,随着国产大丝束性能的逐步提升以及配套 研究的持续突破,大丝束有望在气瓶这一细分场景中实现对小丝束的部分或全面替代, 带动储氢瓶综合成本的下降。其次,当前国内储氢瓶所用的部分零部件及设备仍高度依 赖进口(比如瓶阀、纤维缠绕装备等),采购价格高,后续随着构件国产化的持续推进, 整体成本将随之降低。

2)技术进步:技术升级一方面是 III 型瓶向 IV 型瓶的过渡,当前国内 IV 型瓶相关的技 术尚未突破,根据 DOE 的测算,同样储氢质量为 5.6kg 且压力规格相同的 III 型和 IV 型 瓶相比,后者的成本比前者要低 10%左右,因为 III 型瓶采用了大量的铝合金材料导致 内胆成本较高。我们预计国内储氢瓶企业还需要 1-2 年时间才能具备 70MPa IV 型瓶的批量生产能力,届时气瓶在轻量化和成本方面将进一步改善。其次是气瓶容量的提升, 大容量气瓶单瓶储氢密度显著提高,减少单车配套气瓶数量的同时管阀件、管路件的材 料用量和成本也有望随之降低。

3)规模效应:类似于氢燃料汽车的降本路线,储氢瓶成本下降也有望受益于生产规模的 扩大,根据美国汽车研究理事会测算,当气瓶生产规模由 1 万套提高到 50 万套时,氢气 瓶成本会下降 20%。

国产化率大幅上升

企业及地方发力背后,离不开政策支持。2021年,加强碳纤维及其复合材料的研发应用被列入“十四五”规划重点发展领域;今年4月,工信部、发改委提出攻克48K以上大丝束、高强高模高延伸、T1100级、M65J级碳纤维制备技术。

据记者了解,上海石化48K大丝束碳纤维产品性能媲美国外同级别产品,质量达到国际先进水平。业内普遍认为,上海石化大丝束碳纤维已从关键技术突破、工业试生产、产业化,成功走向规模化和关键装备国产化。

事实上,经过长期技术积累,我国以吉林化纤、新创碳谷、恒神股份、光威复材等为代表的国内碳纤维龙头企业正逐步打破国外技术垄断,产能规模不断扩张,产品性能堪与国际龙头比肩。数据显示,碳纤维国产化率已从2016年的18.4%提升至2021年的46.9%,国产替代趋势明显。


招商证券指出,我国国产碳纤维正处于进口替代机遇期,但值得关注的是,业内仍有不少企业仍未掌握碳纤维核心生产技术,存在工业生产稳定性差、成本高的问题,产品大多围绕低附加值领域。持续提升生产技术水平、稳质降本是实现国产碳纤维“从有到优”的关键。


业内人士表示,大丝束碳纤维用于缠绕气瓶,可使气瓶的缠绕速度提高,有效提高生产效率,降低生产成本,随着国内碳纤维技术取得重大突破,我国氢储运领域有望迎来发展新突破。


碳纤维国产化最有利的竟然是储氢瓶,解决了材料问题还有哪些方向可以攻研?


储氢瓶将成为碳纤维巨大的增量市场

为什么值得投入呢?因为储氢瓶是一个巨大的市场。以中集合思康的产能规划为例,公司一期产能规划10万只瓶子对碳纤维的需求就是4000吨,这相当于国内一家中等规模企业一年的产量。

2021年中国市场车载储氢瓶出货量为30284支,同比增长122.43%,如果按照每个瓶子40kg计算,对碳纤维的需求是1211.36吨,如果达到2025年5万辆车,每个车8个瓶,那么就是16000吨;2030年达到100万辆车,如果40%商用车,60%乘用车,我们可以用40*8*40+60*2*25来模拟计算,则中国市场未来几年车载瓶对碳纤维的累计需求达到15.8万吨,而到2021年,全球碳纤维的需求也只有11.8万吨。

而我们还只算了国内市场的车载瓶,为了提高氢气运输量,现在长管拖车已经开始用到碳纤维缠绕瓶,而一辆碳纤维的长管拖车要用到一吨以上的碳纤维,如果按照一辆长管拖车服务50辆燃料电池汽车计算(现在差不多30辆),则2025年就需要1000辆管束车,如果50%采用碳纤维,未来三年长管拖车带来的需求就是500吨,而到2030年管束车需要的碳纤维需求估计在6000吨以上。

林刚预测2025年压力容器对碳纤维的需求22810吨,如果到2030年增长10倍,则碳纤维的需求量就是22.81万吨。

显然,碳纤维材料和阀门的高性能、低成本是推动储氢瓶规模化的条件,反过来,只有规模化和碳纤维材料的“平民化”才能让碳纤维材料和阀门有更大的发展空间。从2014年-2021年,因为满足市场需求的碳纤维总体上处于供不应求,市场价格一直都很高,碳纤维的价格只有通过技术上突破提高大丝束碳纤维的比例,才可能降低成本进入更大的民用市场。

据国富氢能招股说明书,车载储氢系统占据燃料电池汽车成本的 14%,过去三年国富氢能车载储氢系统平均单价为8.84万元、12.43万元、13.38万元;碳纤维采购价为130.06元/kg、130.87元/kg、166.03元/kg,这基本上代表了35MPaIII型瓶车载储氢系统和碳纤维的市场价格;阀门(应该含加氢站用阀门)平均采购价格1422.96元、1302.96元、1600.44元。

从35MPaIII型瓶到70MPaIII型瓶或IV型瓶,碳纤维材料和瓶阀都有一个过渡期,以目前70MPa碳纤维价格130元/kg-200元/kg,未来大丝束规模化后84元/kg;目前35MPa瓶阀国外价格3000-4000元/个,国内1800元/个;70MPa暂时没有国产阀,国外供应商价格原来最高达到10万/个,现在也有4-5万/个,最低约22000元/个,国内企业未势能源、瀚氢动力、旗磐科技、神通新能源等都在积极研发70MPa瓶口阀,预计国产阀取得上车资格后成本可以降至1万元/个左右,规模化后可以下降至5000元/个。

假设从35MPa过渡到70MPa车载供氢系统碳纤维和瓶口阀以外的成本不变,研发期采用进口瓶阀,商用车供氢系统成本达到37万左右,如果大丝束碳纤维和瓶口阀国产化,规模化生产则商用车的供氢系统基本可以达到现阶段35MPa的成本,如果采用IV型瓶,则成本还可以下降大约10%。

也就是说,尽管从35MPa过渡到70MPa会增加研发费用,但从目前国内碳纤维和阀门企业的布局来看,过渡到70MPaIV型瓶可以实现配套的经济性。除上海石化,吉林碳谷、吉林化工、光威复材、中复神鹰等企业都在开发48K大丝束原丝或碳纤维材料。

与燃料电池核心零部件一样,国内市场的大丝束碳纤维和70MPa阀门的研发和规模化供应的进度与燃料电池汽车发展目标基本一致。