劉海利
〔中國石化銷售有限公司油品技術研究所 天津 300384〕
加氫站是連接上游制氫、運氫,下游燃料電池汽車用氫的重要樞紐。加氫站網絡化分布是氫燃料電池技術大規(guī)模商業(yè)化的基本保障,氫氣輸送是解決加氫站網絡化合理分布的關鍵。
氫氣輸送按照輸送方式的不同主要有氣氫輸送和液氫輸送兩種。氣氫輸送分為管道輸送、長管拖車輸送和罐車輸送。管道輸送一般用于輸送需量大的場合,長管拖車輸送距離不宜太遠,輸送量不大。液氫輸送一般采用罐車和船,可進行長距離輸送。
按照輸送距離劃分為160 km短距離輸送和1609 km長距離輸送。
從表1氫氣輸送費用的比較可以看出,長距離輸送,鐵路比公路有優(yōu)勢,管道壓縮氣體的儲運比其它方式更經濟。雖然液氫的輸送費用低,但是氫的液化和儲存費用高。金屬氫化物儲氫方式在輸送環(huán)節(jié)無明顯優(yōu)勢。
表1 氫氣輸送費用比較 元/m3
注:資料來源:賽迪經智,2013-03。
*以標準狀態(tài)計。
按照不同的分類方法,加氫站可以分為多種類型[1-3]。以建設形式劃分,可分為固定加氫站和移動加氫站。以氫氣儲存狀態(tài)劃分,可分為液氫加氫站和高壓氫氣加氫站。以加注方式劃分,可分為單級加注加氫站和多級加注加氫站。以制氫方式,可分為電解水制氫站、甲醇現(xiàn)場制氫、天然氣現(xiàn)場制氫、汽油現(xiàn)場制氫等。以氫源劃分,可分為外供氫加氫站和站內制氫加氫站。
站內制氫包括電解水制氫、天然氣或甲醇重整制氫等。站內制氫可以省去較高的氫氣運輸費用,但是增加了加氫站系統(tǒng)的復雜程度。
外供氫加氫站的氫氣是從外部生產后通過長管拖車、液氫槽車或者管道運輸至加氫站,在站內進行壓縮,輸送至高壓、中壓、低壓儲罐內分級儲存[4]。若采用氣態(tài)長管拖車運輸,為了運輸?shù)陌踩?,管狀容器的儲氫壓力不得高?0 MPa,所以還需經過站內的氫氣壓縮機增壓至35 MPa以上才能達到加注標準。若采用液氫罐車運輸,輸送至加氫站儲罐內的液氫還需經蒸發(fā)器汽化,再經壓縮機增壓后儲存。
站內制氫加氫站是在加氫站內配備了制氫系統(tǒng),氫氣制備后經純化、壓縮,先后輸送至高壓、中壓、低壓儲罐內分級儲存[4]。
目前加氫站主要是高壓壓縮氫氣加氫站,根據供氫方式的不同,加氫站各系統(tǒng)的設備有所不同,但都大致相同,主要包括卸氣柱、壓縮機、儲氫罐、加氫機、管道、控制系統(tǒng)、氮氣吹掃裝置、安全監(jiān)控裝置等,其核心設備是壓縮機、儲氫罐和加氫機[4-6]。
壓縮機。加氫站使用的壓縮機主要有隔膜式壓縮機和離子式壓縮機兩種。
儲氫罐。儲氫罐是加氫站的核心設備之一,很大程度上決定了加氫站的氫氣供給能力。加氫站內的儲氫罐通常采用低壓(20~30 MPa)、中壓(30~40 MPa)、高壓(40~75 MPa)三級儲存。有時氫氣長管拖車也作為一級儲氣(10~20 MPa)設施。
加氫機。加氫機是實現(xiàn)氫氣加注服務的設備,加氫機上裝有壓力傳感器、溫度傳感器、計量裝置、取氣優(yōu)先控制裝置、安全裝置等。對燃料電池汽車進行加注氫氣時,若加氫站采用4級儲氣方式,則加氫機首先從氫氣長管拖車中取氣;當長管拖車中的氫氣壓力與車載儲氫瓶的壓力達到平衡時,轉由低壓儲罐供氣,然后分別從中壓、高壓儲罐中取氣;當高壓儲罐的壓力無法將車載氣瓶加注至設定壓力時,則啟動壓縮機加注。加注完成后,壓縮機按照高中低壓的順序為儲罐補充氫氣。
氫氣加注是通過氫氣加注系統(tǒng)為燃料電池汽車加注氫氣。加氫站對外加注氫氣時,儲氣瓶組向汽車加氫氣,則依低、中、高壓儲氣瓶組按順序進行加氣[7]。長管拖車供氫加氫站對汽車進行加注時,加氫機可以先后從氫氣長管拖車、低壓儲氫罐、中壓儲氫罐、高壓儲氫罐中按順序取氣進行加注。液氫槽車供氫加氫站、管道輸送供氫加氫站和站內制氫加氫站對汽車進行加注時,加氫機可以先后從低壓、中壓、高壓儲氫罐中按順序取氣進行加注。
世界上已有或者在建加氫站的主流模式為高壓氣氫加注模式和液氫加注模式。1999年5月,德國人在慕尼黑國際機場建成了世界上第一座用于氫能汽車的加氫站。此后世界各國相繼開始推動加氫站的建設,其中德國、英國、美國、日本等國家高度重視加氫站建設。截至2017年底,全球共有328座正在運營的加氫站,其中139座位于歐洲,118座位于亞洲,北美擁有68座(39座位于美國),南美擁有1座,澳大利亞擁有1座,阿拉伯聯(lián)合酋長國擁有1座(位于迪拜)。
2017年5月,日本的日產、本田、豐田三大汽車商合作計劃于2020年前在日本境內建設160座加氫站。
到2017年底,德國共有56座加氫站,其中45座是公共加氫站。到2019年,德國加氫站數(shù)量預計將增加到100座。
2017年3月,美國空氣產品公司宣布公司旗下的美國加州加氫站氫氣價格為9.99 美元/kg,這是燃料電池汽車氫能源供應走向低價的一個里程碑。截止2018年1月25日,美國共有39座加氫站為燃料電池汽車提供加氫服務。其中,加利福尼亞州有35座,南卡羅萊納州有2座,剩下2座位于東北部。
未來幾年,全球主要國家將加快加氫站建設。到2020年,全球加氫站保有量將超過435座,2025年有望超過1000座,日本、德國和美國分別有320座、400座和100座。
為了推動燃料電池汽車的發(fā)展,我國也積極建設加氫站,北京永豐加氫站是第一座站內制氫加氫站,于2006年6月建成[8]。我國氫燃料電池汽車,初期以公交及商用車為主,加氫站主要以35 MPa為主。2020年后,氫燃料電池轎車開始推向市場,70 MPa加氫能力的加氫站需求顯著增加。同時隨著加氫站數(shù)量的增加,加氫站與加油站/加氣站/充電站混合形式的能源站成為主要形式。
截止2017年8月,我國已建成的加氫站有12座,在營加氫站有6座,分別位于北京、上海、鄭州、大連、佛山和云浮。在建的加氫站為24座,位于上海等省市。我國在營加氫站概況見表2。
表2 我國在營加氫站概況
續(xù)表2
從銷售終端來看,資料顯示,截至2015年底,我國共有加油站9.63萬座,其中中石油與中石化共有5.13萬座,占比53 %。中石油/中石化建設加氫站的優(yōu)勢主要在于氫氣來源和銷售終端。他們將引導我國加氫站建設的進一步提速,為燃料電池車規(guī)?;瘧脛?chuàng)造條件。由于加氫站和加油站均有安全距離的要求,因此,建設加油加氫站只需在拆除加油站內的一臺加油設備,用來增設氫氣相關設備即可,而不像單獨建設加氫站需要審批土地,審批過程繁瑣。
作為能源行業(yè)的領軍,中石化已經布局氫燃料相關產業(yè)。2018年10月22日,為推動加氫站建設,中石化與億華通簽訂《戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》,在氫氣供應、車輛加氫、加氫站運營等方面展開全面深入合作。市場推廣初期,億華通利用張家口可再生能源風電制取的氫氣將成為中石化的氣源保障,保證終端氫氣價格不高于40元/kg。
(1)日本。2014年6月發(fā)布了到2040年的“氫社會”戰(zhàn)略路線圖,到2020年著力擴大國內固定式燃料電池和燃料汽車的使用量,以占據氫燃料電池世界市場的領先地位。日本對氫能和燃料電池的支持政策主要包括研發(fā)、示范和車輛補貼等方面。2017年日本對燃料電池研發(fā)支持資金共129億日元,包括燃料電池、加氫站、氫能供應鏈3個方向。在車輛補貼上,實施新能源汽車綠色稅制政策,根據汽車種類和指標,車重稅和汽車購置稅可享受50 %~100 %的減免,同時在加氫站建設上給予50 %補貼。據統(tǒng)計,2014年日本對國內所有加氫站的補貼總額高達72億日元。
(2)美國。美國能源部當前特定目標主要有3個:從現(xiàn)有的和未來的能源中獲取氫能、自由汽車、燃料電池研究計劃。
(3)韓國。氫能研發(fā)是韓國政府“21世紀前沿科學計劃”的主攻技術領域之一。韓國政府成立了“氫能研發(fā)中心”,該中心將氫能生產、氫能貯藏和氫能利用作為研究重點。
2014年11月,《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃2014—2020》把氫氣制取、儲運及加氫站、先進燃料電池和燃料電池分布式發(fā)電作為重點戰(zhàn)略方向。
2014年11月,財政部、科學技術部、工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會聯(lián)合發(fā)布《關于新能源汽車充電設施建設獎勵通知》,對加氫站給予獎勵,對符合加氫站國家技術標準且每天加氫不少于200 kg的加氫站,將給予400 萬元的補貼。
2016年6月,《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃(2016—2030年)》明確了氫能與燃料電池技術創(chuàng)新目標與路線。技術創(chuàng)新重點在氫氣制取與儲運、加氫站和先進燃料電池等方面。
2017年5月,《“十三五”交通領域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》指出,重點發(fā)展氫燃料電池汽車核心專項技術、加氫基礎設施和示范考核技術,重點專項布局包括氫燃料電池汽車。
為加快推進加氫站建設與運營,通過政府和企業(yè)協(xié)作,我國近幾年陸續(xù)出臺了關于加氫站相關的標準和規(guī)范,包含技術要求和安全要求,推動我國氫能工業(yè)發(fā)展。加氫站基礎設施標準見表3。
表3 加氫站基礎設施相關標準
加氫站建設與運行維護成本高。據推算,在日本建設一座氫氣充氣站的費用相當于汽油加油站的5倍。原因是氫氣充氣站的構造復雜,選址要求嚴格,占地面積大等。我國加氫站建設所需關鍵部件主要依靠進口,建設成本增加。
中國石化具有遍布全國的加油站網絡,利用加油站/加氣站來建設加氫加油站合建站,可以節(jié)約加氫站建設土地成本。2018年1月,國內首座由中國石化廣東云浮石油與云浮新興縣國資辦合資合作的加油加氫站在廣東云浮新興動工建設,項目建成后,將提供更穩(wěn)定的成品油供應和氫氣能源供應。
氫氣作為易燃易爆氣體,為甲類可燃氣體,極易被引燃,與空氣混合的爆炸極限(體積分數(shù))為4.1 %~74.1 %,因此其安全性不容忽視。氫氣分子小,更容易發(fā)生滲透與泄漏,擴散速度快。加氫站在設計建造時要預留充足的安全距離,必要時可增設防爆墻;在正式運營前要布控消防安全預警,提前做好應對風險的方案。此外氫氣對金屬材料產生氫脆現(xiàn)象,破壞金屬性能。
我國缺少規(guī)范化加氫站建設的審批規(guī)定,氫氣作為能源應用無相應主管部門,審批流程不順暢,地方審批加氫站建設無據可依,審批效率較低。
氫燃料電池經過近兩個世紀的發(fā)展,已經在全球逐漸得到應用,尤其是在汽車行業(yè)的發(fā)展空前迅速,各國政府都在推行燃料電池和燃料電池汽車相關示范項目,基本完成了氫燃料電池汽車的性能研發(fā),解決了示范中發(fā)現(xiàn)的核心技術問題,整車性能已經達到傳統(tǒng)汽車水平。然而燃料電池汽車的商用量產普及還需破解整車集成和輕量化、高性能燃料電池制造與使用的低成本與安全性、制氫儲氫和氫氣配置等問題。
與國外氫燃料電池汽車技術先進國家相比較,我國還有很大差距,加氫站網絡化是氫燃料電池汽車推廣的基礎,未來幾年我國加氫站建設將進入快速發(fā)展期,同時混合加氫站的建設將成為主流。