張 鵬
(中石化南京工程有限公司,江蘇 南京 211100)
氫燃料電池由于其能量轉(zhuǎn)化率高(發(fā)電效率理論值為85%)、“零”排放(排放物為水)、續(xù)航里程長等諸多優(yōu)勢,已經(jīng)被視為未來汽車能源的終極發(fā)展目標(biāo)。
氫燃料電池汽車的進(jìn)一步研發(fā)與量產(chǎn)化,必將成為汽車工業(yè)領(lǐng)域的一場新革命,加氫站隨之發(fā)展是必然趨勢。
2019年《政府工作報告》中提到:在汽車市場中,要穩(wěn)定汽車消費(fèi),繼續(xù)執(zhí)行新能源汽車購置優(yōu)惠政策,推動充電、加氫等設(shè)施建設(shè)。
預(yù)計2025年后國內(nèi)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)將進(jìn)入快速發(fā)展階段,到2030年國內(nèi)燃料電池汽車年銷量規(guī)??蛇_(dá)百萬以上,配套加氫站數(shù)量將在4500座以上,對應(yīng)加氫站投資規(guī)模800億元,相關(guān)設(shè)備投資規(guī)模達(dá)到500億元。
截止2018年,全球共有327座加氫站正在運(yùn)行的加氫站,歐洲有139座,亞洲有120座,北美有68座。
美國:截止2018年2月,共有40座加氫站處于運(yùn)營中,有31座是屬于零售站。
日本 :世界上加氫站最多的國家,目前公共加氫站數(shù)量為94座,預(yù)計2020年達(dá)160個,2025年達(dá)到320個,2030年增加到900個,到2050年逐步替代加油站。
韓國:預(yù)計2020年達(dá)到80座,2025年達(dá)到210座,2030年達(dá)到520座。
法國:從2019年起,到2028年,加氫站規(guī)模建設(shè)增加至400-1000座。
德國:截止2018年底共有45座加氫站,其中36座是公共加氫站。
表1為國外各加氫站規(guī)格。
圖1 全球主要加氫站分配表
表1 國外各加氫站規(guī)格
截止2018年底,我國已建成、在用及在建的加氫站共有49座,分別位于北京、上海、江蘇、大連、安徽、張家口、佛山、成都等地。大多為城市燃料電池公共示范汽車或自有的燃料電池物流車提供加注服務(wù),暫未實現(xiàn)全商業(yè)化運(yùn)營。
2019年《政府工作報告》中提到:在汽車市場中,要穩(wěn)定汽車消費(fèi),繼續(xù)執(zhí)行新能源汽車購置優(yōu)惠政策,推動充電、加氫等設(shè)施建設(shè)。
博思數(shù)據(jù)發(fā)布的《2018-2024年中國加氫站市場現(xiàn)狀分析及投資前景研究報告》,根據(jù)中國制造2025對燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)劃,2025年的目標(biāo)是實現(xiàn)加氫站等配套基礎(chǔ)設(shè)施的完善。
預(yù)計2025年后國內(nèi)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)將進(jìn)入快速發(fā)展階段,到2030年國內(nèi)燃料電池汽車年銷量規(guī)模可達(dá)百萬以上,配套加氫站數(shù)量將在4500座以上,對應(yīng)加氫站投資規(guī)模800億元,相關(guān)設(shè)備投資規(guī)模達(dá)到500億元。
加氫站提供的氫氣濃度應(yīng)高于99.99%,須嚴(yán)格控制二氧化碳、一氧化碳、硫化物、氯、氫、氧、水分和顆粒物等雜質(zhì)的含量。
目前石化煉廠生產(chǎn)出來的氫氣純度不能滿足氫燃料電池的要求,需考慮在氫原料工廠增設(shè)氫氣提純裝置,氫氣提純通常由低溫分離、膜分離和PSA提純法,圖2方案采用PSA提純法。
圖2 PSA提純法
氣氫管束拖車輸送:運(yùn)輸能力為250~460 kg/車(4000 NM3/車),運(yùn)輸技術(shù)成熟,輸送網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量達(dá)到8個后,管束拖車運(yùn)輸成本逐漸穩(wěn)定在2.3元/kg。
氣氫管道:輸送流量310~8900 kg/h,輸送效率高,但一次性投資成本高,當(dāng)加氫站規(guī)模達(dá)到1500 kg/d時,運(yùn)輸成本大約為6元/kg。
液氫槽車:輸送槽罐車容量~65 m3,每次可凈運(yùn)輸約4000 kg氫氣。輸送效率高,但氫氣液化投資大,能耗高,對設(shè)備要求高。液氫槽車運(yùn)輸氫氣的最低成本為0.4元/kg。 綜合比較:目前加氫站宜采用管束拖車運(yùn)輸。
通過各泊位內(nèi)的卸氣柱,將氫氣從管束內(nèi)卸載,并輸送至氫氣增壓系統(tǒng)和加注機(jī)。
當(dāng)管束拖車上管束內(nèi)壓力與固定儲氣瓶內(nèi)壓力平衡,壓縮機(jī)啟動,繼續(xù)將管束拖車儲氫瓶中的氫氣卸載到固定儲氫瓶組中。
當(dāng)管束內(nèi)的氫氣壓力降至設(shè)定壓力時(如6 MPa),該管束停止卸氣,并離開加氫站前往氣源處加氣。
增壓系統(tǒng)是整個加氫站的關(guān)鍵組成。 從氫氣管束拖車上卸載下來的氫氣通過壓縮機(jī)增壓后儲存在站內(nèi)的高壓儲氫瓶組,也可通過壓縮機(jī)直接增壓對燃料電池車輛進(jìn)行充裝。
為了充分利用壓縮機(jī)增壓能力,以及保證項目的正常運(yùn)行和維護(hù),氫氣增壓系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)綜合考慮了增壓效率和運(yùn)行效率之間的關(guān)系。
氫氣屬易燃易爆氣體,具有易燃易爆性、熱膨脹性,且在加氫站以高壓形式儲存,設(shè)計滿足GB/T 34584-2017《加氫站安全技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定。
加氫工藝如圖3所示。
圖3 加氫工藝
流程描述如下:
氫氣管束拖車將小于20 MPa 的壓縮氫氣從氫氣生產(chǎn)單位運(yùn)送進(jìn)加氫站。
氫氣經(jīng)卸氣柱卸載后通過氫氣壓縮機(jī)增壓至 43.8 MPa儲存到站內(nèi)固定儲氫瓶組中,通過加注機(jī)加注。
氫氣管束拖車也可同站內(nèi)儲氫瓶一起作為站內(nèi)的一級儲氫裝置,通過多級取氣的模式從儲氫瓶組中輸出氫氣,通過加氫機(jī)充裝到燃料電池汽車的車載儲氫瓶中。
氫氣屬易燃易爆氣體,具有易燃易爆性、熱膨脹性,且在加氫站以高壓形式儲存。加氫站建設(shè)應(yīng)滿足GB 50516-2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》(表2)規(guī)定。
表2 加氫站技術(shù)規(guī)范
本文擬建設(shè)在城市建成區(qū)內(nèi)的三級加氫站:
(1)依托現(xiàn)有制氫裝置,采用離站式制氫加氫方式,具有占地小,生產(chǎn)成本低,安全性高,易規(guī)?;葍?yōu)勢。
(2)根據(jù)氫氣來源、氫能汽車流量、汽車的氫氣充裝容量等因素,配比最佳的充裝時間、儲氫罐數(shù)量、儲氫壓力等級。
(3)根據(jù)氫氣的離站輸送方式不同,配合高效卸氣系統(tǒng)。
(4)選用分級加注和增壓加注相結(jié)合的綜合加注工藝,提高加注效率。
(5)優(yōu)化加氫關(guān)鍵設(shè)備選擇,氫氣壓縮機(jī)流量3500 Nm3/h,進(jìn)氣壓力:5~20 MPa,排氣壓力45 MPa(G) ;儲氫瓶20 MPa、40 MPa;加注機(jī)額定加注壓力35 MPa。
詳細(xì)配置如表3。
表3 三級加氫站配置
本加氫站,儲氫能力1000 kg,大約能滿足每天60臺小車及20臺大巴加氫需求。