韓煒鴻(濟南港華燃?xì)庥邢薰?，山東 濟南 250000)

0 引言

隨經(jīng)濟發(fā)展、技術(shù)進步，環(huán)保壓力與日俱增，人們對低碳化能源消費也日益重視。氫作為具有清潔、零排放等特點的一種能源，是未來最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗?，將在交通運輸、工業(yè)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)普及應(yīng)用。工業(yè)領(lǐng)域上可與煉化、鋼鐵、冶金等行業(yè)有機融合，有效減少碳排放。交通運輸上可通過燃料電池技術(shù)，應(yīng)用于汽車等交通運輸領(lǐng)域，推動交通終端用能清潔化。

目前氫氣主要來源于煤制氫及工業(yè)副產(chǎn)品制氫，其中煤炭制氫在人工制氫產(chǎn)業(yè)中占比約62%。隨氫能發(fā)展，繼續(xù)大規(guī)模使用煤制氫及工業(yè)副產(chǎn)品制氫，將造成嚴(yán)重的大氣污染。天然氣制氫是氫制取產(chǎn)業(yè)較為成熟方式之一，約占19%。天然氣制氫為近期人工制氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢。而國外主流的制氫方式也為天然氣制氫。

目前天然氣行業(yè)供需相對寬松，國內(nèi)天然氣綜合保供能力強。2019年，全球天然氣產(chǎn)量增速(3.4%)大大超過消費量增速(2%)，大部分地區(qū)的天然氣存儲量上升[1]。隨著天然氣產(chǎn)供儲銷體系建設(shè)有序開展，西氣東輸、海氣登陸和國家級、省級天然氣干線的互聯(lián)互通，全國天然氣供應(yīng)保障總體平穩(wěn)，預(yù)計2020年保供能力將達到3600億立方米以上。

為促進加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，2020年氫能/儲能首次被寫入年度國民經(jīng)濟和社會發(fā)展計劃并明確指出：制定國家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃；支持新能源汽車、儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。山東省發(fā)布?xì)淠墚a(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃(2020-2030年)指出：2020年到2022年，為氫能產(chǎn)業(yè)全面起步期。有序推進加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，累計建成加氫站30座；燃料電池汽車在公交、物流等商用車領(lǐng)域率先示范推廣，約3000輛左右。[2]

加氫站是連接上游氫氣和下游燃料汽車的紐帶，是發(fā)展燃料電池車的基本條件。截至2020年1月，我國已建成加氫站61座，與2020年加氫站數(shù)量達到100座的發(fā)展目標(biāo)相比差距甚遠。究其原因，最主要是加氫站成本高、收益慢。國家及地方政府已在政策上給予高度重視及扶持，氫能想穩(wěn)步發(fā)展，就得增加市場競爭力，降低成本。

1 天然氣制氫與加氫站合建優(yōu)勢

典型燃料電池汽車每百公里消耗1kg氫氣，與傳統(tǒng)汽油車對比，氫氣成本≤40元/kg時氫燃料才有較強競爭力[3]，現(xiàn)在氫氣售價一般為60～80元。氫氣成本包括制氫、運氫、氫氣利用三部分，制氫與加氫站合建，即可省掉運氫環(huán)節(jié)，省去昂貴的氫氣運輸費用，顯著降低氫氣成本。

1.1 天然氣運輸

目前在建或已建成的加氫站大多采用外供氫的方式，而國際上大多數(shù)國家加氫站采用站內(nèi)制氫加氫技術(shù)。如圖1所示，外供氫方式工作流程為：制氫廠生產(chǎn)氫氣提純后經(jīng)壓縮機壓縮，通過裝氣柱裝入長管拖車或集裝格運輸，到達目的地后，經(jīng)由氫氣壓縮機增壓后，注入加氫站的高壓、中壓、低壓儲氣罐中分級儲存，再通過氫氣加氣機為燃料電池汽車加注氫氣[3]。

目前氫氣運輸為高壓氣態(tài)運輸，一般采用長管拖車運輸，小規(guī)模用戶可采用氫氣瓶集裝格運輸。國內(nèi)長管拖車氣瓶壓力一般為20MPa，運輸量約250～460kg/車，且回空壓力不能過低，整體利用率僅為75%～85%?？紤]到經(jīng)濟性問題，長管拖車運氫一般適用于200km內(nèi)的短距離運輸。隨著運輸距離的增加，長管拖車運輸成本逐漸上升。為一座500kg/d加氫站供氣，若距離為100km，運氫成本約為8.66元/kg[4]。一般情況下，通過氫氣管束車運輸方式成本約占總成本的22%～26%[5]。

圖1 外供氫方式工作流程

1.2 氫氣成本核算

天然氣價格是決定制氫價格的重要因素，約占制氫成本73%[6](考慮設(shè)備損耗、人工費等)。按濟南市工業(yè)用氣價格估算，氫氣成本約24元/kg。天然氣制氫原材料消耗定額見表1。

天然氣制氫在用氣結(jié)構(gòu)中屬于四季使用的優(yōu)質(zhì)用戶，燃?xì)馄髽I(yè)一般會給予一定優(yōu)惠政策，同時通過使用城市燃?xì)馀c采購低價格LNG相結(jié)合方式，可進一步降低氫氣成本，天然氣制氫價格可控制在22元/kg左右。

建設(shè)一座500kg/d，35MPa加氫壓力的加氫站，壓縮機、加氫機、儲氫罐等設(shè)備昂貴，約占整個建設(shè)成本57%，加氫環(huán)節(jié)氫氣成本約14.2元/kg[7]。采取天然氣制氫與加氫合建方式，節(jié)省運輸費用，氫氣成本可控制在37元左右。

表1 天然氣制氫成本估算(1000m3 H2為單位產(chǎn)品)

2 天然氣制氫與加氫站合建技術(shù)要求

天然氣制氫與加氫合建站選址要符合城市總規(guī)、控規(guī)等要求，滿足未來城市發(fā)展需求且交通便利的地方。站內(nèi)功能分區(qū)分明，布置整齊、緊湊，盡可能節(jié)約用地。站場平面布置服從工藝流程走向，在符合安全的條件下，各管線走向和運輸路線走向最短。

整個站的建設(shè)設(shè)計主要參考規(guī)范《氫氣站設(shè)計規(guī)范》(GB 50177)、《加氫站技術(shù)規(guī)范》(GB 50516)等相關(guān)規(guī)范規(guī)定要求。站內(nèi)的制氫裝置、儲氫裝置等設(shè)備一般為室外布置，按《氫氣站設(shè)計規(guī)范》(GB 50177)規(guī)定要求，可將站內(nèi)的建筑物、構(gòu)筑物和室外設(shè)備視為一套工藝裝置，裝置內(nèi)部分工藝設(shè)備區(qū)、建筑物區(qū)。設(shè)備區(qū)布置包括制氫工藝，氫氣灌充、壓縮和儲存、運輸車加注等。設(shè)備與建筑物等防火間距依據(jù)工藝裝置區(qū)內(nèi)要求。

場站與周邊建構(gòu)筑物、站內(nèi)管道之間、站內(nèi)設(shè)施及建構(gòu)筑物防火間距滿足《氫氣站設(shè)計規(guī)范》(GB 50177)、《加氫站技術(shù)規(guī)范》(GB 50516)規(guī)定要求。防火間距應(yīng)按相鄰建筑物、構(gòu)筑物的外墻、凸出部分外緣、儲罐外壁的最近距離計算[8]。

城市建成區(qū)加氫站儲氫總量不得超過1000kg，最常見的加氫規(guī)模是500kg/天。加氫站的儲氣壓力分為40～45MPa、80～90MPa兩種，加注壓力分別為35MPa、70MPa。目前35MPa最為常見，隨氫能產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展、技術(shù)革新，加氫站加注壓力正向70MPa、甚至90MPa發(fā)展。

站內(nèi)氫氣壓縮機不宜少于2臺，連續(xù)運行的往復(fù)式氫氣壓縮機應(yīng)設(shè)備用。加氫站壓力有別于CNG加氣站25MPa(加注20MPa)壓力，儲罐分級略有不同。為達到最佳取氣率，高中壓儲氫罐最佳容積比為1:2:2[10]。

3 結(jié)語

實現(xiàn)可持續(xù)綠色發(fā)展，大力發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的同時，注重低碳制氫。制氫產(chǎn)業(yè)中，煤制氫產(chǎn)生大量碳排放，不符合國家節(jié)能減排環(huán)保發(fā)展要求，與發(fā)展氫能用于減排提效的初衷相餑；可再生能源制氫雖是今后制氫發(fā)展趨勢，但目前其技術(shù)相對不成熟、成本高，所以在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，天然氣制氫在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

加氫站是發(fā)展氫能下游市場、發(fā)展燃料電池的一項重要環(huán)節(jié)，在站內(nèi)天然氣制氫，有利于土地整合利用、節(jié)省昂貴的氫氣運輸費用，大幅度降低氫氣成本。氫能只有擺脫政府補貼的依賴，市場價格與傳統(tǒng)能源有較強競爭力。隨技術(shù)自主研發(fā)，加氫站儲氣、加注壓力提升、壓縮機等固定設(shè)備成本降低，將進一步降低氫氣成本，相信氫能產(chǎn)業(yè)鏈將會長久發(fā)展。