徐文斌

(安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 環(huán)境與生命健康學(xué)院,安徽 合肥 230011)

隨著發(fā)展方式,人口及消費(fèi)模式等諸多因素的影響,能源消費(fèi)總量快速增長(zhǎng),由此導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題日益突出。我國(guó)能源結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“富煤、少油、缺氣”的狀態(tài),能源結(jié)構(gòu)單一,以有限存量化石燃料的燃燒導(dǎo)致我國(guó)成為遭受污染等災(zāi)害較為嚴(yán)重的國(guó)家之一。其次,我國(guó)的CO2減排面臨緊迫性。2015年我國(guó)簽署的《巴黎協(xié)定》,目標(biāo)是在2030年中國(guó)單位GDP碳排放要比2005年下降60%～65%,非化石能源在總的能源當(dāng)中的比例提升到20%左右。因此,綠色清潔高效低成本的能源開(kāi)發(fā)利用是未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要研究方向。

氫能作為中國(guó)能源問(wèn)題的最終解決方案,將深刻影響中國(guó)能源應(yīng)用的前景?！?019中國(guó)氫能源與燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》中指出到2050年氫能將在中國(guó)終端能源體系中占比達(dá)到10%[1],與電力協(xié)同互補(bǔ),共同成為中國(guó)終端能源體系的消費(fèi)主體之一。

然而,當(dāng)前我國(guó)氫能利用的主要特點(diǎn)是“就地生產(chǎn),就地消費(fèi)”,全生命周期商業(yè)化應(yīng)用中諸如制取、儲(chǔ)運(yùn)、應(yīng)用等各環(huán)節(jié)還不夠成熟,而儲(chǔ)運(yùn)是其中的瓶頸環(huán)節(jié)。目前常見(jiàn)的儲(chǔ)運(yùn)方式是高壓氣態(tài)氫及液態(tài)氫儲(chǔ)運(yùn)[2-4]。鄭津洋[5-6]等IS-6I人介紹了氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備基本特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn),并在對(duì)高壓儲(chǔ)氫設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)和評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。劉翠偉[7]圍繞氫能輸送與應(yīng)用,分析了氫能全產(chǎn)業(yè)鏈：制備、儲(chǔ)存、輸送、加注以及終端應(yīng)用一系列工藝的研究現(xiàn)狀,梳理了氫能輸送及應(yīng)用涉及的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,明確了未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)并提出建議。殷卓成[8]等指出液體和固體形式儲(chǔ)氫密度高、安全、運(yùn)輸方便,有望與燃料電池技術(shù)結(jié)合廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸領(lǐng)域;天然氣摻氫管道輸送是氫能規(guī)模化、大面積區(qū)域性輻射應(yīng)用的必然趨勢(shì),但相關(guān)技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)需完善。鄒才能[9]等闡述了氫產(chǎn)業(yè)鏈中制備、儲(chǔ)運(yùn)、應(yīng)用等重點(diǎn)環(huán)節(jié)主要關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展,分析了氫能工業(yè)化現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì),探討了氫工業(yè)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn),展望了氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與未來(lái)。他們認(rèn)為加快推進(jìn)制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、氫燃料電池、加氫站及其他用氫場(chǎng)景等氫能全產(chǎn)業(yè)鏈整體發(fā)展,注重與油氣工業(yè)深入融合協(xié)同,將有效推進(jìn)氫氣工業(yè)體系快速高質(zhì)量發(fā)展。

學(xué)者們主要對(duì)儲(chǔ)氫設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)防控措施以及氫制備、儲(chǔ)存、輸送、加注技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了相關(guān)研究,但鮮少有關(guān)儲(chǔ)運(yùn)氫成本分析的研究報(bào)道。鑒于此,本文對(duì)高壓氫、液氫儲(chǔ)氫技術(shù)的能耗、能效、碳排放及成本進(jìn)行了對(duì)比分析,為工程上氫能的儲(chǔ)運(yùn)提供參考。

1 模型定義及假設(shè)說(shuō)明

目前氫能市場(chǎng)上最常見(jiàn)的氫儲(chǔ)運(yùn)方式是高壓氣態(tài)氫或液態(tài)氫。高壓氫：高壓氫是通過(guò)氣態(tài)氫的方式進(jìn)行儲(chǔ)運(yùn),主要分為三步,首先通常將氫源的氫氣增壓到20 MPa,其次通過(guò)專門的長(zhǎng)管車運(yùn)輸?shù)郊託湔拘稓?最后在加注站進(jìn)一步將壓力增壓到45 MPa,通過(guò)加注槍加注到用戶。高壓氫主要用于城市內(nèi)或短距離城市間的陸運(yùn)。液氫：液氫是通過(guò)低溫液氫的方式進(jìn)行儲(chǔ)運(yùn),也主要分為三步,第一步氫氣在低溫下進(jìn)行液化,第二步通過(guò)液氫船或液氫槽車運(yùn)輸?shù)揭簹浼託湔?第三步在加注站加壓氣化,通過(guò)加注槍加注到用戶。液氫以液態(tài)形式運(yùn)輸可以適用陸運(yùn)海運(yùn),但是由于是低溫環(huán)境,儲(chǔ)存運(yùn)輸過(guò)程中伴隨一定的氫氣蒸發(fā)。

高壓氫、液氫儲(chǔ)運(yùn)氫都可以分為儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、加氫這三步,儲(chǔ)運(yùn)氫流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)運(yùn)氫流程鏈圖

儲(chǔ)運(yùn)氫系統(tǒng)總能耗：

W總=W儲(chǔ)+W運(yùn)+W加-E儲(chǔ)-E運(yùn)-E加=(q儲(chǔ)+q運(yùn)+q加-e儲(chǔ)-e運(yùn)-e加)M

(1)

式中：W儲(chǔ),W運(yùn),W加：儲(chǔ)運(yùn)氫過(guò)程中外界對(duì)系統(tǒng)的能量輸入;q儲(chǔ),q運(yùn),q加：儲(chǔ)運(yùn)氫過(guò)程中單位質(zhì)量氫氣對(duì)應(yīng)的能量輸入;E儲(chǔ),E運(yùn),E加：儲(chǔ)運(yùn)氫過(guò)程中系統(tǒng)對(duì)外界的能量輸出;e儲(chǔ),e運(yùn),e加：儲(chǔ)運(yùn)氫過(guò)程中單位質(zhì)量氫氣對(duì)應(yīng)的能量輸出;W輸：系統(tǒng)(燃料電池)輸出功率;q輸：?jiǎn)挝毁|(zhì)量氫氣對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)(燃料電池)輸出功率。

儲(chǔ)運(yùn)氫系統(tǒng)總能效：

(2)

儲(chǔ)運(yùn)氫系供應(yīng)鏈總成本：

C總=C儲(chǔ)+C運(yùn)+C加

(3)

式中：C儲(chǔ)：氫氣單位儲(chǔ)存成本,元/kgH2;C運(yùn)：氫氣單位運(yùn)輸成本,元/kgH2;C加：氫氣接收單位加注成本,元/kgH2

主要基本假設(shè)：本文中數(shù)據(jù)按氫氣初始?jí)毫? MPa,儲(chǔ)運(yùn)氫規(guī)模為50 t/d氫氣規(guī)模,加氫站均按1 000 kg/d供氫規(guī)?？紤],且終端可完全消耗1 000 kg/d氫氣,無(wú)剩余。文中的碳排放是相對(duì)碳排放,是相對(duì)于常規(guī)火電的碳排放,也就是考慮了氫氣本身對(duì)環(huán)境的碳減排作用。另外,燃料電池的發(fā)電效率均按60%計(jì)算,即1 kgH2經(jīng)過(guò)燃料電池可發(fā)電20 kwh。

2 高壓氫儲(chǔ)運(yùn)能耗分析

高壓氫是以高壓氣態(tài)氫的形式進(jìn)行儲(chǔ)存運(yùn)輸,主要步驟有加壓、運(yùn)輸、增壓及氫氣加注,其中增壓及加注在加氫站完成。目前,中國(guó)市場(chǎng)上主流的高壓氫長(zhǎng)管拖車的運(yùn)氫壓力通常為20 MPa,因此,首先需要將2 MPa的源氫增壓到20 MPa,從熱力學(xué)理論可知等溫壓縮效率最高,將氫氣從0.1 MPa增壓到70 MPa,理論能耗是2.08 kwh/kgH2[10],然而實(shí)際上等溫壓縮很難實(shí)現(xiàn)考慮壓縮機(jī)效率后實(shí)際能耗為5 kwh/kgH2[11]。因此,考慮70%的隔膜壓縮機(jī)效率,將氫氣從2 MPa加壓到20 MPa能耗為1.13 kwh/kgH2,20 MPa增壓到45 MPa能耗為0.56 kwh/kgH2[12],加注時(shí)加注槍的冷卻能耗為0.63 kwh/kgH2,因此加注站內(nèi)的增壓和加注冷卻總能耗為1.19 kwh/kgH2。

高壓氫采用20 MPa長(zhǎng)管車運(yùn)輸,350 kg長(zhǎng)管車考慮20%殘余氣,實(shí)際運(yùn)氫量280 kg,按耗油按25 L/100 km計(jì)算;公式(1)可知折合能耗為：0.95 kwh/kgH2/50 km。高壓氫儲(chǔ)運(yùn)氫路線的能耗及效率如圖2和圖3所示,從圖中可以看出,隨著運(yùn)氫距離增大,運(yùn)輸能耗隨運(yùn)輸距離線性增加,效率明顯減小,因此高壓氫一般適用于城市內(nèi)或相鄰市之間的短距離用氫場(chǎng)景。

運(yùn)輸距離/km圖2 高壓氫儲(chǔ)運(yùn)氫能耗圖

運(yùn)輸距離/km圖3 高壓氫儲(chǔ)運(yùn)氫效率

高壓氫的成本主要由增壓、運(yùn)輸及加注站三部分組成,增加和加注都分為運(yùn)行成本和設(shè)備折舊成本,其加壓成本和加注站成本分別為2.67元/kgH2,9.33元/kgH2(1 000 kg/d高壓加氫站投資約2 000萬(wàn),另外,根據(jù)模型測(cè)算,1 000 kg/d加氫站匹配的100 km運(yùn)氫成本為5.92元/kgH2。高壓儲(chǔ)運(yùn)氫成本如圖4所示,從圖中可以看出,隨著運(yùn)輸距離的增加,運(yùn)輸成本顯著增加,占總成本比例越來(lái)越大。

運(yùn)輸距離/km圖4 高壓儲(chǔ)運(yùn)氫成本

3 液氫儲(chǔ)運(yùn)能耗分析

液氫是以低溫液態(tài)氫的形式進(jìn)行儲(chǔ)存運(yùn)輸,主要步驟有液化、運(yùn)輸、氣化及氫氣加注,其中氣化及加注在加氫站完成。氫液化是指將氣態(tài)氫降至-253 ℃進(jìn)行液化,這也是液氫儲(chǔ)運(yùn)中最關(guān)鍵的步驟。其原理如下：循環(huán)中300 K到80 K溫區(qū)的熱量主要由液氮帶走,然后利用單獨(dú)的制冷循環(huán),通過(guò)膨脹制冷的形式進(jìn)一步降溫。液化路氫氣首先將氫氣壓縮到目標(biāo)壓力,然后通過(guò)各級(jí)換熱器逐漸降溫,最終液氫存儲(chǔ)溫度壓力為20.4K& 1.06 bar。目前世界上運(yùn)行的氫液化裝置基本都采用改進(jìn)型帶預(yù)冷的Claude液化流程,采用液氮預(yù)冷,氦氣制冷的氫液化流程性能最好,單位能耗為12.08 kwh/kgH2[13-15]。

氫氣液化完成后,通過(guò)液氫槽車將液氫運(yùn)輸至加氫站并儲(chǔ)存于站內(nèi)的液氫罐中,低溫液氫泵吸入液氫后進(jìn)行增壓在高壓氣化器中氣化成高壓氣態(tài)氫,存入儲(chǔ)氫瓶組,待有車輛加氫時(shí),從儲(chǔ)氫瓶組中取氣加注。該工藝系統(tǒng)還可以充分利用液氫的低溫冷能,用于加注前的氫氣冷卻,同時(shí)相較于先汽化后通過(guò)壓縮機(jī)壓縮氣態(tài)的工藝,液氫泵的能耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于壓縮機(jī)能耗,液氫氣化時(shí)液氫泵的能耗為0.55 kwh/kgH2,加注時(shí)加注槍的冷卻能耗為0.63 kwh/kgH2,因此液氫加注總能耗為1.18 kwh/kgH2。

液氫運(yùn)輸采用專門的液氫槽車,4 000 kg液氫槽車考慮3%殘留氫實(shí)際運(yùn)氫3 880 kg,按耗油按25 L/100km計(jì)算,由公式(1)可知折合運(yùn)輸能耗0.07 kwh/kgH2/100 km,運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程的裝卸泵的能耗也應(yīng)該予以考慮,為0.38 kwh/kgH2[16]。液氫不僅適用槽車陸運(yùn),也適用長(zhǎng)距離海運(yùn),液氫海運(yùn)能耗為0.03 kwh/kgH2/1 000 km。液氫儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)的能耗及能效如圖5和圖6所示,從圖中可以看出,隨著運(yùn)氫距離增大,運(yùn)輸能耗(含陸運(yùn)和海運(yùn))增加緩慢,效率下降并不明顯,因此液氫適合跨海及城市內(nèi)或相鄰市之間長(zhǎng)距離用氫場(chǎng)景。

運(yùn)輸距離/km圖5 液氫儲(chǔ)運(yùn)氫能耗

運(yùn)輸距離/km圖6 液氫儲(chǔ)運(yùn)氫效率

液氫的成本主要由液氫蒸發(fā)損耗、液化、運(yùn)輸及加注站四部分組成。根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[17],大型球罐日蒸發(fā)率約為0.03%,30 m3液氫槽罐日蒸發(fā)量0.5%,海運(yùn)蒸發(fā)率0.2%;文獻(xiàn)[18]中指出液化成本約為9.66元/kgH2,根據(jù)《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)報(bào)告2020》數(shù)據(jù),1 000 kg/d液氫站固定投資2 200萬(wàn),核算折合加注成本為9.93元/kgH2,另外,根據(jù)運(yùn)輸模型測(cè)算,1 000 kg/d加氫站匹配的100 km運(yùn)氫成本為0.93元/kgH2。液氫儲(chǔ)運(yùn)成本如圖7所示,從圖中可以看出,隨著運(yùn)輸距離的增加,運(yùn)輸成本緩慢,占總成本比例較小。

運(yùn)輸距離/km圖7 液氫儲(chǔ)運(yùn)成本

4 結(jié) 論

本文基于儲(chǔ)運(yùn)氫模型,重點(diǎn)分析了高壓氫、液氫儲(chǔ)氫技術(shù)的能耗、能效、碳排放及經(jīng)濟(jì)性。分析結(jié)果表明：

高壓氫在高壓20 MPa儲(chǔ)存和運(yùn)輸,其能耗及成本隨運(yùn)輸距離增大而明顯增大,綜合效率快速下降,一般適用于城市內(nèi)或相鄰市之間的短距離用氫場(chǎng)景。

液氫在低溫環(huán)境(-253 ℃)下儲(chǔ)存和運(yùn)輸,液氫由于液化能耗及成本過(guò)高導(dǎo)致總能耗及成本居高不下,綜合效率也較低,而且整個(gè)過(guò)程中都伴隨著氫氣的蒸發(fā)損耗,因此不適合跨海及相鄰市之間長(zhǎng)距離用氫場(chǎng)景,這也是目前液氫沒(méi)有推廣使用的主要原因。